CN106785445B - 一种射电望远镜焦距快速修正方法 - Google Patents

一种射电望远镜焦距快速修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种射电望远镜焦距快速修正方法，其包括以下步骤：控制射电望远镜对一射电源在赤经方向或赤纬方向扫描N次，每次扫描时射电望远镜的副反射面设于不同的轴向位置上，以获取N组赤经扫描数据或赤纬扫描数据；构建第一参数化模型；将所述N组赤经扫描数据或赤纬扫描数据代入所述第一参数化模型；计算得到所述N次扫描分别对应的高斯函数幅度的数值；构建第二参数化模型；将所述N次扫描分别对应的高斯函数幅度的数值代入所述第二参数化模型，并计算得到焦距偏差量的数值；基于所述焦距偏差量调整所述副反射面的轴向位置，以快速修正射电望远镜的焦距。本发明方法可实现焦距快速修正，成本低，可修正各种动态因素引起的焦距变化，同时可以解决在方位和俯仰坐标系下的高仰角扫描时方位运行速度过快问题。

Description

一种射电望远镜焦距快速修正方法
技术领域
本发明涉及射电望远镜焦距修正方法，尤其涉及一种射电望远镜焦距快速修正方法。
背景技术
天文观测时，受温度、重力、天气等时变因素的影响，射电望远镜的副反射面轴向位置会发生变化，引起焦距发生变化，导致射电望远镜的电性能下降，在高频观测时，性能下降愈加明显，会极大降低观测效率。为此本发明提出一种射电望远镜焦距快速修正方法，快速修正射电望远镜焦距，提高观测效率。
现有技术中，公开号为CN101771188A，公开日为2010年7月7号，名称为“射电望远镜的副面自适应调焦方法”的中国专利文献公开了一种修正射电望远镜焦距的方法。然而，该方法主要针对温度因素产生的焦距变化，没有考虑其它时变因素对焦距变化的影响，并且该方法需要安装大量的温度传感器，成本较高；此外，文献《TM65m射电望远镜副面随动模型及性能评估》(中国科学:物理学力学天文学)还提出一种修正射电望远镜焦距的方法。然而，该方法仅针对重力因素产生的焦距变化，并且该方法在方位和俯仰坐标系下进行扫描，导致在高仰角上时方位运行速度过快，从而影响焦距误差计算，并且不支持快速调整。
为解决上述技术存在的问题，期望获得一种射电望远镜焦距快速修正方法，以对射电望远镜焦距进行快速修正，同时克服以上缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种射电望远镜焦距快速修正方法，该射电望远镜焦距快速修正方法可对射电望远镜焦距进行快速修正。
根据上述发明目的，本发明提出了一种射电望远镜焦距快速修正方法，其包括以下步骤：
控制射电望远镜对一射电源在赤经方向或赤纬方向扫描N次，每次扫描时射电望远镜的副反射面置于不同的轴向位置上，以获取N组赤经扫描数据或赤纬扫描数据，其中每组赤经扫描数据包括在赤经方向扫描下的赤经数据及其相应的射电源功率数据，每组赤纬扫描数据包括在赤纬方向扫描下的赤纬数据及其相应的射电源功率数据；
基于线性函数和高斯函数构建用于描述所述N组赤经扫描数据或赤纬扫描数据的第一参数化模型其中，x1为所述赤经数据或赤纬数据，y1为x1对应的射电源功率数据，参数k为基线斜率，参数b为基线常数，参数a为高斯函数幅度，参数m为赤经方向或赤纬方向的指向误差，参数n为高斯函数半功率波束宽度；
将所述N组赤经扫描数据或赤纬扫描数据代入所述第一参数化模型，并指定k、b、a、n以及m的初值；分别采用最小二乘拟合算法计算得到所述N次扫描分别对应的a的数值；
基于二次多项式构建第二参数化模型y2＝u×(x2-v)2+w，其中，x2为所述N次扫描分别对应的轴向位置，y2为所述N次扫描分别对应的a的数值，u为射电望远镜副反射面共焦时测量的射电源功率数据的高斯函数幅度值，v为焦距偏差量，w为所述N组赤经扫描数据或赤纬扫描数据的数据基线；
将所述N次扫描分别对应的a的数值代入所述第二参数化模型，并指定u、v以及w的初值，再采用最小二乘拟合算法计算得到焦距偏差量v的数值；
基于所述焦距偏差量v调整所述副反射面的轴向位置，以快速修正射电望远镜的焦距。
本发明所述的射电望远镜焦距快速修正方法，其可用于射电望远镜焦距的快速修正。本发明通过在N个不同轴向位置上获取相应的N组赤经扫描数据或赤纬扫描数据，再通过所述第一参数化模型基于最小二乘拟合算法求取对应的N个高斯函数幅度值，然后将该N个高斯函数幅度值代入所述第二参数化模型基于最小二乘拟合算法求取焦距偏差量，从而基于该焦距偏差量调整所述副反射面的轴向位置，以快速修正射电望远镜的焦距。
进一步地，本发明所述的射电望远镜焦距快速修正方法中，在获取所述N组赤经扫描数据或赤纬扫描数据之后还对其进行数据预处理。
上述方案中，通过数据预处理，可以提高最终求取的焦距偏差量的准确度和精确度。
更进一步地，上述射电望远镜焦距快速修正方法中，所述数据预处理包括去背景、定标、校准、插值中的一种或多种处理。
进一步地，本发明所述的射电望远镜焦距快速修正方法中，参数n采用估计的半功率波束宽度，其计算方法如下式：
其中，λ为所述射电源的波长，D为所述射电望远镜的直径。
进一步地，本发明所述的射电望远镜焦距快速修正方法中，N的取值范围为至少5。
更进一步地，上述射电望远镜焦距快速修正方法中，N的取值范围为奇数。
优选地，上述射电望远镜焦距快速修正方法中，N的取值范围不超过7。
上述方案中，N为扫描次数，至少5次，可以是多于5次的奇数次，最多7次，扫描次数越多所需的测量时间越长。
进一步地，本发明所述或上述的射电望远镜焦距快速修正方法中，N取值5，所述N次扫描分别对应的轴向位置分别为-10mm、-5mm、0mm、+5mm以及10mm。
更进一步地，上述射电望远镜焦距快速修正方法中，所述赤经方向或赤纬方向上的扫描长度为300角秒，扫描速度为10角秒/秒。
上述方案中，可以同时考虑扫描长度和扫描速度，扫描速度不宜过快，也不宜过慢。
本发明所述的射电望远镜焦距快速修正方法具有以下优点和有益效果：
(1)可实现焦距快速修正。
(2)成本低。
(3)可修正各种动态因素引起的焦距变化。
(4)由于赤经和赤纬构成的天球坐标系与射电望远镜方位和俯仰的地平坐标系存在一个旋转角度，因此在赤经和赤纬方向的扫描可以解决在方位和俯仰坐标系下的高仰角扫描时，方位运行速度过快问题，提高射电望远镜在高俯仰角上的焦距修正精度。
附图说明
图1为本发明所述的射电望远镜焦距快速修正方法在一种实施方式下的流程示意图。
图2为本发明所述的射电望远镜焦距快速修正方法在一种实施方式下的修正焦距前的分别对应五次扫描的五个高斯函数幅度示意图。
图3为本发明所述的射电望远镜焦距快速修正方法在一种实施方式下的修正焦距后的分别对应五次扫描的五个高斯函数幅度示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的射电望远镜焦距快速修正方法做进一步的详细说明。
图1示意了本发明所述的射电望远镜焦距快速修正方法在一种实施方式下的流程。图2示意了本发明所述的射电望远镜焦距快速修正方法在一种实施方式下的修正焦距前的分别对应五次扫描的五个高斯函数幅度，其中，横坐标Sub-surface Z/mm表示副反射面轴向位置，单位毫米，纵坐标Ta/K表示射电源功率数据，单位开尔文。图3示意了本发明所述的射电望远镜焦距快速修正方法在一种实施方式下的修正焦距后的分别对应五次扫描的五个高斯函数幅度，其中，横坐标Sub-surface Z/mm表示副反射面轴向位置，单位毫米，纵坐标Ta/K表示射电源功率数据，单位开尔文。
如图1所示，结合参考图2-图3，该实施方式下的射电望远镜焦距快速修正方法包括以下步骤：
步骤110：实施该步骤需要准备Ku波段接收机以及连续谱天文终端(通常射电望远镜均配备高性能Ku波段接收机和连续谱终端)。为消除接收机的增益波动和系统温度变化，该步骤中的Ku波段接收机具备周期性定标信号注入功能。选择流量强(大于3央斯基)、致密的连续谱点源作为射电源，在天气晴好的条件下，开启Ku波段接收机的周期性定标信号，控制射电望远镜对一射电源在赤经方向进行一次扫描观测并记录扫描的赤经数据，同时采用Ku波段接收机接收扫描到的射电信号，并由天文终端记录射电信号的功率值，这样就获取了五组赤经扫描数据，其中每组赤经扫描数据包括在赤经方向扫描下的赤经数据及其相应的射电源功率数据。该步骤中，赤经方向上的扫描长度为300角秒，扫描速度为10角秒/秒，连续谱终端积分时间为0.2秒，上述扫描过程共进行五次，每次扫描时副反射面分别位于-10mm、-5mm、0mm、+5mm、10mm的轴向位置(该轴向位置具有对称性)上，扫描全部完成需约3分钟。该步骤中的观测频率为16GHz，观测带宽为500MHz。
步骤120：在获取五组赤经扫描数据后，分别对该五组赤经扫描数据进行数据预处理，该数据预处理包括去背景、定标、校准以及插值处理等。
步骤130：基于线性函数和高斯函数构建用于描述上述五组赤经扫描数据的第一参数化模型其中，x1为赤经数据，y1为x1对应的射电源功率数据，参数k为基线斜率，参数b为基线常数，参数a为高斯函数幅度，参数m为赤经方向的指向误差，参数n为高斯函数半功率波束宽度；将上述五组赤经扫描数据代入上述第一参数化模型，并指定k、b、a、n以及m的初值；对五组赤经扫描数据分别采用最小二乘拟合算法计算得到五次扫描分别对应的a的数值；
该步骤中，k的初值为1，b的初值为0，a的初值为对应的射电源功率数据的最大值，m的初值为0，n的初值采用估计的半功率波束宽度，其计算方法如下式：
其中，λ为所述射电源的波长，D为所述射电望远镜的直径。
理想情况下，由于所述轴向位置具有对称性，相应的高斯函数幅度a也应该具有对称性。但从图2可以看出，由于射电望远镜焦距存在误差，导致高斯函数幅度a(图中的五个点)存在不对称性。
步骤140：基于二次多项式构建第二参数化模型y2＝u×(x2-v)2+w，其中，x2为上述五次扫描分别对应的轴向位置，y2为上述五次扫描分别对应的a的数值，u为射电望远镜副反射面共焦时测量的射电源功率数据的高斯函数幅度值，v为焦距偏差量，w为上述五组赤经扫描数据的数据基线；
将上述五次扫描分别对应的a的数值代入上述第二参数化模型，并指定u、v以及w的初值，再采用最小二乘拟合算法计算得到焦距偏差量v的数值；
该步骤中，u的初值为五次扫描对应的a数值的最大值，v的初值为0，w的初值为0。
基于上述焦距偏差量v调整上述副反射面的轴向位置，以快速修正射电望远镜的焦距。焦距修正时间的总耗时约为3分钟。
至此上述实施方式下的射电望远镜焦距快速修正方法的步骤结束。在上述步骤完成后，控制射电望远镜重复步骤110-步骤130，以检验焦距调整效果。从图3可以看出，修正焦距后的高斯函数幅度a(图中的五个点)存在对称性，表明射电望远镜焦距已得到修正。
本发明的另一种实施方式可以是在上述实施方式的基础上，将方案中的“赤经”替换为“赤纬”，其它内容保持一致。
要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种射电望远镜焦距快速修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
控制射电望远镜对一射电源在赤经方向或赤纬方向扫描N次，每次扫描时射电望远镜的副反射面设于不同的轴向位置上，以获取N组赤经扫描数据或赤纬扫描数据，其中每组赤经扫描数据包括在赤经方向扫描下的赤经数据及其相应的射电源功率数据，每组赤纬扫描数据包括在赤纬方向扫描下的赤纬数据及其相应的射电源功率数据；
基于线性函数和高斯函数构建用于描述所述N组赤经扫描数据或赤纬扫描数据的第一参数化模型其中，x1为所述赤经数据或赤纬数据，y1为x1对应的射电源功率数据，参数k为基线斜率，参数b为基线常数，参数a为高斯函数幅度，参数m为赤经方向或赤纬方向的指向误差，参数n为高斯函数半功率波束宽度；
将所述N组赤经扫描数据或赤纬扫描数据代入所述第一参数化模型，并指定k、b、a、n以及m的初值；分别采用最小二乘拟合算法计算得到所述N次扫描分别对应的a的数值；其中，k的初值为1，b的初值为0，a的初值为对应的射电源功率数据的最大值，m的初值为0，n的初值采用估计的半功率波束宽度，其计算方法如下式：
其中，λ为所述射电源的波长，D为所述射电望远镜的直径；
基于二次多项式构建第二参数化模型y2＝u×(x2-v)2+w，其中，x2为所述N次扫描分别对应的轴向位置，y2为所述N次扫描分别对应的a的数值，u为射电望远镜副反射面共焦时测量的射电源功率数据的高斯函数幅度值，v为焦距偏差量，w为所述N组赤经扫描数据或赤纬扫描数据的数据基线；
将所述N次扫描分别对应的a的数值代入所述第二参数化模型，并指定u、v以及w的初值，再采用最小二乘拟合算法计算得到焦距偏差量v的数值；其中，u的初值为五次扫描对应的a数值的最大值，v的初值为0，w的初值为0；
基于所述焦距偏差量v调整所述副反射面的轴向位置，以快速修正射电望远镜的焦距。
2.如权利要求1所述的射电望远镜焦距快速修正方法，其特征在于，在获取所述N组赤经扫描数据或赤纬扫描数据之后还对其进行数据预处理。
3.如权利要求2所述的射电望远镜焦距快速修正方法，其特征在于，所述数据预处理包括去背景、定标、校准、插值中的一种或多种处理。
4.如权利要求1所述的射电望远镜焦距快速修正方法，其特征在于，N的取值范围为至少5。
5.如权利要求4所述的射电望远镜焦距快速修正方法，其特征在于，N的取值范围为奇数。
6.如权利要求5所述的射电望远镜焦距快速修正方法，其特征在于，N的取值范围不超过7。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的射电望远镜焦距快速修正方法，其特征在于，N取值5，所述N次扫描分别对应的轴向位置分别为-10mm、-5mm、0mm、+5mm以及10mm。
8.如权利要求7所述的射电望远镜焦距快速修正方法，其特征在于，所述赤经方向或赤纬方向上的扫描长度为300角秒，扫描速度为10角秒/秒。
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