基于数值模拟的大口径高精度射电望远镜台址风障优化设计研究

随着射电望远镜口径增大、观测频率提高, 对其指向精度的要求也越来越高. 然而, 望远镜服役于野外台站, 台址风扰对天线指向精度的影响在高频段观测时已不能忽略. 由于风扰的时变性, 现有的抗风方法无法保障大口径高指向精度望远镜在高频段的有效观测时长. 因此, 提出了一种基于风障精确布置改善台址风环境的方法. 通过数值模拟构建了风障仿真模型, 并将仿真结果与风洞实测数据比较, 两种孔隙率风障的平均误差分别为3.7%和6.1%, 保证了风障模型的可靠性. 以新疆奇台射电望远镜(QiTai radio Telescope, QTT)台址为例, 基于QTT台址斜坡地形构建了计算域模型, 开展单风障不同高度、不同孔隙率的系列风场仿真试验, 得到了风障参量与下游挡风效果的关系. 基于单风障合理高度和最优孔隙率设置南北风障, 仿真结果表明在确定高度下最优孔隙率可以组合, 孔隙率0.1-0.1组合的风障挡风效果最优, 南方向来风在天线区域可以有效降低75%以上的风速.     

膜圆顶及塔架对南极望远镜风载影响的仿真分析

为了充分利用Dome A地区绝佳的视宁度条件, 计划将南极望远镜安装在15m高的塔架上并使用轻质膜圆顶. 研究了在塔架和膜圆顶作用下风载对望远镜观测环境的影 响, 利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)分析了在10m·s^-1稳态风作用下,不同风向角、方位轴转动角以及镜筒转动角时,望远镜周围风速、湍动能的分布情况以及光程差的变化,同时研究了风屏对风速、湍动能的改善作用和带来的温升.结果表明,塔架和圆顶周围的风速与湍动能分布对风向的改变不敏感;迎风状态时望远镜附近的湍流分布与风速分布情况整体优于背风状态;当风速为10m·s^-1时,在距离风屏1m远、3m高的位置处风速降为来流风速的1/3至1/4,望远镜附近的平均温升值为0.044 K.     

3颗脉冲星自转性质的研究

正常脉冲星和亳秒脉冲星都表现出计时噪声.脉冲星的自转变化是造成计时噪声的重要原因之一.通过联合新疆天文台南山25m射电望远镜和澳大利亚Parkes64m射电望远镜的脉冲到达时间数据,使用脉冲星计时的方法对PSRJ1539--5626、J1832- -0827和J1847- -0402的自转进行分析研究,它们在到达时间残差上均表现出很强的计时噪声,低频噪声的功率谱分别符合谱指数为-6、-6、 -4.5的幂律,功率谱强度分别为1.77 x 10^-17 yr³、4.43x 10^-18 yr³和2.09x 10^-18yr3.这3颗脉冲星在自转频率1阶导数的变化上都表现出较为明显的振荡,振荡幅度分别为0.61(3)x 10^-15s^-2、0.54(5) x 10^-16s^-2和0.11(2) x 10^-15s^-2 (其中括号内数字代表末位数字的有效误差,下同),自转频率1阶导数振荡变化的相对大小分别是0.75(5)%、0.035(9)%、 0.076(2)%.利用Parkes 64 m射电望远镜的观测数据,分别获得了这3颗脉冲星积分脉冲轮廓及其半高全宽,发现3颗脉冲星的脉冲轮廓的宽度均有一定 的变化,变化幅度分别为0.0028(6)、0.00059(3)和0.00011(4)个相位.没有探测到自转减慢率的变化与辐射变化之间存在明显的相关性.     

大口径射电望远镜电磁兼容评估技术研究

电磁兼容性是设备或系统的重要性能指标, 也是保障系统的工作效能和提高系统可靠性的重要因素. 大口径射电望远镜运行阶段, 台址周围无线电业务及内部潜在的电磁干扰会降低观测系统灵敏度、影响天文观测的质量. 本论文针对拟建的新疆110 m全向可动射电望远镜(Qi Tai raido Telescope, QTT)开展了系统电磁兼容评估技术及控制方法研究, 具有重要的工程应用价值. 首先, 依据现有电波环境测量方法的不足, 深入分析了仪器设备的关键参数配置方法及测量时间计算方法, 采用Y因子法校准测量数据, 提出一种准实时电波环境测量方法. 面向高重复性宽带频谱, 分析了宽带频谱信号和噪声特征, 结合标准差理论, 提出一种基于邻值比较的信噪分离方法, 并采用邻值统计方法优化关键参数, 提高信噪分离精度. 针对QTT台址, 开发了自动化电波环境监测系统, 该系统6 GHz以下频段系统增益大于40 dB, 系统噪声系数小于2 dB, 测量不确定度小于1.49 dB, 具有极高的系统灵敏度和测量精度; 分析了频谱监测数据流, 设计了基于HDF5 (Hierarchical Data Format version 5)的数据存储格式, 开发了自动化电波环境测量和监控软件及数据处理软件. 依据QTT台址长期监测数据, 评估分析了台址电磁环境、主要干扰源特征及其影响. 其次, 提出大口径射电望远镜馈源口面干扰电平限值量化方法, 建立了基于台址地形的电波传播模型, 分析了现有电波传播模型的优缺点及适应性, 结合QTT台址实际地形及地质特征, 采用Longley-Rice和Two-Ray电波传播模型, 预测分析了QTT台址潜在干扰区域电磁干扰达到射电望远镜的电波路径衰减, 结合大口径射电望远镜天线增益量化方法, 提出设备所在位置干扰电平限值量化方法, 运用该方法对QTT台址潜在干扰区域的干扰电平限值进行量化. 依据设备所在位置干扰电平限值, 调研分析了国内外军用、民用电磁兼容测量标准, 结合电磁干扰对射电天文观测的影响, 提出一种大口径射电望远镜电磁兼容控制方法, 解决了现有电波暗室测量系统无法直接测量评估电子设备电磁兼容的问题, 该电磁兼容控制方法计划应用于QTT建设及运行阶段, 确保系统拥有良好的电磁兼容性. 最后, 依据QTT台址潜在干扰区域干扰电平限值, 结合典型电子设备电磁辐射频谱, 分析了QTT电磁兼容设计需求, 提出电磁兼容设计初步方案. 另外, 针对台址建筑设施内的中低电磁辐射干扰源, 提出一种低成本建筑屏蔽方法, 应用于QTT台址现有建筑.     

吉林天文观测基地光学观测环境及相关研究进展

地基光学天文望远镜是人类探索与研究宇宙的重要手段, 对已有地基光学台址的光学观测环境进行监测分析, 可以为后期设备针对性改造以及观测者调整观测策略提供参考依据, 对提升地基光学设备的观测效能具有重要的意义. 吉林天文观测基地(简称``基地'')隶属于中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站, 位于吉林省吉林市大绥河镇小绥河村南沟约5 km处(东经126.3^\circ, 北纬43.8^\circ, 海拔高度313m). 基地大气视宁度均值范围约为1.3$''$--1.4$''$、天顶附近V波段的天光背景亮度为20.64magcdotarcsec^-2、年晴夜数最高可达270余天, 具有良好的天文观测条件. 吉林天文观测基地于2016年投入运行, 现有1.2m光电望远镜、迷你光电阵列望远镜、大视场光电望远镜阵列、新型多功能阵列结构光电探测平台等多台(套)光电望远镜设备. 利用上述设备, 主要围绕空间目标探测与识别、精密轨道确定、光电探测新方法以及变源天体的多色测光等开展相关研究工作, 与多家国内高校及科研院所保持着良好的合作关系.     

一种新的守时型原子钟综合时间尺度方法研究

在这篇文章中, 提出了一种基于改进的指数平滑和Vondrak_Cepek联合平滑的氢铯综合时间尺度产生方法. 以最小误差方法为理论基础, 动态估计氢原子钟频率漂移参数, 提升氢原子钟钟差预测准确度; 基于改进的二次指数平滑产生氢原子钟组时间尺度、加权平均方法产生铯原子钟时间尺度, 同时设计Vondrak_Cepek滤波器以结合两类时间尺度长短期稳定度优势, 提升综合时间尺度性能. 实验结果表明, 所提方法产生的氢铯综合时间尺度时稳可达1.60x10^-15,天稳可达3x10^-15,优于ALGOS、AT1和Kalman滤波3种经典方法产生的时间 尺度性能.     

Long term variations in solar flare activity

A statistical analysis of the contemporary (1954-1975) solar flare particle events has been made for the parametersF (integrated, proton fluence in cm^-2 in an event with kinetic energy above 10 MeV) andR ₀ (the characteristic rigidity). These data are compared with the long-term averaged values determined from stable- and radio-nuclide measurements of lunar samples. The analysis shows that the ancient solar flare proton spectrum was harder (higher R₀ values) compared to that observed in contemporary flares. A similar analysis can not be made for the mean long-term averaged flux (ˉJ, cm^-2 S^-1), since the contemporary averages suffer from an uncertainty due to the statistics of a single event. However, the average flux estimates for time durations 〈T〉 exceeding 10³ yr, are free from such uncertainties. The long-term averaged ˉJ values obtained over different time scales (10⁴ - 10⁶ yr) suggest a possible periodic variation in solar flare activity, with enhanced flux level during the last 10⁵ yr. The available data rule out the occurrence of giant flares, with proton fluence exceeding 10¹⁵ cm^-2 during the last million years.     

大口径射电望远镜主面误差分析与修正

建立了40 m口径射电望远镜天线结构有限元模型,依据模型分析结果,对40 m口径射电望远镜天线主面误差进行了分析和数值计算;从误差修正的角度,分别对主面误差的最佳拟合修正、安装角预调的工作仰角综合修正进行了分析与数值计算．误差修正后的计算结果表明,主面精度得到了大幅度的提高．分析结果为该望远镜天线的实际建造提供了参考．     

一个大质量恒星形成复合体的动力学性质

恒星形成于分子云之中, 分子外向流是恒星形成正在进行的重要动力学特征, 也是研究和认识恒星形成的重要契入点. 利用紫金山天文台青海观测站德令哈13.7m毫米波望远镜, 采用5种分子谱线探针(包括¹²CO、¹³CO、C¹⁸O、HCO$^+$ $J=1-0$和CS $J=2-1$, J为角动量量子数), 对一个包含IRAS 19230+1506、IRAS 19232+1504和G050.3179--00.4186这3个源的大质量恒星形成复合体进行了成图观测研究. 通过对以上分子谱线数据并结合红外波段巡天数据的分析, 在这3个源中首次探测到了分子外向流活动, 并确定了分子外向流的中心驱动源. 最后对这3个源进行了分子外向流相关物理量参数的计算, 分析了这些物理量参数之间的关系, 结果表明分子外向流的性质与中心驱动源的性质息息相关.     

亮红外星系NGC 1614中多谱线示踪的致密分子气体

利用高空间分辨率的¹²CO(1-0)、¹³CO(1-0)、¹²CO(3-2)、¹²CO(6-5)、HCN(3-2)、\lk HCN(4-3)、 HCO⁺(3-2)和HCO⁺(4-3)分子谱线的ALMA (Atacama Large Millimeter/ submillimeter Array)归档数据, 来研究近邻亮红外星系NGC 1614的分子气体性质, 尤其是致密分子气体的性质. 在高分辨率分子气体谱线的积分强度图中, 在星系中心区域($<$ 1kpc)可以看到环状结构, 分子气体主要分布于星系中心区域, 核区分子气体含量较少. ¹²CO(1-0)显示出向南部、 北部以及东南部的延展结构, 高阶的CO ($J \ge$ 3, J为转振能级量子数)分子谱线和致密分子HCN、HCO⁺谱线显示, 较致密的分子气体主要集中于星系中心区域. HCN(4-3)/¹²CO(1-0)和HCN⁺(4-3)/¹²CO(1-0)积分强度比值图显示, 致密分子气体主要集中于中心区域的环状结构上. HCN/HCO⁺强度比值的分布变化表明星暴环的不同区域可能具有不同的激发条件. HCN/HCO⁺(4-3)强度比值分布在环的东、西部(sim0.44 pm 0.04)高于环的南、北部(sim0.35 pm 0.03). HCN/HCO⁺(3-2)强度比值较高的区域(sim0.38 pm 0.04)分布在HCN(3-2)峰值位置, 而环的西北、东南部强度比值相对较低(sim0.3 pm 0.03). 对于中心不同区域 HCN/HCO⁺比值变化的原因进行了讨论.     

Research on Wind Tower Position Optimization Method of Radio Telescope Site Based on Numerical Simulation

Wind field is a critical issue for radio telescope antenna structure design and observation. As the telescope performance requirements are getting higher and higher, the antenna structure design becomes more and more complicated, and the influence of wind load on antenna pointing in the observation is also serious. How to ensure the stiffness and strength of the structure during the design and to improve the effective observation time during the observation all need accurate wind field data. Due to the traditional wind tower setup method cannot quantitatively evaluate the reliability of the setting point position, so a method based on numerical simulation to optimize the position of the wind tower is proposed. The boundary conditions of numerical simulation are set based on specification parameters, the overall trend is consistent with the measured data, and therefore the simulation accuracy could meet the requirement. Four wind tower positions were set at the test site. According to the simulation results, the root-mean-square error (RMSE) of wind speed between point P2 and the antenna position is the smallest. So, the measured data in P2 could better represent the wind field characteristics of the antenna area.     

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.     

采用光学指向系统建立天马13m望远镜指向模型

描述了采用光学望远镜辅助天马13m射电望远镜进行指向测量以及建立指向误差修正模型的方法. 对于小口径望远镜, 指向校准目标源比较少, 用射电法建立指向模型难以覆盖全天区. 利用上海天文台天马13m射 电望远镜进行光学望远镜辅助射电望远镜指向测量研究, 在13m天线背架上安装一套光学指向系统, 获得了优 于3''的重复测量误差. 此外, 通过对影响天线指向因素的分析, 建立了包含8个误差项的指向误差修正模型以及 光轴和电轴偏差模型. 将指向模型代入天线伺服控制系统, 对校准目标射电源进行十字扫描, 得到指向样本残差约 为5''. 该研究可以为实现高精度指向建模提供一种参考方法.     

A new calibration model for pointing a radio telescope that considers nonlinear errors in the azimuth axis

A new calibration model of a radio telescope that includes pointing error is presented, which considers nonlinear errors in the azimuth axis. For a large radio telescope, in particular for a telescope with a turntable, it is difficult to correct pointing errors using a traditional linear calibration model, because errors produced by the wheel-on-rail or center bearing structures are generally nonlinear. Fourier expansion is made for the oblique error and parameters describing the inclination direction along the azimuth axis based on the linear calibration model, and a new calibration model for pointing is derived. The new pointing model is applied to the 40 m radio telescope administered by Yunnan Observatories, which is a telescope that uses a turntable. The results show that this model can significantly reduce the residual systematic errors due to nonlinearity in the azimuth axis compared with the linear model.     

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.     

平均风作用对天马望远镜面形精度和指指向精度的影响

天马望远镜的最高工作频段为43 GHz。为保证高质量的观测结果,需要研究风载荷对天线精度的影响。首先对观测站实测的风速风向数据做了统计分析,结果显示:10 m高度处10min时距平均风速小于4 m·s^-1的占比超过80%,主导风向为北-西北方向。然后,通过将倾斜仪实测结果与有限元模拟结果进行对比,验证了模拟的有效性,并进一步分析了在不同迎风姿态、不同风速下天线结构的平均风荷载响应,以及天线面形精度和指向精度的变化。结果表明,平均风荷载对天线指向精度,尤其是俯仰角指向精度的影响较大,对面形精度的影响较小;在弹性范围内,天线面形精度和指向精度与风速间均为二次关系。研究结果可为天线面形精度和指向精度的评估提供参考。     

Analysis and Correction of the Influence of Track Irregularity on the Antenna Pointing

According to the influence mechanism of the antenna track irregularity on the telescope pointing accuracy, the distribution of the track errors and their influence on the pointing of the Urumqi Nanshan 26 m telescope are reanalyzed after the antenna track was reformed by using the whole-body welding technology, and hereby the pointing error model is correspondingly revised. By using the moving least-squares method, the measured height errors of the antenna track plane are fitted with a closed curve, and the tilt of the antenna azimuth axis caused by the track irregularity can be determined accordingly. Comparing it with the measured deviation of the antenna azimuth axis caused by the deformation of antenna pedestal, it can be found that both deviations are strongly correlated. A new pointing error model is established in view of the gravity deformation of antenna pedestal, which includes the north-south and east-west components, as well as the antenna track irregularity. Finally, by scanning a known calibration radio source at different positions in the sky, the measured pointing errors are fitted with the new pointing error model. The result shows that the sinusoidal component of the model error can be well constrained by the new pointing correction model, indicating that the new model can reflect very well the antenna pointing error, and can amend it to a certain extend.     

Modeling and calibration of pointing errors with alt-az telescope

This paper presents a new model for improving the pointing accuracy of a telescope. The Denavit–Hartenberg (D–H) convention was used to perform an error analysis of the telescope's kinematics. A kinematic model was used to relate pointing errors to mechanical errors and the parameters of the kinematic model were estimated with a statistical model fit using data from two large astronomical telescopes. The model illustrates the geometric errors caused by imprecision in manufacturing and assembly processes and their effects on the pointing accuracy of the telescope. A kinematic model relates pointing error to axis position when certain geometric errors are assumed to be present in a telescope. In the parameter estimation portion, the semi-parametric regression model was introduced to compensate for remaining nonlinear errors. The experimental results indicate that the proposed semi-parametric regression model eliminates both geometric and nonlinear errors, and that the telescope's pointing accuracy significantly improves after this calibration.