TM65 m射电望远镜副面位姿建模

大型射电望远镜在观测过程中,随着俯仰角度的变化,副面支撑、背架、主反射面等都有不同程度的变形,这将导致天线效率在高低俯仰角上明显下降,天马65 m射电望远镜副面系统的安装可以用来补偿副面支撑和主面的重力变形,在不同的俯仰角度上,副面位姿的调整可以提高天线的效率和指向性能.通过在X波段和Ku波段研究副面位姿变化对天线效率的影响,用射电法建立了随俯仰角度变化的副面位姿随动调整模型和指向补偿模型.此外还测试了副面随动与固定对天线效率的影响,结果表明副面随动模型可以有效改善65 m望远镜在高低俯仰角上的效率,使得在整个俯仰角范围内,X波段的接受效率均达到60%以上.     

PSD法测量大型射电望远镜副面位姿

指向精度是大型射电望远镜天线具有挑战性的关键技术指标.在望远镜运行中,方位俯仰角的变化、重力以及日照等对副面撑杆的综合影响会引起望远镜的副面位姿改变从而引起指向误差的增加和天线效率的降低.基于天马65 m射电望远镜,使用位置传感器装置(PSD)法构建了副面位置偏移量测定系统,可以实时采集副面的3维位移数据,构建重力模型,将测试结果与射电法构建的现有副面模型进行对比,有较好的一致性.此外,该系统可以分析日照(引起撑腿局部温度效应)引起的副面位移情况,也可以监视风载和瞬时启停对副面位姿的影响.     

环焦天线口径面相位分析

环焦天线具有特殊的电磁特性和应用领域.对环焦天线的口径面相位误差进行了理论和仿真分析,推导了馈源和副面位置偏差引起的相位误差、主副面之间的补偿关系以及全息测量中天线转动引起的光程差.研究结果将对环焦天线的精确面形测量和补偿提供理论依据和参考.     

基于单目视觉的天线副面并联调整机构相对位姿测量方法

为测量天线副面并联调整机构的相对位姿,研究了一种基于单目视觉的位姿测量系统.采用光源照射固定于动平台上的合作目标,结合滤光片等控制手段,利用单目相机采集非共面特征点的图像,获得高对比度的准理想图像.经过图像处理和平方加权质心法,提取出特征点的图像坐标,使用EPnP (Efficient Perspective-n-Point)算法进行位姿解算,最终可以得到并联调整机构的相对位姿测量方法.最后通过实验进行了精度验证,结果表明平移精度为0.1 mm,旋转精度为0.05°,满足了实验要求,为并联机构的位姿检测提供了可行性思路.     

40m射电望远镜天线副面和馈源偏移误差分析

建立40m口径天线结构的有限元分析模型,依据有限元分析结果,对副面和馈源偏离理想位置的偏移量和偏移误差进行分析与计算;从误差补偿角度,运用最佳指向技术对副面横偏误差进行补偿分析计算。误差补偿后的计算结果表明,副面横偏误差得到了大幅度的减小。分析计算结果为40m天线的实际工程提供了参考。     

基于主动反射面主动形变的相位恢复全息法研究

大口径射电望远镜的表面精度是影响天线性能的重要因素之一,受面板加工、安装以及重力、温度和风载的影响,极大地限制了天线的观测效率.基于较副面六联杆更加精确可控的主动面技术,首次采用泽尼克(Zernike)多项式表示连续变化的主动形变相位因子,通过调整主动面获取远场幅值,即可检测表面误差.通过建立数值仿真模型,计算了任意表面形变的恢复误差,并研究了在多种连续主动面变化下的表面形变恢复效果.结果表明此方法可以稳定精准地检测表面形变,从而有效提高射电望远镜的观测效率.     

TM65m射电望远镜L、S、C、X频段天线性能测量

报告了上海天马65 m射电望远镜(简称TM65m)4个低频(L、S、C、X)段的天线效率、灵敏度以及系统噪声温度的性能测试情况.首先介绍了射电天文接收系统的关键指标,接着对测试方法进行了论述,并对误差进行了评估.最后给出了TM65m上4个低频段的天线效率、灵敏度以及系统噪声温度的测试情况,测试结果表明:在C和X波段,副面位置固定时,在高低俯仰角上效率和灵敏度下降剧烈,当启动副面(随动)模型后,在全仰角范围内,效率可以控制到60%以上.系统噪声温度与副面模型无关,在4个波段中C波段的灵敏度和系统噪声温度最佳.     

基于惯性测量的天线副面位姿测量系统的设计

以新疆天文台奇台110 m大型射电望远镜建设项目为背景,研发了一套基于惯性测量原理应用于大型射电望远镜的副面位姿精确测量系统。系统基于惯性测量和嵌入式技术,分别设计了信号采集终端和上位机处理软件,解决了超大型射电天线工作中副面位置摆动较大而无法确定精确位置,进而无法基于副面上六杆并联机器人对副面进行精确调节以提高观测效率的问题。该测量系统是射电望远镜副反射面控制系统构建成为闭环控制系统的关键模块。副反射面控制系统构建成为闭环控制链路以后,可以极大地提高射电望远镜的整体观测效率。     

基于应变的变形副反射面位姿形貌快速重构方法

随着双反射面天线口径的增大、工作频段的升高,天线对副反射面的精度要求也越来越高.当天线受到自重以及风荷、温度等外界因素的影响时,为了更好地保证满足天线的高指向精度等电性能要求,基于应变传感器和模态叠加原理,分别利用天线变形后副反射面支撑腿与副反射面自身结构的应变值来快速重构副反射面的位姿、形貌,便于副反射面调整机构对其进行实时修正,以实现更加精准的主副反射面位置匹配,降低因天线结构变形造成的波束指向误差和增益损失.     

附加相对约束关系的月表全景相机平差算法研究

我国近期发射的月球探测器携带了全景相机的科学载荷,负责获取巡视器着陆区的月球表面影像。全景相机共有两台,采用双目立体成像,实际工作时保持相对位置和姿态关系不变。参考地球测绘、计算机视觉等领域的多个相似案例,使用一种改进的平差模型,经过实验验证,证明该模型能够消除不同立体像对间相对位置和姿态的偏差,使平差结果更加可靠,为我国探月任务中月表全景相机影像数据的摄影测量处理提供帮助和支持。     

德令哈13.7m望远镜重力变形研究

借助于数字摄影测量结果调整天线面板,使德令哈13.7 m望远镜在仰角52°时获得最佳反射面面形,从而使天线效率在观测仰角范围内得到整体优化.与之前基于经纬仪测量的面板调整结果相比,天线口径效率提高约1倍.依据不同俯仰姿态下的测量结果,得到了天线的重力变形模型,包括副面偏移和倾斜、主面焦距和面形偏差随仰角变化的规律.根据不同仰角的面形偏差测量数据反演反射面重力变形模型时,采用了数据拟合方法,这样可以减小测量误差对模型精度的影响.     

基于数值模拟的射电望远镜台址测风塔位置优选方法研究

射电望远镜天线结构设计和观测任务的正常进行都需要台址风场信息.随着望远镜性能要求的提高,天线结构设计越来越复杂,风载荷对天线观测时造成的指向影响也越发明显,如何在设计时保证结构刚度和强度,在观测时提高有效观测时间,都需要准确的风场数据.由于传统台址测风塔布置方法无法对测风塔拟设点的可靠性做出定量化评估,因此提出一种基于数值模拟优化测风塔位置的方法.数值模拟基于规范参数设置边界条件,与实测数据比较,整体趋势吻合,满足精度需求.对试验台址设置了4个测风塔位置,经分析P2点与天线位置的风速均方根误差值(root-mean-square error, RMSE)最小,测得的数据更能表征天线区域的风场特性.     

40m天线预测控制算法的研究

将预测控制的思想用于大口径天线跟踪系统的控制,提出了位置控制器的一种设计方案。并对天线的直流驱动系统进行建模和仿真实验。     

遥测接收机基带信号处理的数字化实现方法

根据VLBI系统中接收的遥测信号基带信号的特点,介绍了利用虚拟无线电技术实现遥测接收机基带信号处理的基本原理,并分别概述了接收机的载波解调、副载波解调、数据转换环3个功能模块的数字化实现方法。仿真结果和实测数据表明,利用虚拟无线电技术能够很好地实现对遥测信号的解调和同步工作,又因该技术本身具有容易更新、方便添加接口、可并行化等优点,这种基于虚拟无线电技术的遥测接收机基带处理系统,将能够为遥测、导航、天线组阵等相关技术提供很好的实验和应用平台。     

大型双反射面天线指向误差评估算法

针对天线变形耦合影响指向误差评估精度的问题,提出基于几何光学的大型双反射面天线指向误差评估算法。通过建立变形反射面天线的最佳吻合抛物面、偏移副反射面以及馈源在基坐标下的数学模型,计算反射面辐射区间并确定指向误差权重因子,最终建立天线的指向误差评估模型。为验证算法的正确性,应用该模型对一座在建70 m天线的多组虚拟变形工况进行指向误差评估,其结果与现有波束偏移因子算法以及电磁仿真算法的评估结果进行对比,结果表明,该模型评估的指向误差结果与电磁仿真算法以及波束偏移因子算法的评估结果吻合,所提算法正确。该算法为分析天线变形耦合对指向误差评估精度的影响提供了理论依据,在一定程度上提高了天线的指向误差评估精度。     

斜轴式太赫兹天线的卡焦近场全息测量研究

天线反射面的面形精度直接影响天线效率, 是望远镜的关键指标之一. 近场射电全息具有测量精度高, 便捷高效的优点, 是毫米波和亚毫米波射电望远镜面形检测最为常用的方法之一, 卡焦近场全息可以完整测量望远镜光路中整体的面形误差. 斜轴式机架结构能够更好地适应太赫兹望远镜在极端台址环境下的整体保温和热控需求, 但斜轴天线特殊的转动特性会在近场全息测量过程中引入额外的系统误差. 针对斜轴式天线的卡焦近场全息测量, 分析了数据处理中需要额外考虑的参考路接收机位置和副面衍射的影响, 并在1.2m口径斜轴式太赫兹天线上开展了测量实验. 实验结果表明, 卡焦近场全息测量的重复测量精度优于2.0μm RMS (Root Mean Square), 面形误差分布与摄影测量所得结果一致, 验证了误差分析与修正的正确性.     

天马望远镜P波段轴向偏焦研究

天马望远镜是65 m口径全实面地平式射电望远镜,信号经赋型抛物面主反射镜和赋型双曲面副反射镜汇集后在卡塞格伦焦点处馈入低温低噪声接收系统。开展天马射电望远镜轴向偏焦研究,旨在拓展天马望远镜在低频段的接收,创新之处在于利用P波段低频振子天线作为接收机馈源,放置在距离副反射面顶点下方约1/4波长处,研究天马望远镜在P波段开展天文观测的可行性。研究内容包括P波段振子天线设计、馈源轴向偏焦位置优化以及观测性能分析。P波段振子天线作为馈源,天线最大增益45 d B,天线效率64.25%。     

偏焦全息测量技术在上海65米射电望远镜中的应用研究

上海65米射电望远镜是亚洲最大、全方位可转动的大型射电望远镜,在国内首次配备主动面系统。对主动面系统应用的关键技术——偏焦全息测量技术在上海65米射电望远镜中的初步应用情况进行介绍。首先,介绍常用的天线主反射面面型测量方法。接着,介绍偏焦全息测量技术的应用方法。采用飞行扫描,利用X波段致冷接收机和连续谱终端,将射电源3C84作为信号源,通过移动副反射面测量得到一幅聚焦天线方向图和两幅偏焦天线方向图。将三幅天线方向图作为偏焦全息测量算法的输入,获得天线口径面相位分布的Zernike系数。依据Zernike系数计算得到天线主反射面型面误差的均方根值(root mean square,RMS),该均方根值与前期照相测量的结果基本相符。最后,对今后的改进工作进行展望。     

分离式靶标摄影测量在LAMOST中的应用

为了获取LAMOST焦面板上光纤的零位位置,提出了一种基于分离式标准靶标的高精度摄影测量方法。首先,根据Tsai摄像机标定参数模型介绍了CCD相机的标定原理。然后介绍了用光重心算法求取靶标发光点像面坐标及通过球面三角公式计算靶标发光点物面坐标。接着,利用最小二乘法导出了含标定参数的方程组。最后,介绍了标准靶标的放置方法以及提高光纤位置测量精度的靶标取法。实验结果表明:CCD相机的标定残差平均值为8.8μm;标定残差的标准差为5.3μm。测量方法简单易行,通过仔细分析,找出了残差偏大的原因,对后续进一步测量实验有重要指导意义。     

模糊控制器在25米天线副面调节中的应用

以新疆天文台南山25 m天线改造计划为背景,为达到通过副反射面补偿方法提高天线整体电性能以及自动换馈的目的,详细研究了基于模糊控制器的天线副反射面调节系统。以六自由度并联平台伺服系统为被控对象,运用Simulink仿真软件对模糊控制器进行了在无噪声阶跃输入、有噪声阶跃输入、无噪声弦波输入和有噪声弦波输入条件下的系统仿真,并进行了详细的误差分析,得到了性能最优的系统模型参数,同时得到了在模糊控制器作用下的副反射面调节系统的基本运行性能参数:在弦波信号作用下系统响应误差小于等于0.09 mm,在阶跃信号作用下系统稳态误差为0.001 1 mm,且调节时间约为0.3 s。实验结果表明基于模糊控制器的控制系统整体性能良好,能快速、稳定、准确地完成副反射面调节任务,进而提高天线的整体电性能,满足天文观测和深空探测对数据准确性和系统可靠性的要求,具有一定的应用价值。