CN104409825B - 一种射电望远镜接收机馈源的对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射电望远镜接收机馈源的对焦方法，该方法结合天线测量软件的观测结果，利用天线电指标来观察和判断馈源的最佳焦点位置。首先，将接收机馈源升至射电望远镜副反射面焦点的大致位置，沿深向Z轴调整至射电望远镜天线效率最高点，固定Z轴坐标；再使用精确的接收机背架调整系统，将接收机馈源分别沿横向X轴及纵向Y轴调整至射电望远镜天线效率最高点，固定X轴及Y轴坐标，进而完成三维的对焦过程。实际观测中，可能会碰到调整机构或者天线局部面板形变导致的实际焦点的位置变化，使得天线效率下降，依然可以通过上述步骤重新对焦。该方法精度高，稳定性好，实现简单，具有通用性，对匹配精度要求高的短厘米波段甚至更高频接收机的对焦尤为重要。

Description

一种射电望远镜接收机馈源的对焦方法

技术领域

本发明涉及一种将射电望远镜中接收机馈源的相位中心与副反射面焦点尽可能接近的对焦方法，专门用于射电望远镜接收机馈源的对焦。

背景技术

射电天文学是通过观测天体的无线电波来研究天文现象的一门学科。射电天文学以无线电接收技术为观测手段，观测的对象遍及所有天体。对于历史悠久的天文学而言，射电天文使用的是一种崭新的手段，为天文学开拓了新的园地。

接收机是射电天文中接收天体辐射过来无线电波的主要设备。无线电信号经过射电望远镜的主、副反射面的反射，最后聚焦于指定的馈源而被接收机收集、放大后记录下来，供科学家做进一步的分析研究。

接收机在观测时要求其馈源的相位中心尽可能与射电望远镜反射面焦点重合，使反射面反射的电波同相汇聚。如果接收机馈源的相位中心偏离反射面焦点，射电望远镜的天线效率将会下降。而接收机馈源的相位中心与射电望远镜焦点的匹配精度应高于1 /20（观测信号的波长），如果接收机及其馈源的调整机构精度不高，会造成天线效率损失，从而降低接收机接收信号的质量。

对于有多个观测波段接收机的射电望远镜来说，观测不同波段的射电源，需要使用相对应波段的接收机，故而存在切换馈源的问题。切换馈源的方式有直线导轨换馈、旋转馈源换馈、副反射面偏转等多种形式。

中国科学院新疆天文台南山25米射电望远镜建成于1993年，为修正型卡塞格伦天线，馈源仓是一个夹角为13.18°的圆台形，内部共设有四台接收机，使用直线导轨换馈方式。观测时，将需要观测波段的接收机从收藏位置升至天线副面焦点位置处；当需要观测其它波段射电源时，将先前处于焦点位置的接收机降下至收藏位置，将现需要观测波段的接收机从收藏位置升至焦点位置。如论文《乌鲁木齐VLBI站前端系统》中所论述，当时南山25米射电望远镜的自动化换馈系统可以平稳的更换馈源，升馈时间不超过40分钟，降馈时间不超过20分钟。之后，随着观测任务的不断增加，换馈也越加频繁，对换馈效率的要求不断提高，加之换馈系统的器件老化和负载设备改变等因素，使得该系统运行不稳定，无法完成预定的目标。故此，我台对换馈系统进行了相应的升级改造，如论文《25m射电望远镜自动换馈系统模糊控制策略的软硬件实现》中所论述，基于计算机软硬件技术，在馈源仓这种相对封闭的环境下获得控制经验，采用模糊控制策略来实现对馈源的更换，开发出了具备良好人机操作界面的换馈系统。随后，由于对定位精度要求不断提升，我台继续升级换馈系统，如论文《基于模糊PID控制的激光定位自动换馈控制系统》中所论述，新的换馈系统采用激光测距仪和数字闭环控制，保证精确和快速定位，提高了换馈效率，并可以及时的反馈系统的有效信息，操作方便，有助于改善射电望远镜效率。

虽然中国科学院新疆天文台在近些年对25米射电望远镜的换馈系统做了多次升级改造，但在直线导轨换馈方式的前提下，一直存在馈源的相位中心偏离天线副反射面焦点的情况，在高频观测上表现尤其明显。现役的换馈系统只能将接收机馈源延深向Z轴升至焦点的大致位置，在横向X轴及纵向Y轴方向不能移动。由于只能将接收机馈源升至焦点的大致位置，原有的换馈系统对于波长较长的接收机对焦还可以适用，但对于波长较短的厘米甚至毫米波段的接收机馈源的精确对焦则不能满足。因此需要有一种更好接收机馈源的对焦方法。

经检索，论文《多馈源调整机构的设计方法》中所论述，其馈源调整机构由馈源旋转机构和馈源的直线位移机构组成。对于横向X轴，由于受天线的变形而引起的位置误差影响较小，考虑到机构的简化，只在加工装配时加以精密控制，保证其误差在允许范围之内并紧固，而不再进行电动的实时调整；在天线垂向Y轴，依靠馈源旋转进行调整；定位好Y轴坐标后，在天线轴向Z轴，再进行直线位移到达天线焦点位置。

论文《大型射电望远镜多馈源切换机构的设计》中所述的是旋转换馈方式，文中介绍了通过馈源旋转方式来实现多组馈源相互切换并用锁定销来精确定位的设计，对整个机构的结构形式、功能进行了阐述，并对馈源的定位误差加以分析，该设计使每个馈源的相心均到达天线的第二焦点位置并锁定。

专利《一种天文望远镜自动对焦的方法》中所述的是光学天文望远镜系统观测图像目标时，根据图像的能量分布及评价函数，利用优化爬山法搜索评价函数的全局最大值，完成对焦的过程。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种射电望远镜接收机馈源的对焦方法，该方法涉及一种射电望远镜直线导轨换馈方式中接收机馈源精确对焦的方法。该方法结合天线测量软件的观测结果，利用天线电指标来观察和判断馈源的最佳焦点位置。首先，将接收机馈源升至射电望远镜副反射面焦点的大致位置，沿深向Z轴调整至射电望远镜天线效率最高点，固定Z轴坐标；再使用精确的接收机背架调整系统，将接收机馈源分别沿横向X轴及纵向Y轴调整至射电望远镜天线效率最高点，固定X轴及Y轴坐标，进而完成三维的对焦过程。实际观测中，可能会碰到调整机构或者天线局部面板形变导致的实际焦点的位置变化，使得天线效率下降，依然可以通过上述步骤重新对焦。该方法精度高，稳定性好，实现简单，具有通用性，对匹配精度要求高的短厘米波段甚至更高频接收机的对焦尤为重要。

本发明所述的一种射电望远镜接收机馈源的对焦方法，该方法涉及的装置是由馈源（1）、杜瓦（2）、调整背架（3）、原有换馈系统背板（4）、Z轴丝杠（5）、馈源仓（6）、馈源仓上沿（7）、馈源仓下沿（8）组成，馈源（1）的底部与杜瓦（2）顶端连接，杜瓦（2）的后端与调整背架（3）连接，调整背架（3）的后端与原有换馈系统背板（4）连接，原有换馈系统背板（4）的后端与Z轴丝杠（5）上的滑块连接，Z轴丝杠（5）的上下两端分别固定在馈源仓（6）的斜面处；调整背架（3）是由第一背板（9）、第二背板（10）、X轴步进电机（11）、Y轴步进电机（12）、X轴滚珠丝杠（13）、Y轴滚珠丝杠（14）、第一X轴导轨（15）、第二X轴导轨（16）、第一Y轴导轨（17）、第二Y轴导轨（18）、X轴减速器（19）、Y轴减速器（20）组成，第一背板（9）的正面与接收机的杜瓦（2）用螺丝连接固定，第一背板（9）的反面左右两侧分别与第一Y轴导轨（17）和第二Y轴导轨（18）上的滑块连接，第一背板（9）的中间部分与Y轴滚珠丝杠（14）的滑块连接；Y轴滚珠丝杠（14）经Y轴减速器（20）与Y轴步进电机（12）连接；第二背板（10）的正面左右两侧分别与第一Y轴导轨（17）和第二Y轴导轨（18）的底座固定，第二背板（10）的背面的上下两侧分别与第一X轴导轨（15）和第二X轴导轨（16）上滑块连接，第二背板（10）的中间部分与X轴滚珠丝杠（13）的滑块连接；X轴滚珠丝杠（13）经X轴减速器（19）与X轴步进电机（11）连接；第一X轴导轨（15）和第二X轴导轨（16）分别固定在原有换馈系统背板（4）上，具体操作按下列步骤进行：

a、使用25米射电望远镜原有换馈系统，将馈源（1）与杜瓦（2）从收藏位置沿Z轴丝杠（5）升至焦点位置，此时馈源（1）与杜瓦（2）靠近馈源仓上沿（7），馈源（1）与杜瓦（2）位于收藏位置时，馈源（1）与杜瓦（2）靠近馈源仓下沿（8）；

b、馈源（1）与杜瓦（2）位于焦点位置后，利用原有换馈系统控制馈源（1）与杜瓦（2）在Z轴丝杠（5）上滑动；利用射电望远镜天线测量软件做天线指向测量，找到天线效率最佳的深向Z轴方向坐标点并固定；

c、馈源（1）与杜瓦（2）沿Z轴方向调整完毕后，利用独立设计的调整背架（3），驱动调整背架（3）上X轴步进电机（11）及Y轴步进电机（12），控制馈源（1）与杜瓦（2）延X轴滚珠丝杠（13）及Y轴滚珠丝杠（14）方向滑动；利用天线测量软件做天线指向测量，分别找到接收机在水平及垂直方向上天线效率最佳的X轴、Y轴坐标点并固定，这时，接收机馈源的相位中心的三维坐标已经确定，该点就是该射电望远镜的实际焦点位置；

d、实际观测中，会碰到馈源的定位误差和天线实际焦点位置变化而引起的偏焦，依然通过步骤a、b、c进行重新对焦。

本发明所述方法与论文《多馈源调整机构的设计方法》中所述设计相比，本发明在X、Y、Z三个方向都能精确调整，而该论文所述的固定X轴而不做实时调整的方法，使其成为二维调整系统；另外，该论文所述的Y轴旋转调整方法，在改变Y轴坐标同时也细微改变了X轴坐标，与本发明单方向直线调整相比效率变低，尤其是在匹配精度要求高的短厘米波段甚至更高频接收机的对焦方面表现极其明显。

本发明所述方法与论文《大型射电望远镜多馈源切换机构的设计》中所述设计相比，本发明使用的直线导轨换馈方式，在馈源切换效率上确实比论文所述的旋转馈源换馈方式有所欠缺（由天线及馈源仓结构所决定），但该论文所述设计在精确对焦方面只是实现了馈源相心与天线焦点大致对焦，且在对焦后使用锁定销锁定；而本发明的调整背架，使用步进电机仅调整独立的接收机及馈源，不需要使用锁定销锁定位置，并且当天线由于重力俯仰变化引起面板变形后导致的实际焦点变化时，可以直接实时快速完成进一步精调。

本发明所述方法与专利《一种天文望远镜自动对焦的方法》中所述设计相比，本发明与其观测目标不同，该专利所述方法观测的是图像信号，而本发明的观测目标是射电信号；另外，由于两种观测望远镜结构不同，故而两种对焦方法的调整机构也不同。本发明的优点在于，实际观测中可能会碰到馈源的定位误差和天线实际焦点位置变化而引起的偏焦（主要是由于馈源调整及支撑机构的定位误差和馈源仓及天线面板刚度变形产生的误差），当天线效率降低时，天线测量软件会提示偏焦，可以通过背架调整系统实时调整重新对焦。

本发明所述方法精度高，稳定性好，实现简单，具有通用性，对匹配精度要求高的短厘米波段接收机对焦尤为重要。

附图说明：

图1为本发明流程图；

图2为本发明射电望远镜馈源仓及接收机馈源位于焦点位置正视图；

图3为本发明射电望远镜馈源仓及接收机馈源位于收藏位置正视图；

图4为本发明射电望远镜馈源仓及接收机馈源位于焦点位置左视图；

图5为本发明射电望远镜馈源仓及接收机馈源位于收藏位置左视图；

图6为本发明射电望远镜馈源仓及接收机馈源位于焦点位置俯视图；

图7为本发明射电望远镜馈源仓及接收机馈源位于收藏位置俯视图；

图8为本发明调整背架组成结构示意图。

具体实施方式

实施例

本发明所述的一种射电望远镜接收机馈源的对焦方法，该方法涉及的装置是由馈源1、杜瓦2、调整背架3、原有换馈系统背板4、Z轴丝杠5、馈源仓6、馈源仓上沿7、馈源仓下沿8组成，馈源1的底部与杜瓦2顶端连接，杜瓦2的后端与调整背架3连接，调整背架3的后端与原有换馈系统背板4连接，原有换馈系统背板4的后端与Z轴丝杠5上的滑块连接，Z轴丝杠5的上下两端分别固定在馈源仓6的斜面处；调整背架3是由第一背板9、第二背板10、X轴步进电机11、Y轴步进电机12、X轴滚珠丝杠13、Y轴滚珠丝杠14、第一X轴导轨15、第二X轴导轨16、第一Y轴导轨17、第二Y轴导轨18、X轴减速器19、Y轴减速器20组成，第一背板9的正面与接收机的杜瓦2用螺丝连接固定，第一背板9的反面左右两侧分别与第一Y轴导轨17和第二Y轴导轨18上的滑块连接，第一背板9的中间部分与Y轴滚珠丝杠14的滑块连接；Y轴滚珠丝杠14经Y轴减速器20与Y轴步进电机12连接；第二背板10的正面左右两侧分别与第一Y轴导轨17和第二Y轴导轨18的底座固定，第二背板10的背面的上下两侧分别与第一X轴导轨15和第二X轴导轨16上滑块连接，第二背板10的中间部分与X轴滚珠丝杠13的滑块连接；X轴滚珠丝杠13经X轴减速器19与X轴步进电机11连接；第一X轴导轨15和第二X轴导轨16分别固定在原有换馈系统背板4上（图8），具体操作按下列步骤进行：

a、首先使用天线控制软件发送指令使天线跟踪一个目标源，使用25米射电望远镜原有换馈系统，将馈源1与杜瓦2从收藏位置沿Z轴丝杠5升至焦点位置，此时馈源1与杜瓦2靠近馈源仓上沿7（图2），当馈源1与杜瓦2位于收藏位置时，馈源1与杜瓦2靠近馈源仓下沿8（图3）；

b、馈源1与杜瓦2位于焦点位置后，利用原有换馈系统控制馈源1与杜瓦2在Z轴丝杠5上滑动；利用射电望远镜天线测量软件做天线指向测量，找到天线效率最佳的深向Z轴方向坐标点并固定（图6，图7）；

c、馈源1与杜瓦2沿Z轴方向调整完毕后，利用独立设计的调整背架3，驱动调整背架3上X轴步进电机11及Y轴步进电机12，控制馈源1与杜瓦2延X轴滚珠丝杠13及Y轴滚珠丝杠14方向滑动；利用天线测量软件做天线指向测量，分别找到接收机在水平及垂直方向上天线效率最佳的X轴、Y轴坐标点并固定，这时，接收机馈源的相位中心的三维坐标已经确定，该点就是该射电望远镜的实际焦点位置（图4，图5）；

d、实际观测中，会碰到馈源的定位误差和天线实际焦点位置变化而引起的偏焦，依然可以通过步骤a、b、c进行重新对焦；即a、首先使用天线控制软件发送指令使天线跟踪一个目标源，使用25米射电望远镜原有换馈系统，将馈源1与杜瓦2从收藏位置沿Z轴丝杠5升至焦点位置，此时馈源1与杜瓦2靠近馈源仓上沿7，当馈源1与杜瓦2位于收藏位置时，馈源1与杜瓦2靠近馈源仓下沿8；b、馈源1与杜瓦2位于焦点位置后，利用原有换馈系统控制馈源1与杜瓦2在Z轴丝杠5上滑动；利用射电望远镜天线测量软件做天线指向测量，找到天线效率最佳的深向Z轴方向坐标点并固定；c、馈源1与杜瓦2沿Z轴方向调整完毕后，利用独立设计的调整背架3，驱动调整背架3上X轴步进电机11及Y轴步进电机12，控制馈源1与杜瓦2延X轴滚珠丝杠13及Y轴滚珠丝杠14方向滑动；利用天线测量软件做天线指向测量，分别找到接收机在水平及垂直方向上天线效率最佳的X轴、Y轴坐标点并固定，这时，接收机馈源的相位中心的三维坐标已经确定，该点就是该射电望远镜的实际焦点位置。

Claims (1)

1.一种射电望远镜接收机馈源的对焦方法，其特征在于该方法涉及的装置是由馈源（1）、杜瓦（2）、调整背架（3）、原有换馈系统背板（4）、Z轴丝杠（5）、馈源仓（6）、馈源仓上沿（7）、馈源仓下沿（8）组成，馈源（1）的底部与杜瓦（2）顶端连接，杜瓦（2）的后端与调整背架（3）连接，调整背架（3）的后端与原有换馈系统背板（4）连接，原有换馈系统背板（4）的后端与Z轴丝杠（5）上的滑块连接，Z轴丝杠（5）的上下两端分别固定在馈源仓（6）的斜面处；调整背架（3）是由第一背板（9）、第二背板（10）、X轴步进电机（11）、Y轴步进电机（12）、X轴滚珠丝杠（13）、Y轴滚珠丝杠（14）、第一X轴导轨（15）、第二X轴导轨（16）、第一Y轴导轨（17）、第二Y轴导轨（18）、X轴减速器（19）、Y轴减速器（20）组成，第一背板（9）的正面与接收机的杜瓦（2）用螺丝连接固定，第一背板（9）的反面左右两侧分别与第一Y轴导轨（17）和第二Y轴导轨（18）上的滑块连接，第一背板（9）的中间部分与Y轴滚珠丝杠（14）的滑块连接；Y轴滚珠丝杠（14）经Y轴减速器（20）与Y轴步进电机（12）连接；第二背板（10）的正面左右两侧分别与第一Y轴导轨（17）和第二Y轴导轨（18）的底座固定，第二背板（10）的背面的上下两侧分别与第一X轴导轨（15）和第二X轴导轨（16）上滑块连接，第二背板（10）的中间部分与X轴滚珠丝杠（13）的滑块连接；X轴滚珠丝杠（13）经X轴减速器（19）与X轴步进电机（11）连接；第一X轴导轨（15）和第二X轴导轨（16）分别固定在原有换馈系统背板（4）上，具体操作按下列步骤进行：

a、使用25米射电望远镜原有换馈系统，将馈源（1）与杜瓦（2）从收藏位置沿Z轴丝杠（5）升至焦点位置，此时馈源（1）与杜瓦（2）靠近馈源仓上沿（7），馈源（1）与杜瓦（2）位于收藏位置时，馈源（1）与杜瓦（2）靠近馈源仓下沿（8）；

b、馈源（1）与杜瓦（2）位于焦点位置后，利用原有换馈系统控制馈源（1）与杜瓦（2）在Z轴丝杠（5）上滑动；利用射电望远镜天线测量软件做天线指向测量，找到天线效率最佳的深向Z轴方向坐标点并固定；

c、馈源（1）与杜瓦（2）沿Z轴方向调整完毕后，利用独立设计的调整背架（3），驱动调整背架（3）上X轴步进电机（11）及Y轴步进电机（12），控制馈源（1）与杜瓦（2）延X轴滚珠丝杠（13）及Y轴滚珠丝杠（14）方向滑动；利用天线测量软件做天线指向测量，分别找到接收机在水平及垂直方向上天线效率最佳的X轴、Y轴坐标点并固定，这时，接收机馈源的相位中心的三维坐标已经确定，该点就是该射电望远镜的实际焦点位置；

d、当实际观测中碰到馈源的定位误差和天线实际焦点位置变化而引起的偏焦时，依然通过步骤a、b、c进行重新对焦。