一種快速測量射電望遠鏡反射面精度的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種快速測量射電望遠鏡反射面精度的方法，可有效解決大口徑射電望遠鏡反射面精度測量中測量時間長、測量精度低、固定俯仰測量、需額外硬件設備輔助等問題。本發(fā)明是一種特殊的相位恢復微波全息法，只需測量天線孔徑場幅度，而對其相位采用一定的方法進行恢復。本發(fā)明可采用任意穩(wěn)定的射電天文源作為其信號源，利用天文接收機和終端（功率輻射計），對天線聚焦和離焦下的波束圖進行掃描；利用澤尼克多項式函數(shù)建立天線孔徑相位模型，通過最小化算法對模型值和實測值的殘差進行迭代運算，便可獲取殘差矢量最小的最優(yōu)解，以得到澤尼克多項式系數(shù)，并反推獲得天線的孔徑相位分布，即可獲得射電望遠鏡的反射面精度。
【專利說明】 一種快速測量射電望遠鏡反射面精度的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種快速測量射電望遠鏡反射面精度的方法。
【背景技術】
[0002]射電天文望遠鏡的反射面精度是影響其性能的重要指標，它不但影響了射電望遠鏡的觀測效率，還決定了射電望遠鏡可工作的最短波長。為了便于加工制造和安裝，大口徑射電望遠鏡的反射面(一般指主反射面)通常由多塊單面板拼接而成，施工時可采用電子水平儀安裝、攝影測量法初調和微波全息法精調等一系列技術手段，從而使射電望遠鏡的反射面在一定俯仰角度下的面形精度達到設計指標。但在工作時，由于射電望遠鏡直徑達數(shù)十上百米，重達數(shù)百上千噸，當其工作在不同姿態(tài)時，受重力、溫度以及風載等因素的影響頗大，射電望遠鏡反射面組成的實際曲面與理想曲面之間的誤差也會隨之增大，這將直接導致射電望遠鏡增益降低，影響射電望遠鏡在高頻段的觀測效率，而且還會影響射電望遠鏡方向圖的主瓣寬度和旁瓣結構。
[0003]因此，為了解決該問題，20世紀90年代Orfei等人提出了主動面技術。主動面技術的原理是:在射電望遠鏡反射面和支撐桁架之間安裝可調節(jié)的位移促動器，當射電望遠鏡由于重力、溫度和風載等外界因素引起旋轉拋物面形變時，控制系統(tǒng)將根據(jù)補償算法驅動促動器調整面板，從而將變形的反射面恢復到設計曲面，最終保證射電望遠鏡的設計效率，這也是目前大口徑射電望遠鏡實現(xiàn)高頻觀測的有效方法。
[0004]目前常規(guī)的主動面控制系統(tǒng)均采用安裝時的面板位置作為零點，利用有限元模型(Finite Element Model,以下簡稱FEM)事先根據(jù)射電望遠鏡的結構、材料等參數(shù)進行建模，并根據(jù)俯仰角不同建立一系列節(jié)點變形補償表，觀測時，控制計算機根據(jù)角度編碼器獲得的射電望遠鏡反射面的俯仰角信息在FEM表中進行查找，獲得相應的補償值后將位置信息發(fā)送給控制器，并驅動促動器移動至相應的位置。
[0005]然而，雖然采用FEM對射電望遠鏡進行了建模，但實際射電望遠鏡框架改變、配重、安裝誤差、內應力、材料不均勻性、因重力分量不同促動器剛度產(chǎn)生的零點偏差等因素很難用FEM進行描述，加之復雜的天氣環(huán)境，如太陽的不均勻照射、陣風、雨雪天氣等不確定因素的影響，進一步增大了該模型的誤差。例如，據(jù)美國國立射電天文臺在綠岸射電望遠鏡上測算，在俯仰15度時其FEM的均方根誤差高達880微米，據(jù)此推算其在7毫米波段的觀測效率僅能達到7%左右，由此可見，根本無法滿足射電望遠鏡的基本觀測要求。
[0006]為此，需要采用閉環(huán)反饋的控制方法以滿足主動面控制系統(tǒng)的需要，這就需要對射電望遠鏡面形進行精確測量，以實時向主動面控制系統(tǒng)反饋測量數(shù)據(jù)。然而，現(xiàn)有的射電望遠鏡面形(即測量反射面精度)常用的方法如經(jīng)緯儀測量法、電子水平儀測量法、攝影測量法、相位干涉全息法等，然而，這些方法的測量時間一般需數(shù)小時，且測量操作復雜，一般只能在特定的姿態(tài)下進行測量，因此，不能滿足射電望遠鏡在運行過程中的實時測量反饋所需的快速、精準、任意姿態(tài)下測量的需求。
[0007]例如，現(xiàn)有技術中提出了一種《采用全息法測量天線面精度的方法》(專利申請?zhí)枮?201110130024.5)，以在天線初裝時對天線面板安裝位置進行精確調整。然而，該方法采用的是相位干涉全息法，因此需要同時記錄信號源的幅度和相位值，而為了提供相位參考則需要在被測天線周圍架設一架小型參考天線進行輔助測量，還需要采用對衛(wèi)星信號源進行觀測的接收機系統(tǒng)，以及兩路信號進行相關的相關器等，所以，這種現(xiàn)有的方法存在以下缺點:
[0008]1、參考天線的增益較低，需要長時間積分，且為了對相位進行校準，需要在掃描的過程中周期性指向信號源來獲得相位參考，從而降低了天線的掃描效率，造成測量時間長的問題；
[0009]2、由于直接測量天線孔徑場相位分布需要提供獲得基準相位的參考天線和相關機，從而大大增加了系統(tǒng)的復雜性和硬件成本；
[0010]3、由于參考天線增益太低，因此只能采用地球同步衛(wèi)星作為其信號源，而在這種情況下天線俯仰角為固定值，無法實現(xiàn)任意俯仰角下的測量。

【發(fā)明內容】

[0011]為了解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明旨在提供一種快速測量射電望遠鏡反射面精度的方法，以對射電天文望遠鏡反射面精度進行快速測量，滿足主動面系統(tǒng)對射電望遠鏡面形精度實時檢測反饋的要求。
[0012]本發(fā)明所述的一種快速測量射電望遠鏡反射面精度的方法，其包括以下步驟:
[0013]步驟SI，在射電望遠鏡的聚焦狀態(tài)下觀測一次數(shù)據(jù)，并在離焦狀態(tài)下觀測兩次數(shù)據(jù)，每次觀測數(shù)據(jù)包括:利用射電天文源作為信號源，使射電望遠鏡圍繞該信號源進行網(wǎng)格式掃描，并記錄射電望遠鏡方位和俯仰數(shù)據(jù)，同時采用天文接收機接收掃描到的射電信號，并由天文終端功率輻射計記錄射電信號的幅度數(shù)據(jù)作為射電望遠鏡的遠場幅度，其中，射電望遠鏡為卡塞格林式射電望遠鏡；
[0014]步驟S2，對所述步驟SI中獲得的射電望遠鏡的方位數(shù)據(jù)、俯仰數(shù)據(jù)，以及射電信號的幅度數(shù)據(jù)進行校準以及網(wǎng)格化和歸一化處理，并分別獲取射電望遠鏡在聚焦和離焦狀態(tài)下的實測波束圖；
[0015]步驟S3，分別利用澤尼克多項式函數(shù)和高斯函數(shù)創(chuàng)建用于描述射電望遠鏡孔徑場相位的參數(shù)化模型(I)和射電望遠鏡孔徑場幅度的參數(shù)化模型(2):
【權利要求】
1.一種快速測量射電望遠鏡反射面精度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 步驟SI，在射電望遠鏡的聚焦狀態(tài)下觀測一次數(shù)據(jù)，并在離焦狀態(tài)下觀測兩次數(shù)據(jù)，每次觀測數(shù)據(jù)包括:利用射電天文源作為信號源，使射電望遠鏡圍繞該信號源進行網(wǎng)格式掃描，并記錄射電望遠鏡方位數(shù)據(jù)和俯仰數(shù)據(jù)，同時采用天文接收機接收掃描到的射電信號，并由天文終端功率輻射計記錄射電信號的幅度數(shù)據(jù)作為射電望遠鏡的遠場幅度，其中，射電望遠鏡為卡塞格林式射電望遠鏡； 步驟S2，對所述步驟SI中獲得的射電望遠鏡的方位數(shù)據(jù)、俯仰數(shù)據(jù)，以及射電信號的幅度數(shù)據(jù)進行校準以及網(wǎng)格化和歸一化處理，并分別獲取射電望遠鏡在聚焦和離焦狀態(tài)下的實測波束圖； 步驟S3，分別利用澤尼克多項式函數(shù)和高斯函數(shù)創(chuàng)建用于描述射電望遠鏡孔徑場相位的參數(shù)化模型(I)和射電望遠鏡孔徑場幅度的參數(shù)化模型(2):
2.根據(jù)權利要求1所述的快速測量射電望遠鏡反射面精度的方法，其特征在于，所述步驟SI中，射電望遠鏡在離焦狀態(tài)下焦點的移動距離為±5λ，λ為觀測波長。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的快速測量射電望遠鏡反射面精度的方法，其特征在于，所述步驟S2包括消除溫漂對天文接收機的影響、消除天空背景對上述觀測數(shù)據(jù)的影響，以及消除指向誤差對射電望遠鏡掃描軌道的影響。
【文檔編號】G01R35/00GK103926548SQ201410159400
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權日:2014年4月18日
【發(fā)明者】裴鑫, 陳卯蒸, 劉志勇, 馬軍, 王娜 申請人:中國科學院新疆天文臺