CN105811111B - 一种基于可动副面的多频段射电望远镜馈源快速切换方法 - Google Patents

一种基于可动副面的多频段射电望远镜馈源快速切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于可动副面的多频段射电望远镜快速馈源切换方法，该方法采用六杆调整机构和旋转机构共同驱动副面运动，实现射电望远镜快速换馈及精确对焦，信号经主面反射至副面，再经副面反射后汇聚到副面焦点，即接收机及馈源的位置；天线控制计算机发送指令控制副面旋转机构驱动副面电轴旋转调整，使其焦点对向需要使用的波段馈源；根据天线效率判断对焦情况，在偏焦时发送副面调整指令，控制副面六杆调整机构和副面旋转机构共同组成的副面运动调整机构，实现副面的六个自由度精确调整并对焦。该方法精度高，稳定性好，换馈效率提升明显，对匹配精度要求高的短厘米波段甚至毫米波接收机的换馈及对焦尤为重要。

Description

一种基于可动副面的多频段射电望远镜馈源快速切换方法
技术领域
本发明涉及一种基于可动副面的多频段射电望远镜馈源快速切换方法，采用六杆机构和旋转机构共同驱动副面运动的射电望远镜快速换馈及精确对焦的方法，专门用于射电望远镜接收机的换馈和对焦。
背景技术
射电天文是天文学的一个重要研究领域。射电望远镜是射电天文中用来观测和研究来自天体辐射电磁波的基本设备。中国科学院新疆天文台南山25米射电望远镜系统为修正型卡塞格伦天线系统，射电信号经天线主面板反射至副面，再经副面二次反射至接收机馈源，然后经接收机收集、放大后记录下来，供科学家做进一步分析研究。
对于装配多个观测波段接收机的射电望远镜来说，观测不同波段射电源，需要使用相对应波段的接收机及馈源。射电望远镜系统中用于更换不同波段接收机及馈源的机构称之为换馈系统，该系统是多波段观测射电望远镜系统不可缺少的一部分。换馈速度快慢、换馈后接收机对焦精度都将对观测有直接影响。现今，射电望远镜的换馈方式有直线导轨换馈、旋转馈源换馈、副反射面旋转换馈等多种形式。直线导轨换馈方式，就是在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。副反射面旋转换馈方式，是将所有接收机馈源固定放置在副面位于接收机仓的焦平面处，使每个馈源的相位中心都位于焦平面的一个旋转圆环上；通过旋转副面，控制副面二次反射的信号对向所需要使用的接收机馈源所在的位置。
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。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*观测信号波长。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。如果射电望远镜的换馈系统精度不高，就会造成偏焦导的致天线效率损失，从而降低接收信号的质量。
中国科学院新疆天文台原有的25米射电望远镜已建成二十余年，设备已超过使用年限，天线结构系统已老化，天线系统的可靠性下降。同时该天线的一些性能指标已不能满足当前和今后一些天文观测及科学研究的要求。特别是原有的直线导轨换馈方式效率低下(更换一次馈源需要20分钟)，并且换馈后的对焦精度低。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》和《基于模糊PID控制的激光定位自动换馈控制系统》中所述，虽然中国科学院新疆天文台曾对南山25米射电望远镜的换馈系统进行过多次升级改造，但在直线导轨换馈方式的前提下，换馈效率低下不能改变，而且一直存在馈源的相位中心偏离天线副反射面焦点的情况，在现有K波段观测上表现极为明显。
中国专利201420602910.2，《一种直线导轨换馈方式》中所述其直线导轨换馈系统的滑块在运动过程中所受到的摩擦力小，整个机构使用寿命更长，设备在其设计寿命期内能保证精度，不需要定期添加润滑油维护简单，不会因为加工误差会造成每套设备不一致，调试起来更加方便等优点，但始终无法改变该方式换馈效率低的本质缺陷。
中国专利201120391681.0《大型天线副面调整机构》中所述的天线副面调整机构，是通过中间支架和顶部支架固定副面，当需要对副面进行调整时，将左右或前后方向的螺栓松开后对副面位置进行调整，此时整个副面的重量由中间支架机顶部支架承受，但整个调整过程需要人员进行手动操作，重复性差，效率低下，精度也不能保证。
发明内容
本发明目的在于，提供一种基于可动副面的多频段射电望远镜馈源快速切换方法，该方法采用六杆调整机构和旋转机构共同驱动副面运动，实现射电望远镜快速换馈及精确对焦。首先，信号经主面反射至副面，再经副面反射后汇聚到副面焦点，即接收机及馈源的位置；天线控制计算机发送指令控制副面旋转机构驱动副面电轴旋转调整，使其焦点对向需要使用的波段馈源；根据天线效率判断对焦情况，在偏焦时发送副面调整指令，控制副面六杆调整机构和副面旋转机构共同组成的副面运动调整机构，实现副面的六个自由度精确调整并对焦。该方法精度高，稳定性好，换馈效率提升明显，对匹配精度要求高的短厘米波段甚至毫米波接收机的换馈及对焦尤为重要。
本发明所述的一种基于可动副面的多频段射电望远镜馈源快速切换方法，该方法涉及的装置是由主面(1)、副面(2)、副面旋转机构(3)、副面六杆调整机构(4)、副面支架(5)、馈源仓(6)、Ku波段馈源(7)、K波段馈源(8)、S/X波段馈源(9)、C波段馈源(10)、Q波段馈源(11)、Ka波段馈源(12)和L波段馈源(13)组成，主面(1)为赋形旋转对称抛物面，副面(2)为二次赋形双曲面；馈源仓(6)位于主面(1)的中心区域，Ku波段馈源(7)、K波段馈源(8)、S/X波段馈源(9)、C波段馈源(10)、Q波段馈源(11)、Ka波段馈源(12)和L波段馈源(13)的相位中心按顺时针方向排列于主面(1)上方馈源仓(6)顶端的焦平面圆环(14)上；副面(2)与副面六杆调整机构(4)相连，副面六杆调整机构(4)与副面旋转机构(3)相连；副面六杆调整机构(4)的上沿与四根副面支架(5)相连接并固定于主面(1)上，具体操作按下列步骤进行：
a、平面电磁波信号经主面(1)反射后对称反射至副面(2)，再经副面(2)非对称反射后汇聚到副面(2)的焦点上，该焦点偏离主面(1)旋转轴80cm；
b、确定预定工作馈源的目标旋转角度位置：天线控制计算机发送指令控制副面旋转机构(3)驱动副面(2)电轴旋转调整，使副面(2)光轴指向预定角度位置；
c、根据天线测量结果判断当前是否为天线效率最佳点，如果不是最佳点即为偏焦，天线控制计算机发送副面调整指令控制副面六杆调整机构(4)和副面旋转机构(3)共同组成的副面(2)运动调整机构，实现副面(2)位置精确调整，使副面(2)的焦点与预定工作馈源的相位中心实现精确对焦。
本发明所述的一种基于可动副面的多频段射电望远镜馈源快速切换方法，该方法涉及的装置是由主面(1)、副面(2)、副面旋转机构(3)、副面六杆调整机构(4)、副面支架(5)、馈源仓(6)、Ku波段馈源(7)、K波段馈源(8)、S/X波段馈源(9)、C波段馈源(10)、Q波段馈源(11)、Ka波段馈源(12)、L波段馈源(13)组成，主面(1)为赋形(修正型)旋转对称抛物面，副面(2)为二次赋形(修正型)双曲面；馈源仓(6)位于主面(1)的中心区域，Ku波段馈源(7)、K波段馈源(8)、S/X波段馈源(9)、C波段馈源(10)、Q波段馈源(11)、Ka波段馈源(12)和L波段馈源(13)的相位中心按顺时针方向排列于主面(1)上方馈源仓(6)顶端的焦平面圆环(14)上；副面(2)与副面六杆调整机构(4)相连，副面六杆调整机构(4)再与副面旋转机构(3)相连，副面六杆调整机构(4)驱动副面(2)可以进行五个自由度运动(X、Y、Z轴方向的移动和绕X、Z轴的旋转)，副面旋转机构(3)驱动副面六杆调整机构(4)和副面(2)可以进行单自由度旋转运动(绕Y轴的旋转)，即实现副面(2)的六个自由度运动(X、Y、Z轴方向的移动和绕X、Y、Z轴的旋转)；副面六杆调整机构(4)的上沿与四根副面支架(5)相连接并固定于主面(1)上，具体操作按下列步骤进行：
a、平面电磁波信号经主面(1)反射后对称反射至副面(2)，再经副面(2)非对称反射后汇聚到副面(2)的焦点上，该焦点偏离主面(1)旋转轴80cm；
b、确定预定工作馈源的目标旋转角度位置；天线控制计算机发送指令控制副面旋转机构(3)驱动副面(2)电轴旋转调整，使副面(2)光轴指向预定角度位置；
c、根据天线测量结果判断当前是否为天线效率最佳点，如果不是最佳点即为偏焦，天线控制计算机发送副面调整指令控制副面六杆调整机构(4)和副面旋转机构(3)共同组成的副面(2)运动调整机构，实现副面(2)位置六个自由度(X、Y、Z轴方向的移动和绕X、Y、Z轴的旋转)精确调整，使副面(2)二次赋形双曲面焦点与预定工作馈源的相位中心实现精确对焦。
本发明所述方法与中国专利201420602910.2，《一种直线导轨换馈方式》中所述设计相比，本发明仅需1分钟即可更换馈源的副面旋转换馈系统，而且副面旋转换馈系统比起直线导轨换馈系统，不需要将天线俯仰打起就可以进行换馈，换馈效率提升明显，换馈效率的提升意味着观测时间的增加和更多观测数据的获得。从而解决了更换一次馈源需要花费20分钟的直线导轨换馈系统改造。
本发明所述方法与中国专利201120391681.0《大型天线副面调整机构》中所述设计相比，本发明的天线副面调整机构是由副面六杆调整机构和副面旋转机构共同组成，本副面调整机构能实现副面的六个自由度(X、Y、Z轴方向的移动和绕X、Y、Z轴的旋转)精确调整，本发明自动化程度好，精度高，调整过程不需要人为对设备进行主观判断调整，重复性好。解决了整过程需要人员进行手动操作的过程。
本发明所述的方法优点在于：馈源固定，减小天线运动对馈源影响；可容纳更多数量的不同频段的馈源；工作频段与非工作频段互补干扰；采用调整副面位置实现工作频段切换，实现容易，所需驱动机构功率小，运动范围小，可实现1分钟内频段切换；副面调整机构能实现副面的六个自由度(X、Y、Z轴方向的移动和绕X、Y、Z轴的旋转)精确调整，提升对焦精度。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明射电望远镜副面旋转换馈系统结构图；
图3为本发明射电望远镜各个馈源布局俯视图；
图4为本发明副面运动调整机构结构图；
图5为本发明射电望远镜副面旋转换馈系统将馈源切换至S/X波段示意图；
图6为本发明射电望远镜副面旋转换馈系统将馈源切换至K波段示意图；
图7为本发明射电望远镜副面旋转换馈系统将馈源切换至L波段示意图。
具体实施方式
实施例
本发明所述的一种基于可动副面的多频段射电望远镜馈源快速切换方法，该方法涉及的装置是由主面1、副面2、副面旋转机构3、副面六杆调整机构4、副面支架5、馈源仓6、Ku波段馈源7、K波段馈源8、S/X波段馈源9、C波段馈源10、Q波段馈源11、Ka波段馈源12、L波段馈源13组成(图2，图3)，主面1为赋形(修正型)旋转对称抛物面，副面2为二次赋形(修正型)双曲面；馈源仓6位于主面1的中心区域，Ku波段馈源7、K波段馈源8、S/X波段馈源9、C波段馈源10、Q波段馈源11、Ka波段馈源12和L波段馈源13的相位中心按顺时针方向排列于主面1上方馈源仓6顶端的焦平面圆环14(图3)上；副面2与副面六杆调整机构4相连，副面六杆调整机构4再与副面旋转机构3相连，副面六杆调整机构4驱动副面2可以进行五个自由度运动(X、Y、Z轴方向的移动和绕X、Z轴的旋转)，副面旋转机构3驱动副面六杆调整机构4和副面2可以进行单自由度旋转运动(绕Y轴的旋转)，即实现副面2的六个自由度运动(X、Y、Z轴方向的移动和绕X、Y、Z轴的旋转)(图4)；副面六杆调整机构4的上沿与四根副面支架5相连接并固定于主面1上，具体操作按下列步骤进行：
a、平面电磁波信号经主面1反射后对称反射至副面2，再经副面2非对称反射后，汇聚到副面2的焦点上，该焦点偏离主面1旋转轴80cm；
b、确定预定工作馈源的目标旋转角度位置：天线控制计算机发送指令控制副面旋转机构3驱动副面2电轴旋转调整，使副面2光轴指向预定角度位置；当需要使用Ku波段馈源7进行观测，副面旋转机构3驱动副面2电轴旋转调整，使其焦点对向Ku波段馈源7；当需要使用K波段馈源8进行观测，副面旋转机构3驱动副面2电轴旋转调整，使其焦点对向K波段馈源8(图6)；当需要使用S/X波段馈源9进行观测，副面旋转机构3驱动副面2电轴旋转调整，使其焦点对向S/X波段馈源9(图5)；当需要使用C波段馈源10进行观测，副面旋转机构3驱动副面2电轴旋转调整，使其焦点对向C波段馈源10；当需要使用Q波段馈源11进行观测，副面旋转机构3驱动副面2电轴旋转调整，使其焦点对向Q波段馈源11；当需要使用Ka波段馈源12进行观测，副面旋转机构3驱动副面2电轴旋转调整，使其焦点对向Ka波段馈源12；当需要使用L波段馈源13进行观测，副面旋转机构3驱动副面2电轴旋转调整，使其焦点对向L波段馈源13(图7)；
c、根据天线测量结果判断当前是否为天线效率最佳点，如果不是最佳点即为偏焦，天线控制计算机发送副面调整指令控制副面六杆调整机构4和副面旋转机构3共同组成的副面2运动调整机构，实现副面2位置六个自由度(X、Y、Z轴方向的移动和绕X、Y、Z轴的旋转)精确调整，使副面2二次赋形双曲面焦点与预定工作馈源的相位中心实现精确对焦。

Claims (1)

1.一种基于可动副面的多频段射电望远镜馈源快速切换方法，其特征在于该方法涉及的装置是由主面（1）、副面（2）、副面旋转机构（3）、副面六杆调整机构（4）、副面支架（5）、馈源仓（6）、Ku波段馈源（7）、K波段馈源（8）、S/X波段馈源（9）、C波段馈源（10）、Q波段馈源（11）、Ka波段馈源（12）、L波段馈源（13）组成，主面（1）为赋形旋转对称抛物面，副面（2）为二次赋形双曲面；馈源仓（6）位于主面（1）的中心区域，Ku波段馈源（7）、K波段馈源（8）、S/X波段馈源（9）、C波段馈源（10）、Q波段馈源（11）、Ka波段馈源（12）和L波段馈源（13）的相位中心按顺时针方向排列于主面（1）上方馈源仓（6）顶端的焦平面圆环（14）上；副面（2）与副面六杆调整机构（4）相连，副面六杆调整机构（4）与副面旋转机构（3）相连；副面六杆调整机构（4）的上沿与四根副面支架（5）相连接并固定于主面（1）上，具体操作按下列步骤进行：
a、平面电磁波信号经主面（1）反射后对称反射至副面（2），再经副面（2）非对称反射后汇聚到副面（2）的焦点上，该焦点偏离主面（1）旋转轴80cm；
b、确定预定工作馈源的目标旋转角度位置：天线控制计算机发送指令控制副面旋转机构（3）驱动副面（2）电轴旋转调整，使副面（2）光轴指向预定角度位置；
c、根据天线测量结果判断当前是否为天线效率最佳点，如果不是最佳点即为偏焦，天线控制计算机发送副面调整指令控制副面六杆调整机构（4）和副面旋转机构（3）共同组成的副面（2）运动调整机构，实现副面（2）位置精确调整，使副面（2）的焦点与预定工作馈源的相位中心实现精确对焦。
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