CN107036550A - 射电天文望远镜主动反射面边缘传感器系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

射电天文望远镜主动反射面边缘传感器系统及其检测方法，设置在射电望远镜的主动反射面板上，由边缘传感器、平面反射镜、检测光线的发射端和接收端，及做图像处理的电脑组成，将整个主动反射面板中的子面板分成相邻的每两块为一组，所述边缘传感器设置在其中一块子面板的背面边缘，平面反射镜设置在同组中另一块子面板上；边缘传感器上的发射端点发射检测光线；该两块子面板之间通过检测光线连接；检测光线经平面反射镜反射被接收端接收，再传给做图像处理的电脑，该电脑的输出接各个位移促动器。本发明针对射电望远镜主动反射面板，设计的一种边缘传感器，实现观测过程中实时检测面形，实现对批量面板的实时拼接检测和调整。

Description

射电天文望远镜主动反射面边缘传感器系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于光学反射原理和图像处理技术的射电望远镜主动反射面拼接检测的边缘传感器光学检测系统，非常适用于大口径射电望远镜和毫米/亚毫米波望远镜的主动反射面板的拼接检测，从而结合位移促动器等执行机构实现主动反射面的主动校正。本发明还涉及这种主动反射面边缘传感器光学检测系统的设计和共相检测方法。

本发明为国家联合基金重点支持项目，“大射电望远镜主动面关键技术研究”，批准号为：U1331204。

背景技术

射电望远镜通常具有很大口径，其天线（主面板）通常由大批量小面板拼接而成，比如65米口径射电望远镜天线由几千块一米量级的面板拼接组成，在该射电望远镜安装和投入正式运行过程中，在重力和风力等外载的影响下，都必须保证其抛物面的整体面型在允许的范围内。除了考虑天线背架的支撑保型设计之外，就是采用主动反射面进行主动调整来达到某种要求的面形，使得望远镜观测所有波段时都能获得最佳的接收效率。主动面技术是大口径、高频段射电望远镜发展趋势，相对于采用新型复合材料（如碳纤维）制造射电望远镜等其它解决方向更具经济性。现代大射电望远镜为实现对较短波段的观测而广泛采用主动反射面技术，即在望远镜的反射面上实施主动变形技术补偿因加工、装调、重力、温度等因素造成的面形误差，或主动调整为某种要求的面形，使射电望远镜天线处于最佳的工作状态。

在主动面技术实现中，主动反射面的每块面板均有一组可精密调节的位移促动器支撑，然后位移促动器再固连于天线的背架结构上，在观测的过程中，根据实时检测或开环计算来控制位移促动器随时调整面板，以补偿因各种因素（如重力、热、风载等）造成的主面变形，或调整主面达到某种要求的面形，（如意大利撒丁岛64米SRT能将主反射面从赋形表面转换为纯抛物面；我国FAST望远镜主动调整500米口径球面主反射面实时形成300米口径抛物面），使得望远镜观测所有波段时都能获得最佳的接收效率。应用主动面技术的典型射电望远镜代表有：已建成的美国100米GBT、基本建成的美墨合作的50米大毫米波望远镜LMT和我国的上海65米望远镜；在建的有意大利64米SRT，在研的有美国25米CCAT亚毫米波望远镜和我国新疆110米口径射电望远镜。其中CCAT是美国NSF新发表的2011-2020十年规划中提出需特别支持的望远镜。目前，正在建设和将要建设的大射电望远镜，绝大多数是都采用反射面主动调整办法，以提高其精度和观测高频段效率。目前，主动反射面技术一方面被广泛成功应用，一方面也为能成功地应用于毫米波亚毫米波望远镜而处于持续的技术探索中。因此作为主动反射面技术的重要环节，大批量主动反射面板拼接实时检测方法和技术就成为大口径射电望远镜设计和运行的关键部分。

射电望远镜越来越要求从基于数学模型上的被动控制朝动态实时面型调整发展，这就需要一种实时检测技术，可以评估在任意天顶距下的实时面型。射电望远镜的面板检测是实时射电望远镜面板拼接的关键技术之一，而射电望远镜由于波段与光学红外望远镜不一样，其主镜（天线）的面形精度要求也相去甚远。根据衍射条件面形精度要求为二十分之一波长，亚毫米波段最短波长约0.2毫米，面板拼接共相的要求为二十分之一波长的均方根值，即面形精度10个微米。这与光学红外波段（比如可见光550纳米波长的27.5纳米的面形精度要求）放松了几百倍。通常射电望远镜在安装调试时使用下述方法：在中间天顶距/高度角进行面板调整及定标，使得面板精度达到二十分之一波长，在正式使用中不再对面板精度进行实时测量和调整，而只是通过望远镜的支撑设计保证。常见的射电望远镜面板检测和调整方法，主要有光学方法、射电全息法、激光测量方法等。其中，经纬仪、激光跟踪仪、全站仪、激光测距仪等方法，在固定望远镜某种姿态下（比如面板水平朝天或者竖直朝水平）它们都具有能检测和指导调整面板的能力，使得面板达到设计公差指标，主要用于面板安装后投入使用前的整体面板形状检测和标定，缺点就是繁琐、批量检测需要大批辅助用的靶标和后向反射器、不实时；射电全息法使用同步卫星、天文或人工射电源来测量整个天线的波前，只需要利用望远镜本身的接收机，硬件设备要求简单，但是不实时，只能在几个高度角上进行匹配，耗时长；而其它的照相法精度只能达到0.1毫米，可见光波段的成像检测方法因为射电波段天线面板的相对低精度和视宁度问题，在这里也不能适用。

上述射电望远镜反射面检测方法的共同缺点是：只适合单个或某几个高度位置的反射面检测和复核，无法在射电望远镜工作过程中实时检测和保证其在安装调整好的经过标定过的面形精度，批量化实时检测的工作量特别繁重。这些缺点在射电望远镜建设和运行维护的过程中成为了很大的瓶颈。随着中国射电望远镜大设备FAST的如火如荼的建设、十三五规划中新疆QTT 110米望远镜的名列前茅以及德令哈13.7m毫米波望远镜的主动面升级改造，主动反射面技术作为关键技术之一，也包括了主动面实时检测技术的各个方面，都亟需深入的开展研究，具有非常广泛紧迫的应用需求。

发明内容

为了克服上述天线反射面检测和调整方法的不实时和繁重的缺点，本发明针对射电望远镜主动反射面天线，通过设计和发明一种边缘传感器，实现批量面板观测过程中的实时拼接检测和调整，达到波长更短的观测波段、更好的效率技术指标从而实现更高的科学目标。鉴于目前射电望远镜发展的迫切需求，发明人结合目前国内外在该领域的“空白”的研究现状和当前光学望远镜主动光学技术的基础，提出本发明：射电天文望远镜主动反射面边缘传感器。通过利用光学反射原理和图像处理技术发明一种可实时对主动面板进行拼接检测，实现主动调整反射面板，使射电望远镜天线处于最佳的工作状态。作为未来大射电望远镜的关键技术之一，可以应用于我国射电望远镜的建造和升级改造，具有广泛的应用价值。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于主动反射面的射电望远镜边缘传感器光学检测系统，设置在射电望远镜的主动反射面板上，其特征在于，由边缘传感器、平面反射镜、检测光线的发射端和接收端（探测器），及做图像处理的电脑组成，将整个主动反射面板中的子面板分成相邻的每两块为一组，所述边缘传感器设置在其中一块子面板的背面边缘，平面反射镜设置在同组中另一块子面板上；边缘传感器上的发射端点发射检测光线（激光或者通过滤光片的白光点光源的平行光）；该两块子面板之间通过检测光线（平行光）连接；检测光线经平面反射镜反射被接收端接收，再传给做图像处理的电脑，该电脑的输出接各个位移促动器。

本发明有以下优化方案：

边缘传感器上的发射端点发射检测光线，可以经过准直透镜后照射到对面被检测面板的平面镜反射回来到探测器。

所述边缘传感器的接收端（也称为：接收器部分或靶面）拟采用CCD或PSD来进行测量。通常CCD能获得优于1/10的像素定位精度，对应约0.5微米，比位置敏感探测器PSD更高，只是PSD视场更大，结构L更长。也就是说，如果选择同样的结构长度L，则CCD系统精度更高，但视场更小，PSD则相反。这就需要在视场、精度、结构长度、重量四者之间作一个妥协或者优化，以满足QTT边缘传感器系统的要求，为了保证精度，优先选择商用小CCD，通过电磁铁切换量程。

接收器的探测器需要的定位精度不超过5(μm)*1(m)/FL(m)；这里的FL可以选择在1米以上量级，以提高测角精度；测角精度在1角秒量级及以下即可。

传感器两端采用波纹管连接包装密封；为了防止雨雪和灰尘的进入，整个边缘传感器的两个部分，通过一个柔软的密封的套管（皮老虎）进行连接密封。

在面板加工的过程中，留有设计的边缘传感器安装接口，便于边缘传感器的装拆、更换和走线。

面板之间的Piston不影响倾斜测量的结果，由于传感器采用平行光传输或者平行激光传输，即可免疫Piston的影响，只对二面角或者倾斜敏感。

传感器的光源发射端采用激光或者通过滤光片的白光点光源，传感器的接收端采用PSD或者CCD。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是：本发明的设计和共相检测方法，其特征在于，步骤如下：

(1). 设计边缘传感器的光学系统，采用卡式系统，通过转折光路，增加焦距，双反射设计消除色差；

⑵. 发射端和接收端共用光路，另外一块面板放置平面反射镜M，用于反射平行光，两个面板之间通过平行光连接，面板之间的Piston不影响倾斜测量的结果；

⑶. 在一块主动反射面板的背面边缘安置边缘传感器，在相邻的另一块面板上正对放置平面反射镜，完成一套边缘传感器的安装，如此完成所有反射面板上的安装；

⑷. 传感器发射端点光源经过准直发出的平行光，经过另外一块面板上的平面反射镜反射回来被接受端接收，记录下像点位置的变化，通过图像处理来获得相邻面板的角度偏差数据；

⑸. 利用数学方法直接推到出所有面板的位置偏差、整个拼接天线的面形的精度以及需要校正该面形精度所需要的支撑点位移促动器的改正量。

(6). 步骤⑸计算出改正量以后，将上述实时检测到的拼接面形的变化（倾斜变化），转换成位移促动器的改正量，执行面板实时主动校正，对于残余误差或者其它误差，可以继续循环迭代闭环校正，实现观测过程中的实时校正和主动维持。

步骤⑸中所述的数学方法，是通过图像数字处理出聚焦光斑的质心位置变化，除以焦距，即可反推出角度的变化，从而通过斜率/导数可重建整个拼接的面形。

靶面上接收到的圆形像斑的位置，可以通过二阶距、重心法甚至根据光斑的形状即可处理计算求得。

国际上流行的大口径天线，为了实现在短波端的高效率天文观测，均采用主动反射面技术，通常利用全息法、照相法、温度传感器、查找表Lookup Table等各种反馈手段来检测反射面的拼接状态，实现主动的开闭环校正和维持。除了使用Lookup Table来对重力变形和热变形实现开环实时校正外，观测过程中面形检测都是非实时的，即采用在观测前定标，在观测过程中使用，不进行实时间检测和校正的模式。因此上述开环校正还存在或多或少的远远超出望远镜主动反射面要求的各种残差，亟需一种实时的主动面检测方法。本发明是一种基于光学反射测量原理的传感器，可以实现实时的主动面板检测，实现主动反射面的高精度维持，以保证整个天线在观测过程中的高效率，尤其是在短观测波段，比如3mm波段。如图1，边缘传感器的原理光路设计。采用卡式系统，其中左端为平面反射镜；右端为发射和接受端，包括点光源望远镜准直和望远镜聚焦到探测器上接收。通过转折光路，增加焦距，双反射设计消除色差；发射端和接收端共用光路，减少了系统误差；另外一块面板放置平面反射镜M，用于反射平行光；两块面板之间通过平行光连接，面板之间的Piston不影响倾斜测量的结果。

采用平行光传输或者平行激光传输，即可免疫，只对二面角或者倾斜敏感，光源发射端采用激光或者通过滤光片的白光点光源，经过准直透镜后照射到对面面板的平面镜反射回来到探测器；整个系统采用长焦距的卡焦系统，将平行光汇聚在探测器上，通过图像数字处理出聚焦光斑的质心位置变化，除以焦距，即可反推出角度的变化，从而通过斜率/导数可重建整个拼接的面形。在望远镜全部面板安装标定好位置后，针对具体的面板形状和支撑方案设计，此时只需要将上述实时检测到的拼接面形的变化（倾斜变化），转换成位移促动器的改正量，执行面板实时主动校正，对于残余误差或者其它误差，可以继续循环迭代闭环校正，实现观测过程中的实时校正和主动维持。

边缘传感器的设计需要考虑的主要要求：

1）焦距不能短，选择1米以上量级，同时又为了减小传感器的结构尺寸，所以采用转折光路，既保证了焦距的增加，也没有增大传感器的结构尺寸。探测精度与被测距离的焦距FL和被测角度Theta有因果关系，从而接收器的探测器需要的定位精度不超过5(μm)*1(m)/FL(m)。因此这里的FL可以选择在1米以上量级，以提高测角精度；

2）视场不能小，由于测量范围的要求以及采用平面镜过渡连接检测视场和探测器使得检测视场加倍，需要选用相对应尺寸的探测器（CCD）；

3）由于传感器的角度检测精度能达到（优于十分之一像素）0.1角秒，（1米焦距对应0.5微米，如果采用二十分之一像素的精度，则像素大小为10微米）而通常实际使用要求测角精度在1角秒量级及以下即可；

4）望远镜工作在露天环境中，存在温度的周年变化和周日变化，为了减小热变形的影响，需要对传感器的设计在温度变化下保型，精度在传感器要求之内；

5）同样，望远镜的天线和传感器也随着望远镜的指向跟踪而产生高度/姿态的变化，导致重力变形，因此也要求传感器本身结构对重力变形不敏感或者变形优于设计指标要求，保证测量精度；

6）传感器两端采用波纹管连接包装密封，使得灰尘还有刮风、雨雪、灰尘等不影响传感器的长周期使用；

7）传感器应该结构尺寸尽量小而紧凑，重量尽可能轻，因为传感器直接安装在天线面板的背面，不能影响天线正常的跟踪运行或产生附加的变形；

8）传感器整个系统要求易加工和装调，使用寿命优于3年。

边缘传感器也因为挡光、雨雪雷电等各种影响安装相邻拼接面板的背后，在面板加工的过程中，留有设计的边缘传感器安装接口，便于边缘传感器的装拆、更换和走线。边缘传感器分为两个部分：光源发射端和接受器，分别安置于相邻面板的背面，通过平行光进行光学连接；其中光源发射端为发出平行光的点源准直部分；而接收器采用位置敏感传感器PSD或者CCD，用于接受光斑的位置的改变和精确定位。靶面上接收到的圆形像斑的位置，可以通过二阶距、重心法甚至根据光斑的形状即可处理计算求得。为了防止雨雪和灰尘的进入，整个边缘传感器的两个部分，通过一个柔软的密封的套管（皮老虎）进行连接密封，并有一定的保温功能，以平稳温度变化带来的对传感器的影响（或者进行温度的补偿），或者称之为温漂Thermal Drift。整个系统需要保证一定的重量限制不能超过，比如采用轻质的材料，以避免安装传感器带来的局部变形和翘曲，需要通过分析计算和有限元模拟，影响整个反射面的拼接和天线的最终效率。

对于有些射电望远镜需要不同的工作模式，即对应不同的主动反射面的面形，边缘的差别会很大，这要求我们的边缘传感器也要具备较大的测量范围和兼备较高的测量精度。为了实现上述的大范围的测量和高精度的测量精度，边缘传感器的接收器部分采用高精度的电磁铁控制切换视场/量程或者带传感器的测量范围控制机构，实现两个高精度小测量范围的切换，以提高精度（精度与范围成反比）。这种高精度的切换控制，仅仅限制在半径方向上的变化测量，对于切向方向的测量则不需要，全部只有一种类型；而每一圈可选电磁铁控制切换的边缘传感器，也只需要同一个型号。当然内圈如果整体的总测量范围不大，可以采取不用切换测量范围的边缘传感器（同切向方向）。因此这种射电望远镜边缘传感器可以设计有两种，切向一致（单一视场，无切换），径向相同（采用切换视场）；当然径向面板拼接过程中，内部视场较小，也可以局部部分采用切向类型。为了在安装初期能够实现上述要求，接收器需要有一定的测量范围，并在安装时刻可以手动调节进视场。整个机构和系统，可以方便实现在面板背后更换、安装、调节和走线。

由于存在法线测量的误差传递过程中存在径向多圈误差积累（斜率积分方法的误差）的放大效应，因此接收器的径向探测或者测角精度要比上述切向的要求更高。为了实现更高的定位精度，满足最严格的要求，拟采用CCD或PSD来进行测量。通常CCD能获得优于1/10的像素定位精度，对应约0.5微米，比位置敏感探测器PSD更高，只是PSD视场更大，结构L更长。也就是说，如果选择同样的结构长度L，则CCD系统精度更高，但视场更小，PSD则相反。这就需要在视场、精度、结构长度、重量四者之间作一个妥协或者优化，以满足边缘传感器系统的要求，为了保证精度，优先选择商用小CCD，通过电磁铁切换量程。

本发明通过利用光学反射原理和图像处理技术实现主动调整反射面板，使射电望远镜天线处于最佳的工作状态。作为未来大射电望远镜的关键技术之一，可以应用于我国射电望远镜的建造和升级改造，具有广泛的应用价值。采用转折光路，既保证了焦距的增加，也没有增大传感器的结构尺寸。本发明发射端和接收端共用相同的光路，不仅简化了系统的结构，更重要的是消除了不同光路带来的误差，大大提高了传感器的系统精度。采用平行光传输连接，只对二面角或者倾斜敏感，光源发射端采用激光或者通过滤光片的白光点光源，经过准直透镜后照射到对面面板的平面镜反射回来到探测器接收。边缘传感器的接收器部分（靶面）采用高精度的电磁铁控制切换视场/量程或者带传感器的测量范围控制机构，切换射电望远镜需要不同的工作模式或者实现大范围的高精度测量，可实现两个高精度小测量范围的切换，进行不同范围的测量，完成整个射电望远镜的实时闭环校正。直接在天线面板背面安装传感器和平面镜监测相对位置的变化，是最直接和精确和可靠的，避免了由于安装在天线其它部位带来的支撑桁架输出节点位置变化或者促动器连接部分的变化、空回、温度及热变形等带来的间接测量的误差。

附图说明

图1为边缘传感器的光路设计原理图；

图2为边缘传感器安装示意图；

图3为光斑测量轮廓参考图；

图4-1、图4-2为像斑求质心定位计算原理示意图；

图5为主动反射面维持闭环控制原理图。

具体实施方式

实施例1，射电天文望远镜反射面边缘位移传感器，进行图1中的边缘传感器的光学设计，采用卡式系统，通过转折光路，增加焦距，双反射设计消除色差；发射端（点光源）2和接收端（靶面）1共用光路，安置在一块面板边缘，另外一块面板放置平面反射镜M，两个面板之间通过平行光连接，组成一个完整的边缘传感器系统；传感器发射端（点光源）经过准直发出的平行光，经过另外一块面板上的平面反射镜反射回来被接受端（靶面）接收，记录下像点（参考图3的光斑轮廓）位置的变化；通过图像处理（参考图4-1、图4-2）来求得像斑质心位置，与原来定标好的质心位置比较，可以得到相邻面板的倾斜误差；利用数学方法可以推导出面板的面形的精度以及需要校正该面形精度的支撑点位移促动器的改正量；对整个天线的所有面板进行同样的工作，就可以完成整个射电望远镜的实时闭环校正。

实施例2，与实施例1基本相同，为了切换射电望远镜需要不同的工作模式或者实现大范围的高精度测量，上述步骤（2）边缘传感器的接收器部分（靶面）采用高精度的电磁铁控制切换视场/量程或者带传感器的测量范围控制机构，实现两个高精度小测量范围的切换，进行不同范围的测量，完成整个射电望远镜的实时闭环校正。

Claims (10)

1.一种基于主动反射面的射电望远镜边缘传感器光学检测系统，设置在射电望远镜的主动反射面板上，其特征在于，由边缘传感器、平面反射镜、检测光线的发射端和接收端，及做图像处理的电脑组成，将整个主动反射面板中的子面板分成相邻的每两块为一组，所述边缘传感器设置在其中一块子面板的背面边缘，平面反射镜设置在同组中另一块子面板上；边缘传感器上的发射端点发射检测光线；该两块子面板之间通过检测光线连接；检测光线经平面反射镜反射被接收端接收，再传给做图像处理的电脑，该电脑的输出接各个位移促动器。

2.根据权利要求1所述的基于主动反射面的射电望远镜边缘传感器光学检测系统，其特征在于，边缘传感器上的发射端点发射检测光线，经过准直透镜后照射到对面被检测面板的平面镜反射回来到探测器。

3.根据权利要求1所述的基于主动反射面的射电望远镜边缘传感器光学检测系统，其特征在于，所述边缘传感器的接收端采用PSD或者CCD。

4.根据权利要求1所述的基于主动反射面的射电望远镜边缘传感器光学检测系统，其特征在于，接收器的探测器需要的定位精度不超过5(μm)*1(m)/FL(m)；这里的FL选择在1米以上量级，；测角精度在1角秒量级及以下。

5.根据权利要求1所述的基于主动反射面的射电望远镜边缘传感器光学检测系统，其特征在于，传感器两端采用波纹管连接包装密封；整个边缘传感器的两个部分，通过一个柔软的密封的套管进行连接密封。

6.根据权利要求1所述的基于主动反射面的射电望远镜边缘传感器光学检测系统，其特征在于，所述边缘传感器的接收器端采用高精度的电磁铁控制切换视场/量程或者带传感器的测量范围控制机构，实现两个高精度小测量范围的切换，进行不同范围的测量，完成整个射电望远镜的实时闭环校正。

7.根据权利要求1-6之一所述的基于主动反射面的射电望远镜边缘传感器光学检测系统，其特征在于，在面板加工的过程中，留有设计的边缘传感器安装接口，便于边缘传感器的装拆、更换和走线。

8.权利要求1所述的基于主动反射面的射电望远镜边缘传感器光学检测系统的共相检测方法，其特征在于，步骤如下：

(1). 设计边缘传感器的光学系统，采用卡式系统，通过转折光路，增加焦距，双反射设计消除色差；

⑵. 发射端和接收端共用光路，另外一块面板放置平面反射镜M，用于反射平行光，两个面板之间通过平行光连接，面板之间的Piston不影响倾斜测量的结果；

⑶. 在一块主动反射面板的背面边缘安置边缘传感器，在相邻的另一块面板上正对放置平面反射镜，完成一套边缘传感器的安装，如此完成所有反射面板上的安装；

⑷. 传感器发射端点光源经过准直发出的平行光，经过另外一块面板上的平面反射镜反射回来被接受端接收，记录下像点位置的变化，通过图像处理来获得相邻面板的角度偏差数据；

⑸. 利用数学方法直接推到出所有面板的位置偏差、整个拼接天线的面形的精度以及需要校正该面形精度所需要的支撑点位移促动器的改正量；

(6). 步骤⑸计算出改正量以后，将上述实时检测到的拼接面形的变化（倾斜变化），转换成位移促动器的改正量，执行面板实时主动校正，对于残余误差或者其它误差，可以继续循环迭代闭环校正，实现观测过程中的实时校正和主动维持。

9.根据权利要求7所述的基于主动反射面的射电望远镜边缘传感器光学检测系统的共相检测方法，其特征在于，步骤⑸中所述的数学方法，是通过图像数字处理出聚焦光斑的质心位置变化，除以焦距，即可反推出角度的变化，从而通过斜率/导数可重建整个拼接的面形。

10.权利要求8或9所述的基于主动反射面的射电望远镜边缘传感器光学检测系统的共相检测方法，其特征在于，靶面上接收到的圆形像斑的位置，是通过二阶距、重心法甚至根据光斑的形状处理计算求得。