基于反射面板间角度反馈的主动面补偿技术研究

鉴于大型射电望远镜对主动面补偿技术的需求,本文提出了一种新的主动面补偿方法,该方法是建立在已完成面型标定的射电望远镜基础上.在此方法中,任意相邻的两块反射面板的背面都安装有一个角度传感器;当望远镜的反射面完成定标时,此时所有角度传感器被设置成零位;当望远镜正常运行时,角度传感器监测相邻面板间的角度变化量;促动器根据角度传感器的反馈信号完成面型的补偿.文中,首先介绍本文的补偿方法,然后根据此方法完成数学模型的建立,最后以新疆奇台110 m射电望远镜(QTT)为例说明本文方法所能达到的精度.本文方法的优势是补偿系统简单、响应速度快、可对任意时刻面型进行估计和补偿.     

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.     

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.     

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.     

65m射电望远镜副反射器调整系统的标校

65m射电望远镜是目前亚洲口径最大、精度最高的天线,重约2740t,最高工作频率为43GHz.为保证天线在不同工作姿态下都能获得最佳的观测效率,该望远镜在国内首次采用了副反射器调整系统,用以实时调整不同仰角下主、副面之间的位置关系.文章阐述了副反射器调整系统标校的内容、数学模型、测量方法以及最终结果,并对标校精度进行了分析.通过对副反射器调整系统的标校,为65m射电望远镜高精度工作打下了坚实的基础.     

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.     

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.     

65m射电望远镜副反射器调整系统的标校

65m射电望远镜是目前亚洲口径最大、精度最高的天线,重约2740t,最高工作频率为43GHz。为保证天线在不同工作姿态下都能获得最佳的观测效率,该望远镜在国内首次采用了副反射器调整系统,用以实时调整不同仰角下主、副面之间的位置关系。文章阐述了副反射器调整系统标校的内容、数学模型、测量方法以及最终结果,并对标校精度进行了分析。通过对副反射器调整系统的标校,为65m射电望远镜高精度工作打下了坚实的基础。     

FAST的进展——科学、技术与设备

随着射电天文学的发展,高灵敏度的大口径射电望远镜成为射电观测的重要设备.我国正在建设中的500 m口径球面射电望远镜(FAST)将成为世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜,它有望在中性氢巡视、脉冲星搜索、国际VLBI网联测及地外生命搜寻等重要前沿领域取得突破.本文介绍了FAST工程概念的提出及望远镜概况,列出了FAST的主要科学目标及早期科学准备,重点叙述了FAST工程在科学、技术与设备方面的最新进展,并对FAST工程的发展做出了展望.     

大口径天线非线性特性动态补偿方法研究

非线性特性广泛存在于伺服传动系统的各个环节,对高精度大口径射电望远镜指向与跟踪精度的影响不可忽略.本文针对天线常见的非线性特性展开讨论,分析此类特性对系统造成的负面影响,之后,讨论了常见的非线性补偿方法的优劣.新疆110 m口径全可动射电望远镜(QiTai Radio Telescope, QTT)天线,指向精度要求高,其对设备稳定性、可靠性有着极高要求.本文提出采用非线性动态补偿方法来抑制天线伺服传动系统中的非线性特性,从而降低或消除跟踪、指向动作时的滞后和误差,提高系统稳定性,优化大口径天线的运动性能.非线性动态补偿方法结构简单,鲁棒性强,具有较高的适用性.本文通过计算机仿真与半实物实验结合的方式,模拟大口径天线常见的饱和非线性工况,并以QTT天线作为被控对象验证了该方法的实际补偿效果.最后,讨论了非线性动态补偿法的进一步改进方向.     

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。     

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。     

FAST背架样机刚度实验分析

五百米口径球面射电望远镜(Five hundred meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)将会成为世界上最大的单口径射电望远镜.FAST有三个创新性的工程概念,其中之一就是提出了主动反射面的概念.背架结构是反射面单元中连接主索网和面板的支撑结构.三种方案的背架结构样机已经设计和制造出来:单层弦支结构、单层网架结构和空间三角锥网架结构.三种样机的刚度实验,分别进行了不同背架结构在相同外力荷载下的实验位移变形比较,背架结构在外力荷载下位移变形的实验值和仿真值比较,以及在不同温度荷载下位移变形的比较.实验得到了背架样机的刚度特性,验证了仿真的设计和优化,也对FAST 背架原型设计提供了参考.     

基于对称性时域近场物理光学法的大口径抛物面电磁散射特性分析

射电望远镜具有极高的灵敏性,干扰信号经由大口径抛物面结构反射后会对观测系统产生较大影响,其电磁兼容分析是一个不容忽视的研究问题.针对大口径抛物面近场耦合分析面临的电大尺寸问题,本文提出了一种基于空间对称性的时域近场物理光学法,解决了大口径抛物面近场电磁散射计算问题.阐述了物理光学近似法建立抛物面近场电磁散射模型的原理,利用局部格林函数近似法简化了计算过程,采用高斯数值积分方法进行面元积分,得到了焦点处近场散射场强.在此基础上,结合抛物面结构和应用场景,提出了基于空间对称性的高效计算方法.最后基于矩形金属板和小口径抛物面模型验证了算法的准确性和高效性,并对25 m大口径抛物面天线近场散射特性进行了计算分析.本文提出的基于对称性时域近场物理光学法为大型射电望远镜近场耦合分析提供了一种技术途径.     

EPICS应用于FAST主反射面控制系统的研究

500米口径射电望远镜FAST主动反射面的控制是望远镜工程建设的重要部分,本文在介绍了实验物理与工业控制系统（EPICS）架构的相关技术后,提出将EPICS架构应用到FAST主动反射面控制系统中的设计思想和控制方案。并针对FAST密云30米模型主动反射面控制,进行了基于EPICS架构的系统开发,详细介绍了软硬件的设计结构和内容,为FAST原型主反射面控制以及其他系统的控制提供了基于EPICS架构的参考依据。     

FAST反射面测量样机中反射镜对摄影测量算法的影响分析

FAST(500 m口径球面射电望远镜)是中国在贵州依托当地特有的卡斯特地貌建造的球面射电望远镜,建成后它将成为全世界最大的射电望远镜。其反射面结构由锁网张拉而成,在其500 m口径的反射面内共有约2 200个锁网节点,节点的准确测量是保证望远镜运行精度的重要因素。反射面测量样机采用的是高精度摄影测量相机与精密转台结合的方式,通过旋转转台上的反射镜对反射面内不同位置的目标点进行对准、测量。在常见的摄影测量算法基础上,研究了反射镜的反射对于摄影测量算法的影响;并给出了理想情况下与存在安装误差的情况下两旋转轴在旋转不同角度时反射镜的反射作用在摄影测量算法中的等效转换矩阵。     

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.     

基于等效风场试验的QTT台址风场分布调控技术方案初探

针对高频段大口径全向可动射电望远镜QTT对电性能的高要求,必须降低风扰动对天线的影响.本文分析了QTT台址地形地貌以及风场分布的特点,提出了一种主动降低天线所在区域风速的QTT台址风场分布调控技术方案,进一步搭建了用于QTT台址风场分布调控微缩模型的等效风场试验,通过试验数据分析,确定了QTT风场分布调控技术方案的可行性,并初步给出了经风场调控后,风速显著降低的区域范围以及风速降低的幅度,为QTT台址风场分布的调控提供了技术依据,从而可大大增加射电望远镜的有效观测时间.     

铝合金结构轴心压杆稳定性研究

以500m口径射电望远镜主动反射面支撑结构体系的研究为依托,在试验研究的基础上,分析研究铝合金轴心压杆的工作性能,同时综合分析了国内外有关规范及研究文献关于铝合金轴心压杆稳定性的计算方法,提出了一组新的更新近试验结果的计算公式,这组分工不仅具有工程实用价值,而且对国内铝合金结构工程的应用开发、规范的制订与实施,也具有重要的参考价值。     

FAST主反射面节点运动控制算法

500 m口径球面射电望远镜FAST的创新技术之一是主动反射面.2 300个控制反射面运动的控制器在收到上位机发送的观测指令后,通过规划算法计算节点的目标长度,驱动电机运动.电机带动促动器丝杠伸缩,使得在照明口径内反射面由球面变成抛物面,实现反射面整网控制.对节点运动速率算法进行了优化,优化目标为在满足控制精度的前提下,选取适当的控制周期,使得电机的启停次数最少,减小电机磨损.为FAST主反射面控制选择何种电机提供参考.