斜轴式望远镜动力学建模与鲁棒控制

斜轴式望远镜是一种新颖的望远镜结构,其独特的结构设计更适合南极等极端气候环境,但目前国内外缺乏针对斜轴式望远镜详细的动力学建模与控制研究.提出一套斜轴式望远镜动力学建模与鲁棒控制方法,首先,对斜轴式望远镜进行了动力学分析,采用拉格朗日法建立望远镜2自由度刚体模型;接着,结合望远镜驱动系统的柔性和所受干扰,完成了斜轴式望远镜的干扰情况下刚柔耦合系统数学模型的推导;然后,针对抗干扰问题,根据所建数学模型,设计了基于干扰观测器的滑模控制器,对于所受干扰进行抑制,实现了斜轴式望远镜的鲁棒控制;最后,仿真结果显示,在考虑模型的非线性外部干扰的情况下,相比于传统的比例-积分-微分控制器,基于干扰观测器的滑模控制器使得系统具有更好的动态性能和抗干扰特性.

德令哈13.7m望远镜重力变形研究

借助于数字摄影测量结果调整天线面板,使德令哈13.7 m望远镜在仰角52°时获得最佳反射面面形,从而使天线效率在观测仰角范围内得到整体优化.与之前基于经纬仪测量的面板调整结果相比,天线口径效率提高约1倍.依据不同俯仰姿态下的测量结果,得到了天线的重力变形模型,包括副面偏移和倾斜、主面焦距和面形偏差随仰角变化的规律.根据不同仰角的面形偏差测量数据反演反射面重力变形模型时,采用了数据拟合方法,这样可以减小测量误差对模型精度的影响.

用于折射率仪的高Q腔谐振频率跟踪系统

提出了一种用于折射率仪的采用方波调制的微波高Q腔谐振频率跟踪系统，分析了其工作原理。计算机仿真结果表明，系统跟踪速度快，稳定性好，无稳态误差；在小型微波折射率仪中的应用结果表明，作为系统输出的VCO频率对高Q腔谐振频率的跟踪灵敏度优于5×10-8f0（f0为高Q腔谐振频率）。

用分段累加相关法实现数字相敏检测

提出了一种数字化相敏检测新算法——分段相关累加法，给出了算法的频率响应公式，分析了不同分段数时该算法对谐波和噪声的抑制作用。最后还给出了实现该方法的微处理器结构。

基于数字摄影测量技术的高精度低温面形测量

受到检测设备工作温度条件的限制,目前低温环境下的高精度面形检测手段还十分缺乏.首次将数字摄影测量技术应用于低温环境下高精度太赫兹反射面板的面形检测,采用高分辨率工业相机,结合低温电机驱动的自动测试台,实现测量设备在低温环境实验舱中的自动化拍摄,低温环境下的重复测量精度达到2.1μm rms.利用三坐标测量仪在常温下对靶标厚度进行标定,从而消除了由靶标厚度差异造成的系统测量误差.在常温至-55?C的温度范围内测量了南极5米太赫兹望远镜(DATE5)铝制原型面板的面形误差,获得了面板在低温下的面形变化规律.

斜轴式天文望远镜运动特性研究

相对于传统地平式或赤道式望远镜,斜轴式天文望远镜因其独特的机架结构形式更加适应例如南极等的极端台址环境.但由于这种望远镜形式的应用较少,针对其运动特性的研究还比较缺乏.首先详细讨论了斜轴式望远镜的优缺点,推导了斜轴坐标系与地平和赤道坐标系之间的坐标变换关系,在此基础上研究了斜轴式望远镜在进行恒星跟踪时的运动特性,并与地平式望远镜进行了比较.另外,还研究了斜轴式望远镜的像场旋转特性,并分析了像旋对望远镜天线全息测量的影响.最后,还针对斜轴式望远镜的特点,推导了一套包含7个误差项的指向误差改正模型.

德令哈13.7m望远镜热变形研究

热变形是影响大型毫米波天线性能的关键因素之一.这种变形会改变天线反射面的轴线和焦距、恶化反射面面形,导致天线效率和指向精度恶化,同时也使天线效率和指向的长时间稳定性降低.由于太阳的周日运动,造成望远镜4个主支撑腿(简称支腿)之间存在温差,且该温差是变化的,从而引起方位轴的倾斜周期性变化.采用数字摄影测量、倾斜仪测量及天文实测等多种仪器和方法,研究了德令哈13.7m望远镜天线的热变形规律,并根据实时测量的主面温度分布,实现了副面自适应调焦补偿,使得天线效率提高近1倍.测量发现常规指向模型修正后的残差与天线主反射面(包括反射面板和背架,简称主面)直径方向温差存在线性相关性,故在指向解析模型中加入了温差修正项,并通过采用隔热材料包裹支腿的办法显著减小了支腿之间的温差,从而改善了望远镜的指向精度.

基于数字摄影测量技术的13.7m毫米波天线面形检测

将工业数字摄影测量技术首次应用于13.7 m毫米波射电望远镜天线的面形精度检测中.为克服现场条件的限制,在测量中使用环形轨道输送相机,采用无线传输的方式进行现场摄影.采用回光材料制作人工的标志,利用编码标志完成摄站的自动定向和同名点匹配,用光束法平差的方法解算点的3D坐标.利用CAD面形转换法和自由拟合法计算面形偏差,最终480个调整点的面形CAD拟合后的偏差调整到了0.083 mm.验证了摄影测量在射电天文天线测量中的可行性和优越性.

德令哈13.7 m望远镜接收机抗射频干扰研究

在天文观测中,射频干扰会造成假谱,降低数据的可靠性和有效性.射频干扰消减旨在减少干扰信号对射电天文观测的影响,包含器件方面的技术革新和数据处理领域的方法研究.针对德令哈13.7m望远镜接收机中频部分引入的射频干扰,通过优化中频器件的抗射频干扰能力,提高了接收机的整体抗射频干扰能力,以主动消除方法来减少射频干扰耦合到接收机内部.分析了接收机干扰的传输路径,提出了器件射频干扰的直接耦合系数和器件射频干扰的系统耦合系数的概念,为定位干扰敏感器件并量化干扰引入比重提供了基础.经过抗射频干扰优化后,接收机抗干扰能力改善30dB左右,望远镜的天文观测效率提高10%以上.

基于光学辅助指向测量的太赫兹望远镜指向误差模型研究

针对太赫兹波段天文点源目标较少,指向测量相对困难的特点,研究了利用与太赫兹天线共轴的小型光学望远镜来辅助太赫兹望远镜指向测量以及建立指向误差修正模型的方法.依托紫金山天文台1.2 m斜轴式太赫兹天线开展了光学辅助指向测量的实验研究,利用一台安装在天线背架上的100 mm口径折射式光学望远镜获得了优于2′′的指向测量精度.此外,通过对斜轴天线的结构分析以及大气折射和本地恒星时(Local Sidereal Time,LST)偏差等误差来源的分析,建立了包含23个误差项的斜轴式光学指向修正模型,实现了约3′′的拟合精度.最后,借助高精度数字摄影测量对光电轴一致性进行了标定,并针对其对指向模型精度的影响进行了讨论.研究成果将为南极5 m太赫兹望远镜(The 5 m Dome A Terahertz Explorer,DATE5)及其他太赫兹望远镜提供指向测量和指向修正模型方面的技术参考.

斜轴式太赫兹天线的卡焦近场全息测量研究

天线反射面的面形精度直接影响天线效率,是望远镜的关键指标之一.近场射电全息具有测量精度高,便捷高效的优点,是毫米波和亚毫米波射电望远镜面形检测最为常用的方法之一,卡焦近场全息可以完整测量望远镜光路中整体的面形误差.斜轴式机架结构能够更好地适应太赫兹望远镜在极端台址环境下的整体保温和热控需求,但斜轴天线特殊的转动特性会在近场全息测量过程中引入额外的系统误差.针对斜轴式天线的卡焦近场全息测量,分析了数据处理中需要额外考虑的参考路接收机位置和副面衍射的影响,并在1.2 m口径斜轴式太赫兹天线上开展了测量实验.实验结果表明,卡焦近场全息测量的重复测量精度优于2.0μm RMS(Root Mean Square),面形误差分布与摄影测量所得结果一致,验证了误差分析与修正的正确性.

边带分离型超导SIS接收机本振耦合噪声研究

超导SIS (Superconductor-Insulator-Superconductor)接收机因极低的接收机噪声温度成为毫米波和亚毫米波段射电天文观测的首选.本振系统耦合噪声也是接收机噪声的一部分,在多年的天文观测中,发现本振耦合噪声无法完全忽略,对天文观测的灵敏度有一定影响.采用两个不同种类的信号发生器作为本振系统初级信号源,测试了超导SIS接收机的噪声温度,发现信号发生器输出的基底噪声能够耦合到接收机内部,从而增加接收机噪声强度.分析研究了本振系统热噪声和信号发生器基底噪声对接收机噪声的影响.通过在信号发生器输入端加入窄带滤波器滤除其基底噪声,消除了信号发生器基底噪声引入的接收机噪声,降低了接收机的整体噪声,提高了望远镜的灵敏度.

德令哈13.7m望远镜多波束接收机的运行

德令哈13.7 m望远镜是中国最重要的射电望远镜之一.望远镜自安装超导成像频谱仪以及采用飞行观测模式以来,运行近10 yr.在此期间,望远镜开展并完成大量的天文观测,累积了巨量的天文数据,取得了一系列重要的科研成果.介绍了超导成像频谱仪在天文观测中的运行状态,运行中疑难问题、故障现象及解决方案.详述了超导成像频谱仪各方面性能测试及多年来的性能分析,包含接收机噪声温度及望远镜系统噪声温度、镜像抑制比、接收机稳定性、波束性能等方面.列举了超导成像频谱仪更新发展方面的工作,包含本振功率自动化调整、边带分离型超导混频器预放大电路的更新、控制程序的优化等.总结经验和规律,承前启后,将过去的超导成像频谱仪的维护运行经验应用到之后新一代大规模接收机系统中.

南极5 m太赫兹望远镜指向与调焦校准精度分析

指向校准与副面调焦是天线测量的重要组成部分,对射电望远镜实际的观测性能有重要影响.根据南极5 m太赫兹望远镜(DATE5)指向精度和离焦增益损失的指标要求,计算得到了指向校准与副面调焦观测过程中对信噪比的要求,并以此为依据选取了若干可行的候选校准源,包括太阳系行星和超致密电离氢区.分析了大气吸收和校准源角直径对测量精度的影响.仿真分析结果表明:望远镜在南极工作时,这些校准源在一定的高度角范围内可以提供足够强的流量密度,用来验证预先建立的太赫兹和光学望远镜两光轴指向偏差模型以及副面调焦模型.

亚毫米波天线有限元模型参数修正复合优化方法

天线有限元模型与实际天线往往存在结构参数误差和材料参数误差等,使有限元模型不能真实反映实际天线结构在各种载荷下的变形特性.针对亚毫米波天线,提出了亚毫米波天线有限元模型参数修正复合优化方法.该方法包括3步,第1步建立天线参数化有限元模型,并进行参数灵敏度分析;第2步,以第1步中得到的高灵敏度参数为优化变量建立优化函数,以初始模型与假想实际天线变形特性的差值最小为目标进行优化;第3步,基于零阶优化法和一阶优化法对天线有限元模型进行复合优化,使天线有限元模型逐渐逼近实际天线.为验证所提出参数修正优化方法的可行性,针对一台1.2 m亚毫米波天线,将对其进行假想实验获得的变形特性作为优化目标,分别对多个材料参数在不同的载荷工况下进行优化,结果表明天线有限元模型经过参数优化后与假想实际天线一致,证明了所提出的亚毫米波天线有限元模型参数优化修正方法可行,并在重力载荷下对修正优化后的天线模型的变形规律进行分析.这种优化方法可以推广应用到大口径亚毫米波天线的有限元模型修正中.

射电望远镜结构技术发展综述

综述天文学研究极致追求下单口径射电望远镜天线结构技术发展历史.更大的口径、更高的精度、更大的带宽,是射电望远镜一直以来的追求.早期大型射电望远镜受制于重力、温度、风等自然因素对望远镜的影响和当时的技术水平,只能在较低的工作频段进行观测.自Von Hoerner提出保型设计,射电望远镜在结构设计上突破了重力极限,在与以前望远镜同等条件下能实现更大口径和更高精度,这使得射电观测波段往更短的方向扩展.随着天文科学面向更短波段的毫米波和亚毫米波观测,仅通过结构保型设计的望远镜已无法满足需求,天线保护罩、主动面控制等手段应运而生.当前大型亚毫米波望远镜已成为国际天文界的迫切需求,即使上述手段发挥到了极限也无法达到其指标要求,因此必须在方法与技术上进行大的革新.