CN109873253B - 基于轴向增益测量的主动反射面面形调整方法 - Google Patents

Abstract

基于轴向增益测量的主动反射面面形调整方法，该方法通过主动面系统中的促动器网络对反射面面形施加一系列微扰，并在扰动过程中测量天线轴向增益的变化。该方法提出以定义于天线口面上的一组正交基函数为扰动模式逐一对面形进行扰动，在每一种扰动模式下，记录天线轴向增益随扰动量变化的曲线，并从中拟合各扰动模式下的最优调整量。通过一系列的扰动、测量和调整过程，最终可使天线增益达到极大值，面形误差达到极小值。该方法对探测器要求低，可使用单像元功率探测器，在望远镜运行过程中可直接利用科学接收机和天文点源目标频繁地开展面形测量和调整，从而使得望远镜在运行过程中的观测效率得以保持。

Description

基于轴向增益测量的主动反射面面形调整方法

技术领域

本发明涉及一种基于轴向增益测量的主动反射面面形调整方法，主要应用于大型射电望远镜。

背景技术

对于反射面天线形式的射电望远镜而言，反射面的面形精度是重要的性能指标，它直接决定了望远镜可以工作的最高频段以及观测效率。现代大型射电望远镜的主反射面通常由较小尺寸的面板拼接而成，这些面板通过位移促动器实现支撑和主动位置调整，最终拼接成所需的大口径反射面。这样的反射面形式又被称为主动反射面或主动面系统，主动面系统虽然降低了反射面加工难度和成本，但对于工作在毫米波和亚毫米波波段的大口径射电望远镜而言，需要将成百上千块米级尺寸的面板调整到各自理想的位置上，允许的最大偏差通常要求小于0.02～0.05毫米，具有极高的技术挑战性。另一方面，在望远镜运行过程中，重力及温度变化等外部载荷引起的天线结构变形会导致反射面面形偏离理想曲面，需要利用主动面系统对面形变化进行实时调整和补偿。

传统的反射面调整方法是首先利用全站仪或数字摄影测量系统对反射面的三维坐标进行采样，通过拟合得到其偏离理想面形的误差分布，再通过最小二乘算法计算得到每个位移促动器的最优调整量。对于具有较高精度要求的毫米波、亚毫米波望远镜而言，上述测量和调整方法通常不能完全满足其面形精度的指标要求，需要在此基础上继续开展射电全息测量，获取口面场的波前误差分布，并进而解算得到每个促动器的精调位移量。射电全息测量是一种应用广泛的天线测量手段，具有高精度和高空间分辨率的优点，但同时在应用中也存在一定的局限性。例如，射电全息测量需要一个相干信号源作为信标，并且在望远镜上配备专用的全息接收机以及提供相位参考的参考天线或喇叭，因此该方法主要用于天线装调阶段，而无法在望远镜运行过程中直接利用科学接收机进行面形测量。此外，参考相位漂移以及参考天线相位方向图测量误差等因素会引入系统测量偏差，影响最终面形调整精度。

发明内容

本发明针对高精度射电望远镜面形测量和调整的需求以及上述传统测量方法存在的局限性，提供一种基于轴向增益测量的主动反射面面形调整方法。该方法以一系列正交基函数为扰动模式对反射面面形进行微扰，在扰动过程中记录天线轴向增益的变化曲线，并从中拟合各扰动模式下的最优调整量。通过一系列的扰动、测量和调整过程，最终可使天线增益达到极大值，面形误差达到极小值。该方法的主要优点是对探测器要求低，可使用单像元功率探测器，在望远镜运行过程中可直接利用科学接收机和天文点源目标频繁地开展面形测量和调整，从而使得望远镜在运行过程中的观测效率得以保持。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于轴向增益测量的主动反射面面形调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、预先计算理想反射面的增益-扰动曲线；

步骤二、施加面形扰动，测量扰动后的天线轴向增益，测量后再恢复扰动前的面形状态；

步骤三、改变扰动量，重复步骤二，得到天线增益随扰动量变化曲线的采样样本；

步骤四、拟合最优扰动量；

步骤五、对反射面施加最优扰动，使得面形误差中与该扰动模式对应的分量达到最小；

步骤六、改变扰动模式，重复步骤二到步骤五，最终得到的反射面面形误差对所有扰动模式达到极小值，天线增益达到极大值。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述步骤一中，选择一组定义于反射面口面的正交或准正交基函数f_i(x,y),i＝1,...,N为扰动模式，N表示基函数数目，对每个基函数逐一计算理想面形下的增益随扰动量变化曲线

进一步地，所述步骤二中，以f_i(x,y)为扰动模式，

为对反射面形进行扰动的扰动量，测量扰动后的天线轴向增益

测量后再恢复扰动前的面形状态。

进一步地，所述步骤三中，以不同的扰动量

重复步骤二N_s次，并确保

均匀分布在[-γ_max,γ_max]的范围内，[-γ_max,γ_max]表示最大扰动范围；通过该步骤，得到天线增益随扰动量变化曲线的采样样本

对测量样本进行归一化得到：

进一步地，所述步骤四中，通过拟合算法求出使得以下目标函数达到极小值的最优扰动量

进一步地，所述步骤五中，对反射面施加面形调整量

使得面形误差中与该扰动模式对应的分量达到最小。

进一步地，所述步骤六中，以不同的扰动模式f_i(x,y),i＝1,...,N重复步骤二到步骤五共N次，最终得到的反射面面形误差对所有扰动模式达到极小值，天线增益达到极大值。

如有必要，上述步骤可以重复多次，以获得更高的调整精度。

本发明的有益效果是：

1、只对天线轴向增益进行测量，因此可使用单像元探测器。

2、测量基于非相干探测原理，因此可使用幅度或功率探测器，信标源可利用天文点源目标(如行星等)。

3、该方法可在望远镜运行过程中直接利用科学接收机和天文点源目标频繁地开展面形测量和调整，从而保证望远镜在运行过程中的观测效率。

4、该方法仅适用于主动面天线，即可以通过促动器网络对面形施加主动变形或扰动的反射面天线。

5、该方法对探测器在望远镜上的位置没有特殊限制，无论是主焦还是卡焦探测器都可以用来进行增益测量。

6、用于增益测量的信标源既可以位于天线的远场区，也可以位于近场区。如果位于近场区，需要在调整完成后对最终面形进行近场效应修正。

7、扰动模式既可以是定义于全口面上的全局函数(例如Zernike函数)，也可以是定义于单块面板上的局部函数(例如各面板促动器的逐一轴向扰动)。不同的扰动模式可以适应不同的信噪比要求以及面形调整空间分辨率要求。

8、在20dB信噪比以及低空间分辨率(Zernike阶数<35)的条件下，采用该方法可以获得均方根误差小于1/100波长的最终面形调整精度。

附图说明

图1是本发明的技术流程图。

图2a是低阶面形误差调整实验结果的初始面形误差分布图。

图2b是低阶面形误差调整实验结果的最终面形误差分布图。

图3a是面板随机装配误差调整实验结果的初始面形误差分布图。

图3b是面板随机装配误差调整实验结果的最终面形误差分布图。

图4a是低阶面形误差调整实验的天线归一化增益变化曲线。

图4b是面板随机装配误差调整实验的天线归一化增益变化曲线。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

应用本发明提出的如图1所示的基于轴向增益测量的主动反射面面形调整方法，对一台1.2米口径的亚毫米波天线的主反射面面形进行了调整。该天线采用卡塞格林双反射面系统，其中主反射面为焦比0.4的旋转抛物面，由六块碳纤维复合材料构成的面板拼接而成，每块面板由3个位移促动器支撑并实现精确定位。增益测量所需的信标源由一个3mm波段的人工倍频信号源产生，该信号源架设在距离天线26.6米处的山坡上，天线轴线指向信号源并与水平方向成约10度仰角。探测器采用单像元肖特基混频接收机，位于天线卡焦上。为了验证该方法对噪声的不敏感性，对信号源的发射功率进行了衰减，使得增益测量时的探测信噪比降低至20dB左右。由于信号源位于天线近场区域，调整完成后还需对反射面最终面形进行近场效应修正。

以该天线为实验平台，分别开展了两组面形调整演示实验：1)利用低阶Zernike函数来校正由重力和温度变形等引起的低阶面形误差；2)利用单个促动器逐一轴向扰动的方式来校正面板随机装配误差(平移和倾斜等)。在调整过程中，除了记录天线轴向增益的变化外，还利用高精度数字摄影测量系统对调整前和调整后的面形误差进行了比对测量。在第一组调整实验中，经过三轮调整后，天线主反射面的均方根面形误差由初始值365.9μm(1/8波长)降低到最终的23.1μm(<1/100波长)，利用摄影测量得到的初始和最终面形误差分布如图2a、2b所示。在第二组调整实验中，经过三轮调整，均方根面形误差由初始值296.2μm(1/10波长)降低到最终的24.7μm(<1/100波长)，初始和最终面形误差分布如图3a、3b所示。在两组调整实验中，天线归一化增益的变化如图4a、4b所示。从图中可以看出，天线增益均呈现单调增长，三轮调整结束后，天线增益(相对于理想反射面)均达到0.95以上。两组调整实验的结果表明，本专利提出的方法具有较好的实际应用效果，有望在各类主动反射面天线上实现高精度面形调整和维持。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于轴向增益测量的主动反射面面形调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、预先计算理想反射面的增益-扰动曲线；

步骤二、施加面形扰动，测量扰动后的天线轴向增益，测量后再恢复扰动前的面形状态；

步骤三、改变扰动量，重复步骤二，得到天线增益随扰动量变化曲线的采样样本；

步骤四、拟合最优扰动量；

步骤五、对反射面施加最优扰动，使得面形误差中与该扰动模式对应的分量达到最小；

步骤六、改变扰动模式，重复步骤二到步骤五，最终得到的反射面面形误差对所有扰动模式达到极小值，天线增益达到极大值。

2.如权利要求1所述的基于轴向增益测量的主动反射面面形调整方法，其特征在于：所述步骤一中，选择一组定义于反射面口面的正交或准正交基函数f_i(x,y),i＝1,...,N为扰动模式，N表示基函数数目，对每个基函数逐一计算理想面形下的增益随扰动量变化曲线

3.如权利要求2所述的基于轴向增益测量的主动反射面面形调整方法，其特征在于：所述步骤二中，以f_i(x,y)为扰动模式，

为对反射面形进行扰动的扰动量，测量扰动后的天线轴向增益

测量后再恢复扰动前的面形状态。

4.如权利要求3所述的基于轴向增益测量的主动反射面面形调整方法，其特征在于：所述步骤三中，以不同的扰动量

重复步骤二N_s次，并确保

均匀分布在[-γ_max,γ_max]的范围内，[-γ_max,γ_max]表示最大扰动范围；通过该步骤，得到天线增益随扰动量变化曲线的采样样本

对测量样本进行归一化得到：

5.如权利要求4所述的基于轴向增益测量的主动反射面面形调整方法，其特征在于：所述步骤四中，通过拟合算法求出使得以下目标函数达到极小值的最优扰动量

6.如权利要求5所述的基于轴向增益测量的主动反射面面形调整方法，其特征在于：所述步骤五中，对反射面施加面形调整量

使得面形误差中与该扰动模式对应的分量达到最小。

7.如权利要求6所述的基于轴向增益测量的主动反射面面形调整方法，其特征在于：所述步骤六中，以不同的扰动模式f_i(x,y),i＝1,...,N重复步骤二到步骤五共N次，最终得到的反射面面形误差对所有扰动模式达到极小值，天线增益达到极大值。

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