基于角度传感器的大口径射电望远镜面板实时位置计算方法

随着射电望远镜口径的扩大和工作频率的提升,望远镜结构更加复杂,望远镜效率与指向对结构变形也越来越敏感,采用传统的补偿方法已无法满足望远镜电性能的要求,因此有必要对望远镜主反射面进行主动调整来补偿电性能.但是现有的主动面调整技术并不能很好地满足实时性这一重要指标.为此,本文提出一种基于角度传感器的大口径射电望远镜面板面形实时计算方法,利用角度传感器的读数,快速实时地计算出面板的实际位置,为后续面板主动调整量的计算奠定基础,使电性能达到最优.     

羊八井3m中德亚毫米波望远镜天线结构及其安装调整

天线结构特性是衡量一个射电望远镜观测能力和观测效率的重要指标。文章对羊八井3m中德亚毫米波望远镜的天线结构、背架、天线面板的材料、组成方式等方面进行了分析,并对天线面板安装和面型精调作了介绍。     

大型射电望远镜天线主动面补偿研究进展

随着射电望远镜全可动天线的口径扩大与频段提升,天线在观测时的高电性能难以保障,必须采用机械补偿与电子补偿等手段.为确保天线的指向精度与作用距离,有必要对天线赋形反射面的空间位置与几何形状进行调整,即主动面调整,这是补偿天线电性能最有效的手段.为此,本文阐述了国内外有关主动面补偿的应用情况,总结了大型天线主动面补偿的基本原理及适用范围,详细分析了面形调整量计算、主面分块设计、促动器设计、主动面控制系统及面形检测五项关键技术,并对世界上已采用主动主反射面调整的四部大天线进行了对比讨论,最后给出了主动面补偿技术在未来大型射电望远镜天线上的研究方向.     

TM65m射电望远镜副面随动模型及性能评估

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,本文建立了副面位姿随俯仰角变化的模型,测试结果表明副面随动模型可以有效改善65 m望远镜在高低仰角上的效率,分别达到20%和15%,使得在整个俯仰角范围内,X波段的接收效率均到达60%以上;副面随动模型导致的指向偏差与grasp仿真结论符合良好.     

射电天文台址区域化干扰电平阈值量化及其应用

为高效分析与评估台址周边辐射源对天文观测的影响,本文提出一种台址区域化干扰电平阈值量化方法.建立台址地形模型并进行网格划分,采用高效网格检索算法实现台址区域任意位置(网格)至望远镜的相对地形数据提取.在此基础上,选取适应于台址地形特征的电波传播算法,计算台址区域任意位置至望远镜的电波传播损耗,依据望远镜馈源口面干扰电平限值及旁瓣增益,实现台址区域干扰电平阈值量化,并应用于QTT台址,为射电望远镜电磁兼容性设计、台址无线电管理、干扰缓解策略提供重要技术支撑.     

基于双波束的天马望远镜主反射面面形快速测量

天马望远镜的主反射面受重力、热等因素的影响会发生大尺度形变.主动反射面是补偿大尺度形变,保证望远镜电性能最有效的手段.对主反射面形变的快速测量是主动反射面高效率工作的核心问题.目前的测量耗时约为20 min,耗时较多.本文提出了一种基于双波束的相位恢复法,此方法基于双波束的天线方向图具有相似性和重叠性的特点,在保证测量信噪比的同时,通过减少扫描区域来缩短测量时间.与单波束测量相比,可将测量时间缩短1/2以上,提高了观测时间利用率.通过测量两个波束的一组部分聚焦和两组部分离焦天线方向图,再经过最小二乘数据处理得到大尺度形变.在天马望远镜对重力和热形变的实测表明,本方法可在8 min内测量得到不同情况下的主反射面面形,测量精度可达55μm.此方法有效地改善了望远镜波束,提高了望远镜效率,可应用于其他具有多波束接收系统的大型射电望远镜.     

基于简化促动器的QTT天线主动主反射体结构建模及分析方法

本文针对新疆110 m射电望远镜天线主动主反射体结构建模及调整分析技术进行了研究.首先,将简化促动器引入QTT天线结构模型中,建立了包含简化促动器的主动主反射体结构模型;其次,在外载荷作用下,由主动主反射体结构模型可以得到变形天线的促动器指向;再次,基于促动器刚性构件假设,将主动调整分析进一步简化为面板支撑点沿促动器指向调整指定位移的有限元约束方程;最后,针对QTT天线模型对本文方法进行案例仿真,所提方法计算结果与ANSYS仿真结果的差异量约为10^-9mm,表明所提方法的有效性.该方法可为大型射电望远镜天线主动调整的精确分析提供参考.     

全可动射电天文望远镜的电磁干扰特征研究

全可动射电望远镜是一个包含主动面促动器机构、天线高功率驱动分系统、高灵敏接收终端、数据传输及控制分系统在内的复杂系统.系统内强弱电分系统的工作电平差异悬殊,内部不但存在相互的电磁干扰,同时系统工作时所产生的电磁发射信号及场站环境的各类电磁信号,都会对需要接收的微弱射电信号产生干扰,致使射电望远镜的电磁兼容性已成为研制及使用的关键技术.本文综述了国内外射电天文望远镜电磁兼容技术的研究进展,并从系统工程角度,对射电望远镜系统的电磁干扰特征进行了研究,确定了关键的控制要素,建立了干扰耦合矩阵,提出了基于电磁拓扑理论的射电望远镜系统电磁兼容的建模方法,为研究射电天文望远镜的电磁兼容技术奠定了基础.     

中国大型射电望远镜在引力波探测方面的潜在突破

中国已经建设、正在建设和将要建设成更多的射电望远镜,本文着眼于讨论这些望远镜在引力波直接探测方面的潜在突破.其中,基于最新的脉冲星噪声参数和望远镜设计指标,计算了使用不同射电望远镜以及他们的组合开展脉冲星测时观测的技术能力,在此基础上进一步计算并讨论了利用这些望远镜开展脉冲星测时阵列的可能性及其引力波探测的能力预期.研究发现,大型望远镜如贵州500m口径球面射电望远镜和计划中的新疆奇台110m全可动望远镜的配合将大幅度提高现有国际脉冲星阵列测时能力,建成这些望远镜之后,极有可能在短期内获得重大突破.     

用于地月空间VLBI的望远镜信号合成增强技术

在我国探月工程四期中,将利用地面望远镜和月球轨道射电望远镜共同组成的超长基线,开展X频段空间VLBI试验.由于地月基线长达400000 km, UV覆盖不均匀,不适合开展常规的VLBI成图观测,相关科学研究应充分利用地月基线高角分辨率的特点并充分考虑其基线灵敏度.该试验中的空间望远镜口径仅为4.2 m,相应的中国VLBI网所属X频段射电望远镜均为25–65 m的中等口径,且地月基线长度远超过地球直径.为尽可能提高地月基线灵敏度,本文提出利用国内多面中等口径地基VLBI望远镜参与地月基线观测,通过对相关处理机输出的各条地月基线VLBI互功率谱进行综合,将各个中等口径VLBI望远镜信号进行合成,达到一个100 m级的地基大口径望远镜与月球轨道小口径望远镜进行VLBI干涉的效果.本方法基本思路为,基于软件相关处理机的输出结果,通过对齐各基线的相位,补偿基线时延,对各条地月基线的互功率谱进行相干合成,从而达到提升信噪比的目的.基于此方法,我们利用火星探测器"天问一号"实测数据进行信号合成VLBI试验.结果表明,通过进行基线的互功率谱合成,可以使基线信噪比有明显提升.此方法也可应用于未来其他有类似需求的空间VLBI数据处理.     

新疆110m射电望远镜(QTT)天线高精度面板结构研制挑战

研制满足单面板精度为0.07mm(RMS)的高精度面板,是制造高精度新疆110m射电望远镜(QiTai Radio Telescope,QTT)天线的关键技术之一.QTT基于主动保形技术,为满足天线结构与性能优化需求,在保证面板精度同时面板数量需要控制.天线面板越大面型精度提升越困难,制造高精度大面板将面临严峻挑战.基于蜂窝夹层结构、蒙皮筋条结构,采用改进负压成型工艺,进行了高精度面板成型试验研究,试验结果表明面积小于1.5 m~2面板精度能满足需求,就目前国内工艺水平来看已无法研制更大面积单面板(如5 m~2).为了满足QTT需求,对组合面板结构进行了初探.仿真了采用传统以及过渡子桁架,基于刚性和等柔性支撑两种方式以及采用传统拼接组合面板形式.结果表明采用过渡子桁架方式面板精度、数量能够满足需求,但复杂子桁架结构研制成本高,且造成组合面板重量增加,会导致天线结构设计复杂影响天线性能;传统拼接组合面板结构虽然满足精度需求但其面板数量没有控制在理想范围内.展望了未来提高面板精度需要进一步开展的工作.     

基于数据驱动的FAST主动反射面调节优化模型

针对500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope, FAST)的主动反射面调节问题,利用旋转抛物面在三维空间中的定义建立了一个对任意天体角度均适用的工作抛物面方程,该方法不同于以往的坐标旋转的方法。利用反射面板重心点作为反射点,将反射接收比定义为能把光线反射到馈源舱被其接收的面板数量与300 m口径工作抛物面下总面板数量的比值。结合主索节点径向伸缩距离、边界平稳过度和邻接距离变化幅度三个约束条件,以接收比最大化作为目标函数,建立了一个工作抛物面优化模型,并利用节点数据和模拟退火算法对其进行求解,得到了工作理想抛物面。选用两组天体角度进行实例分析,结果显示调节后的接收比增大12.82%,并给出了工作主索节点的部分径向调节方案。本研究为FAST对于任意天体角度的变形提供了一种新的建模方法,也对馈源舱反射接收比提出了一种新的计算方式。     

天马望远镜在嫦娥三号测定轨VLBI观测中的应用分析

天马望远镜(上海65 m射电望远镜)于2012年10月完成了第一阶段建设并具备了S/X,L,C波频段的VLBI观测能力.2013年12月全程参加了嫦娥三号着陆器和月球车X频段的VLBI测定轨测定位任务.在嫦娥三号中,利用天马望远镜代替上海佘山25 m射电望远镜,使中国VLBI观测网的灵敏度提高至1.67倍.同时,利用2比特采样代替嫦娥二号的1比特采样,使灵敏度提高至1.38倍.上述两项措施使定轨后的ΔDOR型VLBI时延残差由嫦娥二号时的1.77 ns降至嫦娥三号时的0.67 ns,着陆器和月球车同波束VLBI差分相时延随机误差降至0.011 ps rms.本文在介绍天马望远镜及其X频段致冷接收和数据采集系统的基础上,对其在嫦娥三号测定轨VLBI观测中的应用进行分析.     

天马观空,探测宇宙的“神兵利器”

<正>天马望远镜荣获2018年度上海市科技进步特等奖,项目第一完成人沈志强接受了采访,并向我们介绍了天马望远镜的项目背景、技术内容以及应用情况。S=沈志强H=华东科技大型射电望远镜是深空探测器导航和天文学研究等领域的关键基础设施,代表了一个国家的综合创新能力。我国先后建设了口径为25米至50米的4面射电望远镜,它们与上海VLBI(甚长基线干涉测量)中心一起圆满完成了嫦娥一号精     

倾斜仪在提高TM65 m射电望远镜指向精度上的应用

本文主要论述了上海天文台天马65 m射电望远镜(以下简称为TM65 m)如何利用倾斜仪来提高其指向精度.首先对倾斜仪的型号特点及其安装作了介绍,然后通过扫描射电源法比较了白天和夜晚指向差异的情况,通过与倾斜仪测量数据的比较分析了这一差异主要是温度梯度引起望远镜座架变形导致的,并利用倾斜仪的数据对其进行了有效的补偿.另外本文还介绍了用倾斜仪对TM65 m轨道不平度进行测量,根据望远镜自身特点,得到了"不同俯仰上的轨道不平度",比较了指向模型在分离轨道不平度前后的拟合精度,讨论了轨道模型分离后对指向模型精度提升的有效性.     

基于有限状态机的电机霍尔传感器故障诊断与补偿策略

针对在复杂工况下运行的永磁无刷电机霍尔位置传感器故障,提出了基于有限状态机的故障诊断方法.该方法可准确区分正常霍尔信号、故障霍尔信号以及反向霍尔信号,并将有限状态机与设计的超螺旋转速观测器相结合,实现了对发生在任意扇区内霍尔位置传感器故障的实时检测.在此基础上,设计了霍尔信号补偿控制器,利用正常霍尔传感器与转速观测器的估计转速生成补偿霍尔信号,使电机能在单个或2个霍尔位置传感器故障时,仍能保持稳定运行,并减小了故障引起的性能波动.最后,利用永磁无刷电机实验平台对所提控制策略进行了验证.实验结果表明,所提故障诊断方法能及时检测出霍尔传感器故障,后续的补偿控制策略也能保证故障后电机的平稳运行.     

基于改进遗传算法的射电望远镜主动面布线优化

为了提高射电望远镜主动面系统促动器的工作可靠性,进而提高主动面的实时调整性,利用改进的遗传算法对上海65 m射电望远镜的主动面布线问题进行优化。取主动面的1个15°分区为研究对象,以促动器可靠性、布线分组数和布线总长为目标,在传统遗传算法的基础上,引入分组优化的方法,并设计基于组内最优个体的多种新的变异方式。研究结果表明:该算法可用于射电望远镜主动面的布线优化,提高了促动器的可靠性,且算法收敛速度和稳定性均优于传统遗传算法。     

误差分离技术中传感器安装角误差补偿的研究

用三传感器误差分离技术测量形状误差时,对传感器间的安装角度要求很严。本文对安装角误差进行补偿的计算方法,可大大降低对传感器间安装角的精确性要求,并可通过计算机确定修正补偿系数,从而提高了测量精度。     

α射线露点传感器非线性修正

介绍了采用半导体探测器和温度传感器研制成的α射线露点传感器的工作原理.分析了α射线露点传感器的温度特性,表明测量范围较宽时,传感器的输出易受环境温度的影响,并且成非线性.提出一种基于神经网络高精度线性化子块网络集成插值实现露点传感温度补偿方法.利用神经网络共轭梯度算法具有逼近任意非线性函数的特点,通过训练使神经网络建立在不同环境温度下传感器输出与其实际感受的电压值之间的非线性映射关系,实现α射线露点传感器温度补偿.实验结果表明,该方法不仅能有效地消除温度的影响,而且能在神经网络的输出端得到期望的线性输出.     

利用默奇森大视场阵列旁瓣探寻北天脉冲星

探索新的方法对发现和观测脉冲星具有重要意义.本文利用澳大利亚的默奇森大视场阵列望远镜MWA(Murchison Wide-field Array)中心频率185 MHz的观测数据进行脉冲星搜寻,探测到了两颗高纬度北天脉冲星,经分析认定为J0332+5434和J2219+4754.它们位于MWA主波束视场以外赤纬30°以北,而落在MWA非相干波束的北天旁瓣.虽然射电望远镜旁瓣的灵敏度远低于主瓣,但大多数脉冲星的低频流量更高,因而仍然可以利用低频望远镜旁瓣对它们进行搜寻与观测.本文将对低频脉冲星的搜索流程和结果进行阐述,并讨论利用MWA射电望远镜旁瓣进一步搜寻和观测北天脉冲星的可能性.通过对已知射电脉冲星的统计和MWA探测灵敏度的模拟,预计有30颗已知北天脉冲星可以在MWA旁瓣中被探测到.此工作是未来使用SKA低频阵列搜寻北天脉冲星的有益探索.