CN1156057C - 移动式亚毫米波望远镜 - Google Patents

Abstract

移动式亚毫米波望远镜，由天线、信号接收系统、控制系统与信号处理系统组成，其特征是：天线采用离轴卡塞格林设计，同时配备有小型GPS接收机。望远镜的主要部件采用模块化设计，分别集成到不同的模块里：接收机设置在天线下面的箱子里，接收机的电源和后端在天线旁边的一个箱子里。本申请提供了一种能够随时移动，并且使用方便的亚毫米波射电望远镜的设计，可以满足天文台选址等工作的需要。

Description

移动式亚毫米波望远镜

技术领域

本发明涉及一种射电天文望远镜，特别是一种移动式亚毫米波望远镜。

背景技术

射电天文望远镜是射电天文学主要的研究工具，主要由天线、信号接收系统、控制系统与信号处理系统组成。其工作的频率范围一般在毫米波段或亚毫米波段。国际上覆盖492GHz频率范围的亚毫米波望远镜使用普遍，有相当多的文献对此进行报道。但是在国内如此高的频率的射电望远镜尚未开发。国内、外的射电望远镜均是固定在一个地点工作，无法做频繁的移动。而很多工作，例如天文台的选址工作，需要配置可以移动的、工作在492GHz的亚毫米波望远镜，这需要将原有射电望远镜的体积与重量作大幅度地减小，同时又要保证其工作的稳定性，信号传输的可靠性，有时，其工作电源也需要妥善解决。现有技术中还没有这种望远镜。

发明内容

本发明的任务是提供一种移动式的亚毫米波望远镜，该设计应便于移动，所以体积要小，重量要轻，结构要紧凑，坚固，而且工作需要十分可靠。

为了完成上述任务，我们在设计上尽可能紧凑，减轻一切可能减轻的重量。其方案是：移动式亚毫米波望远镜，由天线、信号接收系统、控制系统与信号处理系统组成。其特征是：天线采用离轴卡塞格林设计，同时配备有小型GPS接收机。进一步优化的方案有以下几点：1、望远镜的主要部件采用模块化设计，分别集成到不同的模块里：接收机设置在天线下面的箱子里，接收机的电源和后端在天线旁边的一个箱子里。2、天线的方位和俯仰采用交流伺服加谐波齿轮变速电机和脉宽调制控制器，方位轴采用涡杆传动，俯仰轴直接驱动。3、控制系统的指向和跟踪采用位置反馈闭环控制方式，反馈信号由增量码盘的输出产生，计算机给出天体的瞬时坐标并通过GPIB接口控制两轴的位置，并由光学传感器给出坐标零点。4、在电波传播的途径中，设有一个只可透过电磁波而能有效隔绝热辐射、灰尘等的透明的薄膜。这个薄膜的尺寸为一个直径为6-7cm的圆，和光路传输的路径成45°角放置。5、设有环境监测系统：环境监测系统采集基本气象参数，包括温度，湿度，气压等并加以记录。这些参数是望远镜运行的重要参考，在进行亚毫米波天文台址测量中也作为基本参数。这里所说的离轴卡塞格林设计的天线，有效口径为30cm，采用双反射离轴式卡塞格林天线结构，无副镜遮挡并优化至圆波束，达到最大的口面效率并抑制通常由于遮挡引起的天线方向图旁瓣成份。

本项目是紫金山天文台与日本国立天文台合作进行的项目，本申请提供了能够满足随时移动、方便使用的射电望远镜设计。天线采用了双离轴加库德焦点设计，有如下优越效果：a.可以得到一个圆形的对称的波束分布；b.可以消除副镜的遮挡效应，降低副瓣电平，使得波束效率提高；c.可以把交叉极化电平降到最低；d.可以使天线结构紧凑，减少重量。在电波传播的途径中设计的只可透过电磁波而能有效隔绝热辐射、灰尘等的透明的薄膜可以让进入接收机系统的电磁波更加纯净一些，同时有利于恒定接收机内部的温度和保持清洁。这个薄膜的作用相当于一个隔热防尘滤波器，只是放置的位置是在光路传播的途径中。这个设计和以前的设计不太一样，一般别的望远镜不会有这样的设计。出于移动要求，望远镜配备了小型GPS接收机，提供UTC和观测地点的地理经纬度。天线的重量小于30公斤。进行亚毫米波天文台址的定量测量以及进行银河系大尺度中性碳原子亚毫米波谱线巡天。POST结构上采用了GPS加模块(箱式)系统结构；GPS可以准确地测定当地的经纬度和海拔，时间；模块化设计把望远镜的主要的部件都集成到了不同的模块里，用几个箱子就可以方便的搬运至不同的地方。天线和接收机是一个箱子，天线露在外面，接收机在天线下面的箱子里；接收机的电源和后端在天线旁边的一个箱子里；剩下的频谱仪、记录仪、电脑(包括控制板)都是仪器了，也很容易搬运。因此可以把POST方便地运送到不同的地方，很快就能采集必要的数据精确进行宇宙射电源的观测。

附图说明

现结合附图与实施例作进一步说明。

图1为实施例1移动式亚毫米波望远镜系统配置图；

图2为实施例中天线双离轴卡焦系统加库德焦点设计示意图；

图3为天线结构示意图。

具体实施方式

实施例1：参照图1、图2、图3：POST天线采用了双离轴卡焦系统加库德焦点设计。天线结构如下，天线由两个镜子组成，主镜抛物面型，副镜双曲面型，这两个镜子是共焦的，共同的焦点作为坐标的原点，所谓“双离轴”是指：a.在x轴方向上两个镜子是交错的，没有重叠，这是最常用的离轴式结构；b.两个镜子的轴线在z轴方向上是错开的，有一个夹角β；这种样式的离轴是本设计中独有的；所谓“库德式焦点”一般是在光学望远镜系统中采用的，是指一种折叠光线的技术。由于电波在频率很高时传播已经具有了光线传播的性质，因此在此望远镜的设计中，当电波从副镜反射下来时应用了两个平面镜来反射电波，这样就改变了电波的传播路径，使得望远镜的天线部分结构紧凑。图中的α是副镜的中点和Z-Y平面所成的角；θm是主镜的中点--原点连线和Z-Y平面所成的角；φ是主镜的中点--原点连线和主镜的边缘--原点连线所成的角；所有的角度经过计算机拟合优化，以决定两个镜子的形状。望远镜计划工作到809GHz，据此，天线面精度理论上要求达到15微米以下。实测的表面精度为7微米(rms值)。天线采用地平式装置和内置绕线，既保证指向和跟踪的精度并使系统结构紧凑，也能使接收机保持固定位置以保证运转平稳。交流伺服加谐波齿轮变速电机和脉宽调制控制器可以保证天线能够全天指向和跟踪。在天线上附有小型CCD照相机，用光学方法校准望远镜指向。控制系统：控制系统的硬件基于S-Bus总线。根据硬件各部分数据传输的不同需要分别采用GPIB、RS-422、RS-232等工业标准接口。为满足望远镜移动的要求，控制系统选用了基于单台计算机的实时多任务集中式控制模式。软件以UNIX类实时多任务(进程)操作系统Solaris 1.3为工作平台，ANSI C为编程语言。根据操作方式的不同，进程可分为前、后台进程；根据在内存中驻留的方式可分为永久进程和暂存进程。在进程之间运用了共享内存和信号通讯方式交换数据和控制信息。软件提供了亚毫米波谱线观测所需的全部功能和系统维护的各种检测功能。接收机系统：接收机工作频率为492GHz，采用常温工作肖特基混频器和双边带模式。混频器采用的是常温势垒二极管结构，中频信号为1.4GHz，带宽为600MHz。接收机信号为下边带工作，耿氏振荡器的工作频率为493.6GHz，本振在闭环锁相控制下达到10^-6的频率稳定性并能够进行频率跟踪。采用了低损耗准光学系统将天线信号与接收机相偶合。后端具备总功率和谱线观测两种模式。接收机系统的噪声温度实验室测定为1400K(DSB)，实际观测时包括天线和准光学系统的噪声贡献在内的整个系统噪声温度为2000-3000K(DSB)。环境监测系统：环境监测系统采集基本气象参数，包括温度，湿度，气压等并加以记录。这些参数是望远镜运行的重要参考，在进行亚毫米波天文台址测量中也作为基本参数。

Claims (6)

1、一种移动式亚毫米波望远镜，由天线、信号接收系统、控制系统与信号处理系统组成，其特征是：天线采用离轴卡塞格林设计，同时配备有小型GPS接收机。

2、按照权利要求1所述的移动式亚毫米波望远镜，其特征是：望远镜的主要部件采用模块化设计，分别集成到不同的模块里：接收机设置在天线下面的箱子里，接收机的电源和后端在天线旁边的一个箱子里。

3、按照权利要求1或2所述的移动式亚毫米波望远镜，其特征是：天线的方位和俯仰采用了交流伺服加谐波齿轮变速电机和脉宽调制控制器，方位轴采用涡杆传动，俯仰轴直接驱动。

4、按照权利要求3所述的移动式亚毫米波望远镜，其特征是：控制系统的指向和跟踪采用位置反馈闭环控制方式，反馈信号由增量码盘的输出产生，计算机给出天体的瞬时坐标并通过GPIB接口控制两轴的位置，并由光学传感器给出坐标零点。

5、按照权利要求1或2所述的移动式亚毫米波望远镜，其特征是：在电波传播的途径中，设有一个只对电磁波透明而能有效隔绝热辐射、灰尘等的透明的薄膜，薄膜为一个圆，和光路传输的路径成45°角放置。

6、按照权利要求4所述的移动式亚毫米波望远镜，其特征是：在电波传播的途径中，设有一个只对电磁波透明而能有效隔绝热辐射、灰尘等的透明的薄膜，薄膜为一个圆，和光路传输的路径成45°角放置。