基于数值模拟的大口径高精度射电望远镜台址风障优化设计研究

随着射电望远镜口径增大、观测频率提高,对其指向精度的要求也越来越高.然而,望远镜服役于野外台站,台址风扰对天线指向精度的影响在高频段观测时已不能忽略.由于风扰的时变性,现有的抗风方法无法保障大口径高指向精度望远镜在高频段的有效观测时长.因此,提出了一种基于风障精确布置改善台址风环境的方法.通过数值模拟构建了风障仿真模型,并将仿真结果与风洞实测数据比较,两种孔隙率风障的平均误差分别为3.7%和6.1%,保证了风障模型的可靠性.以新疆奇台射电望远镜(QiTai radio Telescope,QTT)台址为例,基于QTT台址斜坡地形构建了计算域模型,开展单风障不同高度、不同孔隙率的系列风场仿真试验,得到了风障参量与下游挡风效果的关系.基于单风障合理高度和最优孔隙率设置南北风障,仿真结果表明在确定高度下最优孔隙率可以组合,孔隙率0.1-0.1组合的风障挡风效果最优,南方向来风在天线区域可以有效降低75%以上的风速.

奇台低频射电阵列在18~50 MHz首次探测到Ⅱ型射电暴

Ⅱ型射电暴是日冕物质抛射(Coronal Mass Ejections, CME)的最佳示踪器,当日冕物质抛射的速度超过本地阿尔芬速度时,会产生日冕激波或行星际激波,并对地球的磁层产生十分剧烈的影响,在射电波段观测到Ⅱ型射电暴也就意味着观测到了日冕激波,预测激波到达地球的时间,是空间天气预报的重要内容之一。2021年9月28日06:20 UT左右,奇台低频射电阵列(Qitai Low-Frequency Radio Array, Qitai LFRA)首次探测到一次Ⅱ型射电暴爆发事件,频率覆盖范围为18~50 MHz,持续时间10多分钟。由于在极低频(<40 MHz)频段还没有进行过具有有效空间分辨率的观测,未来在这个频段发现未知现象的可能性极大。观测结果表明,奇台低频射电阵列性能良好(增益典型值6 dBi)、灵敏度高(-78 dBm/125 kHz,动态范围72 dB),可以在25周太阳活动峰年发挥独特作用。

新疆天文台25 m南山射电望远镜日照温度场研究

中国科学院新疆天文台25m南山射电望远镜(25m NSRT)受日照导致天线结构温度不均匀,其指向精度和效率均有一定程度的损失.为研究25m NSRT日照下的热力学特性,构建了晴空下射电望远镜热环境参数和热力学有限元模型,考虑了射电望远镜背架、面板等结构件对光线的反射和遮挡作用,通过比较25m NSRT典型观测工况下各构件的平均温度、均方根温差、单位温差特征距离等特性参数,发现各部件热容量的差异是天线部件间存在大尺度温差现象的主要原因;分析了各类俯仰角和太阳照射角下天线背架结构的温度分布特征,表明日照区域的背架结构温度呈近似线性分布,平均梯度可达0.25℃·m^(-1).

山区地形对大口径高精度射电望远镜台址风场调控影响的数值模拟研究

优化台址风环境对提高大口径、高精度射电望远镜在中高频段的有效观测时长具有重要意义。通过风障调控风场可以有效减小风荷载对望远镜的影响。风障的布局设计除了与风障高度、孔隙率等参量有关外,还要综合考虑台址地形对挡风效率的影响。以奇台射电望远镜(QiTai radio Telescope,QTT)台址为研究对象,开展不同地形对风场调控影响的数值模拟研究。仿真结果表明,无风障时望远镜区的风速大小主要与上下游边界地形的最高海拔有关;布设风障时,若望远镜区域为水平地形,风障遮蔽区降低风速的大小与上游入流风攻角以及下游地形的海拔高度有关;台址实际斜坡地形增加了流场的复杂程度,在进行风障风场仿真时,上游边界要尽量延伸到相对较高山体的外围。不同边界地形的仿真结果表明,望远镜区风速折减效率差值最大达到6%。该研究可以为望远镜台址风场调控仿真中的地形建模提供可靠的参考。

大口径射电望远镜轮轨滚动接触有限元分析

通过显式有限元法建立轮轨滚动接触模型,用于分析110 m口径射电望远镜滚轮经过焊缝时的应力变化。建模时不仅考虑焊缝处材料的差异,同时还考虑轨道焊缝处表面不平度和摩擦系数的影响,分析了滚轮经过轨道焊缝时轮轨间作用力的瞬态响应。采用层级细分技术对轮轨模型进行网格划分,静力学分析结果表明模型求解精度较高。将网格划分模型用于瞬态分析发现,焊缝处表面不平度对轮轨间作用力影响较大,使轮轨间米赛斯(Mises)应力增加了约20%,可能对轨道长期可靠服役带来一定的隐患,因此,需要定期对轨道的状态进行检测与维护,保障轨道的长期可靠服役。

脉冲星PSRJ1224−6407的偏振、频谱和到达时间的研究

使用澳大利亚帕克斯射电望远镜对PSR J1224−6407进行了3个波段的研究,观测数据的时间跨度约10 a.3个波段观测中心频率分别为732、1369 MHz和3100 MHz.将测量得到的流量密度与文献中的频谱数据相结合,得出脉冲星的频谱特性.用简单的幂律谱模型对频谱进行了拟合,得到谱指数为−1.45.用PSRCHIVE软件得到3个频率下平均脉冲轮廓和偏振观测结果,脉冲总强度、圆偏振、线偏振和偏振位置角曲线随频率表现出了不同的变化.在1.4 GHz的频率下,分析了脉冲星的计时残差,更新了脉冲星的位置、自转周期和周期导数等基本参数.

一种基于元学习的大口径射电望远镜俯仰轴承故障辨识方法研究

在经过长期运行后大口径射电望远镜俯仰轴会出现微小扭曲,滚动轴承作为承载俯仰轴的核心部件,也会因长期承受交变载荷增加疲劳风险,导致轴承寿命以及望远镜指向精度的下降,极大影响望远镜的性能.以俯仰轴承为研究对象,开展故障辨识方法研究,可为望远镜天线的高性能运行提供重要支撑.为实现在有限数据和复杂工作条件下准确地辨识俯仰轴承故障,提出了一种小样本条件下基于元学习的故障辨识方法(Few-shot Meta-learning Fault Identification, FMFI).首先将不同工况下的原始信号转换为时频图像数据,之后按照元学习协议将数据样本随机采样到不同的学习任务中.在有限样本的条件下, FMFI可以通过训练任务中的样本信息获取通用的先验知识,在未知的测试任务下实现准确快速的故障辨识.选取了与望远镜俯仰轴承工况具有相似性的变负载轴承数据集进行实验,实验结果表明, FMFI方法具有很高的准确性和可靠性,为大口径射电望远镜俯仰轴承的主动运维和高质量服役提供了有力的技术支持.

基于自回归滑动平均模型的大口径天线风速预测方法

针对大口径、高性能射电望远镜天线受到的随机及时变风扰的问题,利用自回归滑动平均模型预测望远镜周围风速,提前计算风致结构变形量,同时为望远镜伺服控制系统提供足够执行时间来降低风扰影响.基于新疆奇台110m口径全向可动射电望远镜(QiTai Telescope,QTT)台址风场数据特征,通过赤池信息准则和贝叶斯信息准则辨识模型阶次,利用最大似然法估计模型参数,分析模型残差特性以检验自回归滑动平均模型的有效性.通过计算不同季度预测数据与测试数据偏差得到预测模型的精度,夏季平均绝对误差为0.133m·s^(-1),秋季平均绝对误差为0.162m·s^(-1),冬季平均绝对误差为0.287m·s^(-1).整体来看,基于QTT台址不同季度风速数据建立的自回归滑动平均模型预测误差较小,满足射电望远镜风扰控制系统的需求,能为大口径射电望远镜风扰控制提供必要数据支撑.

天线座架非均匀温度场及热致变形研究

针对天线座架由于太阳辐照引起的非均匀温度热致变形问题,建立了天线座架环境参数模型、太阳辐照参数模型以及座架结构几何模型,可实现多种工况下天线座架结构热力学仿真。基于综合模型对天线座架温度特性进行了分析,在天线座架结构上布设24枚光纤光栅温度传感器,实测温度数据与仿真温度场的相对精度高于85%,验证了仿真方法的正确性。结合推导建立的天线结构位移场到天线方位轴偏差的几何关系和实测温度特征数据,可实现由实测温度到座架结构变形的快速计算,并对天线座架轴系偏差产生的原因进行了分析,为天线座架热致轴系偏差补偿提供参考。

基于虚拟相机的天线俯仰轴形变快速高精度测量方法研究

长期的磨损和扭转会使天线俯仰轴结构发生小尺度形变。实现这一形变的快速高精度测量,对于大口径全可动天线指向精度修正和俯仰轴健康监测具有非常重要的价值。搭建了单相机测量系统,建立了一种虚拟相机数学模型,将结构变形转为空间变换进行求解,从而提出了一种俯仰轴形变快速测量方法。实验结果表明,该方法的平移分量综合精度可达0.2825 mm,旋转分量精度最低可达0.2918°,能够实现俯仰轴1 mm尺度变形的快速测量。该方法具有非接触、精度高、速度快等优点,满足大口径、高频段、高精度射电望远镜俯仰轴长期快速测量的需求,也适用于其他大结构的小变形测量。

一个大质量恒星形成复合体的动力学性质

恒星形成于分子云之中,分子外向流是恒星形成正在进行的重要动力学特征,也是研究和认识恒星形成的重要契入点.利用紫金山天文台青海观测站德令哈13.7m毫米波望远镜,采用5种分子谱线探针(包括^(12)CO、^(13)CO、C^(18)O、HCO+J=1-0和CS J=2-1,J为角动量量子数),对一个包含IRAS 19230+1506、IRAS 19232+1504和G050.3179--00.4186这3个源的大质量恒星形成复合体进行了成图观测研究.通过对以上分子谱线数据并结合红外波段巡天数据的分析,在这3个源中首次探测到了分子外向流活动,并确定了分子外向流的中心驱动源.最后对这3个源进行了分子外向流相关物理量参数的计算,分析了这些物理量参数之间的关系,结果表明分子外向流的性质与中心驱动源的性质息息相关.

红外暗云中分子气体团块的性质研究

利用^(12)CO(1-0)、^(13)CO(1-0)与C^(18)O(1-0)分子谱线成图观测数据,并结合ATLASGAL(The APEX(Atacama Pathfinder Experiment)Telescope Large Area Survey of the Galaxy)尘埃连续谱巡天观测结果详细地研究了9个红外暗云(Infrared Dark Clouds,IRDCs)中团块的物理性质与运动学特征.给出了红外暗云的速度区间,以及在红外暗云所对应的Spitzer(Spitzer Space Telescope)8μm辐射背景上叠加了与红外暗云轮廓基本吻合的^(13)CO和C^(18)O积分强度分布图.9个红外暗云中有8个呈纤维状结构.在这些红外暗云中共找出51个致密团块,质量偏大的团块大部分聚集在红外暗云的枢纽位置.质量统计直方图中表现出明显的双峰结构,进一步证实纤维状分子云物质输送的图景.^(12)CO(1-0)计算所得的典型激发温度T_(ex)在这些团块中的分布为10-15 K之间.证认出3个蓝轮廓的团块和5个红轮廓的团块,发现有17个处于不同演化阶段的团块与外流候选体位置重叠,这表明外流活动可能普遍存在于不同演化阶段的团块中.在MSF(Massive Star-Forming)团块和YSO(Young Stellar Object)团块中较高的外流探测率表明吸积率随着团块中恒星形成的演化阶段而增加.这些都是引力束缚的团块,并有可能进一步塌缩.所有团块都满足形成大质量恒星的基本物理条件.这些处在不同演化阶段的早期大质量恒星形成团块是研究大质量恒星形成的理想候选体.

一种天线副面位置快速重构方法研究

为了快速获取副反射面随天线俯仰角变化的位置,并通过调整机构对副面位置进行修正来提高天线综合性能,提出一种虚拟双目视觉测量方法。通过高速相机与平面镜组成的虚拟双目视觉系统对天线观测时副面位置进行模拟实验,获取被测物随实验平台空间移动产生的位置变化图像,并对图像进行预处理、去噪、边缘检测、特征点提取等操作,重建被测物随实验平台移动在三维方向上的运动情况,重建结果在三个方向的误差均小于1%。该方法具有较高的测量精度,能够较好地对副面位置情况进行重构。

大口径天线主反射面面形快速摄影测量方法研究

本文针对110 m口径全可动射电望远镜(QiTai Radio Telescope, QTT)全工况下主反射面面形快速高精度测量问题提出了一种基于图像传感器的快速摄影测量方法.该方法将天线主反射面分成16个测量单元,通过每个测量单元的不同焦距的两台相机测量反射面上固定靶标点的像素偏移量,并根据像素偏移量与天线反射面法向偏差之间的关系计算出反射面的变形量.通过优化确定了每个测量单元靶标点的数目,分析了面形测量精度影响因素,确定了每个测量单元上不同焦距的两个相机的安装位置和焦距等关键参数.该方法可以提高测量效率和精度,为大口径天线反射面快速测量提供了一种新的解决方案.