[發明專利]一種射電望遠鏡天線反射面變形檢測方法及系統

有效

• 申請號: 202010021337.6
• 申請日: 2020-01-09
• 公開（公告）號: CN111089535B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 葉騫;黃劍輝
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 楊媛媛

本發明公開一種射電望遠鏡天線反射面變形檢測方法及系統。該方法包括：在射電望遠鏡天線口徑場內選取預設大小的窗口；獲取使窗口處口徑場的相位分別產生第一形變量、第二形變量和第三形變量時天線測量的二維遠場強度分布圖，得到第一遠場幅值分布、第二遠場幅值分布和第三遠場幅值分布；將第一遠場幅值分布、第二遠場幅值分布、第三遠場幅值分布、第一形變量、第二形變量代入對焦遠場幅值、對焦遠場相位、形變量、調制遠場幅值之間的關系式計算得到對焦遠場幅值和對焦遠場相位；將對焦遠場幅值和對焦遠場相位代入口徑場相位分布的表達式得到口徑場相位分布，根據口徑場相位分布計算天線反射面變形分布。本發明能夠提高天線反射面變形檢測的效率。

技術領域

本發明涉及射電望遠鏡天線領域，特別是涉及一種射電望遠鏡天線反射面變形檢測方法及系統。

背景技術

為保證QTT(QiTai Telescope，奇臺射電望遠鏡，建成后將是我國最大口徑的全可動望遠鏡)在100GHz以上高頻觀測時能夠達到足夠的分辨率，主反射面變形均方根要求要低于0.2mm。由于尺寸和重量巨大，QTT天線受到重力、溫度和風載等因素造成的反射面變形復雜多變，不同姿態下重力變形分布差別很大，可能嚴重影響天文觀測效率。

為了對天線面形誤差進行實時修正，國內外的大型射電望遠鏡諸如TM-65m(天馬射電望遠鏡，上海天文臺)、GBT-110m(綠岸望遠鏡，美國國家天文臺)、Effelsberg-100m(艾佛斯伯格望遠鏡，歐洲天文臺)一般都在主反射面下安裝有主動面系統，用以對測量出的天線反射面變形做實時補償和修正。目前，用于望遠鏡主反射面面型修正的主動面技術已經相當成熟，而在面形快速測量方面的理論和技術還存在較多不足。

天線面形測量領域中很重要的一類測量方法就是射電全息方法：利用天線口徑場與遠場之間互為傅立葉變換的基本原理，通過測量遠場求解出口徑場相位分布，而口徑場相位分布也就是天線變形分布的一個直接反映。相位恢復射電全息測量技術典型操作是：通過正負離焦(一般是將副反射面在天線指向方向向上和向下移動一個波長左右)產生額外遠場方向圖，通過對信號源掃描采集到3張不同的幅值分布圖。然后采用相位恢復算法從幅值分布圖中求解出天線的口徑場相位，即可得到反射面變形。

用于求解天線測量產生的相位恢復問題的經典傅立葉迭代算法如Misell算法的基本操作流程如下。

(1)算法輸入：三組遠場強度分布，以及正負離焦產生的相位因子。

(2)第1步：輸入一個隨機的遠場相位，配合對焦遠場反變換到對焦口徑場。

(3)第2步：對焦口徑場配合正離焦相位因子得到正離焦口徑場，變換得到正離焦遠場并保留相位，以實測正離焦遠場強度數據替換計算值，然后反變換得到新的正離焦口徑場。

(4)第3步：正離焦口徑場配合正負離焦因子得到負離焦口徑場，變換得到負離焦遠場并保留相位，以實測負離焦遠場強度數據替換計算值，然后反變換得到新的負離焦口徑場。

(5)第4步：負離焦口徑場配合負離焦相位因子得到對焦口徑場，變換得到對焦遠場并保留相位，以實測對焦遠場強度數據替換計算值，然后反變換得到新的對焦口徑場。

(6)重復第2～4步，直到算法收斂到滿意結果。

(7)收斂性表征：迭代過程中計算得到的遠場強度和實測遠場強度之間的RMS(RootMean Square，均方根)值。

Misell等以實測強度作為約束的傅立葉迭代算法能夠保證一致性的收斂過程，但是收斂往往很快陷入停滯。具體的，以Misell算法為代表的天線面形測量的相位恢復算法一般具有以下3個方面的重大缺陷。

(1)初值敏感問題：不同的初始相位值輸入將得到不同的收斂結果。

(2)收斂停滯問題：迭代算法因為問題高度非線性非凸特別容易陷入停滯。