专利名称：射电天文望远镜副面的主动控制方法
技术领域：
本发明涉及一种射电天文望远镜副面的主动控制方法。
背景技术：
位于德令哈的毫米波射电望远镜是Cassegrain式天线，其副面的整套机械结构， 连同控制电机、测速机和位置检测单元(LVDT)都是从美国ESSCO公司引进，副面支撑在四 根与主面成45°角椭圆形铝型材支柱上。副面调节采用的是四轴(即Zl、 Z2、 Z3和Y)调 节装置，每个轴都有各自的位置传感器(LVDT)，其相对位置和方向如图l所示。根据设计， Y对应南_北方的调节，其运动方向与EL运动方向一致，垂直于AZ方向并且与主-副面所 构成的光轴相垂直。Zl、Z2、Z3沿主-副面光轴方向(径向)实现调节，在提供沿光轴径向 运动的同时，它们之间的相对移动也提供副面法线方向(反射方向)与主-副面光轴之间 的倾角的调节[1]。副面中心镶嵌着一个小平面镜，平面镜上刻有十字线。
ESSCO公司没有提供副面的控制方法，在天线安装和随后的各次调整中，将天线 置于天顶方向，通过经纬仪看副面边缘四个靶标角度的方法确定主反射面与副面的相对关 系，包括"东、西、南、北"的位置与"前、后"方向关系。然后固定副面，观测过程中副面不再 调整。 由于重力的作用，天线系统，尤其是副面，在不同EL方向不可避免的弯沉，导致基 于天顶方向所确定的主-副面关系产生改变。也使主副面与接收机之间的光学耦合关系恶 化，导致波束形状偏离理想的对称高斯分布(如图2)，使天线效率降低。在对例如星际分子 云等面源(extended sources)的观测中，偏离对称形状的波束，由于视场旋转，还将使同一 坐标点的观测在不同AZ-EL方向产生不一致的结果，导致面源观测的变形扭曲、使图像动 态范围下降。
发明内容
为了解决现有技术无法解决的找到副面位置随天线俯仰的变化规律，并建立自 动控制系统，本发明的目的是提供一种望远镜副面的主动控制方法，该方法能够部分补偿 副面重力变形引起的上述不良影响。 完成上述发明任务的技术方案是一种望远镜副面的主动控制方法，其特征在于， 步骤如下 (1).通过手动调节副面做实验，确定通过副面调节，可以使主-副面之间及主副 面与接收机得到较好的耦合状态； (2).设计测试装置，用实测的办法来测出Y轴和Z1轴与cos(EL)成正比关系的比 例系数比例因子； (3).在步骤(1)、 (2)的基础上，考虑硬件设备组建及软件结构，建立自动控制系 统；在用(2)测试的关系控制基础上，再用软件上加偏置量的方法改变Y或Zl轴位置，用类 似(1)的方法做微调，修正(2)中得到的关系，使的副面在各个俯仰都处于理想的位置。
4
(4).用天文方法检验步骤(3)所建立的自动控制系统的效果。
更具体和更优化地说，本发明各步骤的具体操作方法是
(1).副面调焦实验 采用Y轴、Z1轴交替调焦的方式。依据某一信号较强的点源(天体)的二维扫描 图像，确定Y与Z1的最佳位置； 用总功率或调制功率方式对该信号较强的点源(天体)进行5X5的m即ping， st印为60〃 ，并进行背景扣除和黑体定标，使观测结果输出为具有物理意义的天线温度 TA*(K);每个调整状态下连续观测三次m即ping，累加平均图像以增加各点的有效积分时 间，提高信噪比；然后用平均过的图像数据绘出等高图，找出其中的最大值；成图方式提供 了可能的指向偏离所带来的取值影响； 通过实验发现调节副面Y轴、Z1轴可以使主_副面之间及主副面与接收机得到较
好的耦合状态，主波束效率有了很大提高； (2).测试确定Y轴和Zl轴与俯仰的关系； (2)_a.用经纬仪测Y轴与俯仰的关系 测试Y轴与EL的关系天线放到天顶，按照ESSCO提供的天线主副面调节方法调
节好主副面位置，当主副面调完后，经纬仪的十字丝对准副面中心一个目标点，然后锁死经
纬仪两个轴，为了减小经纬仪自身重力变形，在经纬仪照准部与馈源环之间用没弹性的电
缆拉住，当主面俯仰降低时副面向下变形，从经纬仪中看到目标点与经纬仪的十字丝就会
错开，俯仰每变10°停一次，调节Y轴使两个十字丝重合，记住俯仰和Y轴LVDT电压，做拟
合后就可以得到Y与俯仰的关系； (2)_b.用经纬仪测Zl轴与俯仰的关系 在经纬仪物镜旁边固定一个发光二极管，调节经纬仪焦距，在经纬仪望远镜中看
发光二极管在副面中心平面镜中的像，调节竖直微调，使像点位于分划板横线上，调节竖直
微调就可使像点接近叉丝中心；天线俯仰变化时像点偏离横线，俯仰每变10°停一次，先
将Y轴移动到(2) -a测出的位置，调节Zl使像点回到起始位置，记住俯仰和Zl轴LVDT电
压，做拟合就可以得到Zl轴与俯仰的关系； (2)_c.用"激光法"测试Zl轴与俯仰的关系； 用固定到接收机上的激光笔射到副面，在天顶位置调节小车使激光笔的返回光与 出射点重合；改变俯仰，每IO。停一次，先将Y轴移动到第一步测出的位置，调节Zl使中心 激光笔的返回光与出射点的重合，记录EL和Z1的LVDT电压，做拟合就可以得到Zl轴与俯 仰的关系(如图5b);用此方法验证(2)_b的结果，二者结果一致；
(3).建立自动控制系统 控制系统采集天线的俯仰值，根据修正关系计算Y轴和Zl轴的位置，俯仰变化大 于r程序就自动跟踪，这样避免动作太频繁，也能保证副面总是处于较好的位置。在Y和 Zl轴按照(2)测出的关系控制的基础上，再在控制软件上加偏置量改变Y和Zl的位置，用 类似(1)的方法做微调，修正(2)中得到的关系，使的副面在各个俯仰都处于理想的位置。 修正后的关系做为最终控制关系； (4).用天文方法检验步骤(3)所建立的自动控制系统的效果。
本发明的优化方案有
在步骤(2)_b中，所述发光二极管周围用热縮套管包住，前面露出很小一点，使像 点变小，便于观测。
以上方法，1、手动调节副面做实验，证实通过副面调节，改善了主_副面之间的关 系，并且使主_副面与接收机得到较好的耦合状态，主波束效率有了很大提高；
2、理论分析知道，Y轴和Zl轴形变量与cos (EL)成正比关系，但比例系数从理论 和结构分析比较困难，用实测的办法来测出比例因子； 3、有了控制关系，需要建立自动控制系统，硬件设备组建、软件结构； 4、用天文方法检验控制效果。 本发明的有益效果 ①天线效率提高了 62% (如图3); ②成像质量改善，波束分布对称程度提高(如图4)。
图1为副反射体示意图； 图2为主动控制前木星的二维方向图扫描结果(16幅平均)； 图3为IRC+1021612C0(J = 1_0)谱线积分强度随cos (EL)的分布。图中的黑色点
表示的是副面主动控制前的观测数据；红色点表示的是副面主动控制后的观测数据； 图4为主动控制后二维方向图扫描结果，单位为角秒(12副图平均结果) 图5-a、图5-b分别为副面Y轴和Zl轴随俯仰的变化关系图； 图6测试流程图； 图7为扫描图像的峰值温度与Y轴传感器电压的关系图； 图8为扫描图像的峰值温度与Z轴传感器电压的关系图； 图9为扫描图像的峰值温度与Y轴传感器电压的关系图； 图10为扫描图像的峰值温度与Z轴传感器电压的关系图； 图11为副面放到最佳位置时，观测木星得到的方向图。
具体实施例方式
实施例l，射电天文望远镜副面的主动控制方法。
—、副面调焦实验 我们采用Y轴、Z1轴交替调焦的方式。依据木星的扫描图像，确定Y与Zl的最佳 位置。 用总功率方式对木星进行5 X 5的m即ping， st印为60 〃 ，并进行背景扣除和黑体 定标，使观测结果输出为具有物理意义的天线温度TA*(K)。每个调整状态下连续观测三次 m即ping，累加平均图像以增加各点的有效积分时间，提高信噪比。然后用平均过的图像数 据绘出等高图，找出其中的最大值。成图方式提供了可能的指向偏离所带来的取值影响。
调试过程与结果 首先，Z1轴保持原来位置不变(Zl = _0.255)，改变￥轴位置。Y轴传感器电压从 0. 422V-0. 602V，间隔0. 03V (显示变0. 03V副面在南-北方向移动约0. 3mm)，取得一组扫描 图像。将扫描图像的峰值温度与Y轴传感器电压绘图如图7 :扫描图像的峰值温度与Y轴传感器电压的关系，Y值减时副面往南移。从图中看出在Y为0. 572V处观测到的木星温度 最高，为7. 31K。 然后，把Y放到0. 572V处，Zl分别在_0. 305V、_0. 291V、_0. 274V、_0. 255V、_0. 23 4V、 -0. 210V做m即ping，得到木星强度与Zl的关系，如图8 :扫描图像的峰值温度与Z轴 传感器电压的关系，Z1减时Zl轴向靠近主面方向移动，从图中看出温度在Zl为-0. 255时 最强，为7. 6K，与图2结果一致，红线是把后面5个点做gauss拟合的结果，拟合得出在Zl 为-O. 248处最强，为7. 62K。 第三、在得到图3的基础上，以Y = 0. 572为中心，往增大和减小两个方向以0. 015 为间隔进行细调，结果如图9:扫描图像的峰值温度与Y轴传感器电压的关系，Y值减时副面 往南移，比较图9和图7，两次结果一致，Y轴较好的位置在0. 587处。 通过细调确定Y的最佳位置后，将Y放到0. 587处不动，Zl在_0. 255附近进行细 调，结果如图10 :扫描图像的峰值温度与Z轴传感器电压的关系，Zl减时Zl轴向靠近主面 方向移动。图10与图7结果一致，Zl较好的位置在-0. 255处。 副面放到最佳位置(Y = 0. 587V，Z1 = _0. 255V)，观测木星得到的方向图如图11 : 副面放到最佳位置(Y = 0. 587V，Z1 =-0. 255V)，观测木星得到的方向图，该图为3幅图的 累加平均图像，中心点强度为10.4K，半功率波束宽度约72"。
二、测试确定Y轴和Zl轴与俯仰的关系
1、用经纬仪测Y轴与俯仰的关系 测试Y轴与EL的关系天线放到天顶，按照ESSCO提供的天线主副面调节方法调
节好主副面位置，当主副面调完后，经纬仪的十字丝对准副面中心一个目标点，然后锁死经
纬仪两个轴，为了减小经纬仪自身重力变形，在经纬仪照准部与馈源环之间用没弹性的电
缆拉住，当主面俯仰降低时副面向下变形，从经纬仪中看到目标点与经纬仪的十字丝就会
错开，俯仰每变10°停一次，调节Y轴使两个十字丝重合，记住俯仰和Y轴LVDT电压，做拟
合后就可以得到Y与俯仰的关系。(如图5-a); 2、用经纬仪测Zl轴与俯仰的关系 在经纬仪物镜旁边固定一个发光二极管，发光二极管周围用热縮套管包住，前面 露出很小一点，这样像点很小，便于观测。调节经纬仪焦距，在经纬仪望远镜中看发光二极 管在平面镜中的像，调节竖直微调，使像点位于分划板横线上，调节竖直微调就可使像点接 近叉丝中心。天线俯仰变化时像点偏离横线，俯仰每变IO。停一次，先将Y轴移动到第一步 测出的位置，调节Zl使像点回到起始位置，记住俯仰和Zl轴LVDT电压，做拟合就可以得到 Zl轴与俯仰的关系。 用"激光法"测试Zl轴与俯仰的关系； 用固定到接收机上的激光笔射到副面，在天顶位置调节小车使激光笔的返回光与 出射点重合。改变俯仰，每IO。停一次，先将Y轴移动到第一步测出的位置，调节Z1使中心 激光笔的返回光与出射点的重合(由于返回光点较大且有衍射，看中心光斑不容易看准， 看衍射环较准确)，记录EL和Zl的LVDT电压，做拟合就可以得到Zl轴与俯仰的关系(如 图5-b); 三、建立自动控制系统 控制系统采集天线的俯仰值，根据修正关系计算Y轴和Zl轴的位置，俯仰变化大
7于r程序就自动跟踪，这样避免动作太频繁，也能保证副面总是处于较好的位置。在y和
Zl轴按照步骤(2)测出的关系控制的基础上，再在控制软件上加偏置量改变Y和Z1的位 置，用步骤(1)的方法做微调，修正步骤(2)中得到的关系，使的副面在各个俯仰都处于理 想的位置。修正后的关系做为最终控制关系； 四、用天文方法检验步骤(3)所建立的自动控制系统的效果 从点源IRC+10216俯仰升到30°就开始跟踪它做12C0谱线观测，每3分钟得到一 条谱线，计算出谱线的积分强度，观测过程中俯仰在变化，用积分强度和对应的俯仰绘图， 与主动控制前做同样观测到的结果比较。
权利要求
一种射电天文望远镜副面的主动控制方法，其特征在于，步骤如下(1).通过手动调节副面做实验，确定通过副面调节，使主-副面之间及主副面与接收机得到较好的耦合状态；(2).设计测试装置，用实测的办法来测出Y轴和Z1轴与cos(EL)成正比关系的比例系数比例因子；(3).在步骤(1)、(2)的基础上，建立自动控制系统在用步骤(2)测试的关系控制基础上，再用软件上加偏置量的方法改变Y或Z1轴位置，用步骤(1)的方法做微调，修正步骤(2)中得到的关系，使的副面在各个俯仰都处于理想的位置；(4).用天文方法检验步骤(3)所建立的自动控制系统中主-副面的控制关系。
2. 根据权利要求1所述的射电天文望远镜副面的主动控制方法，其特征在于，所述各 步骤的具体操作如下(1) .副面调焦实验采用Y轴、Z1轴交替调焦的方式，依据某一信号较强的点源的二维扫描图像，确定Y与 Zl的最佳位置；用总功率或调制功率方式对该信号较强的点源进行5X5的m即ping， st印为60〃 ，并 进行背景扣除和黑体定标，使观测结果输出为具有物理意义的天线温度TA*(K);每个调整 状态下连续观测三次m即ping，累加平均图像以增加各点的有效积分时间，提高信噪比；然 后用平均过的图像数据绘出等高图，找出其中的最大值；成图方式提供了可能的指向偏离 所带来的取值影响；(2) .测试确定Y轴和Zl轴与俯仰的关系； (2)-a.用经纬仪测Y轴与俯仰的关系测试Y轴与EL的关系天线放到天顶，按照ESSCO提供的天线主副面调节方法调节好 主副面位置，当主副面调完后，经纬仪的十字丝对准副面中心一个目标点，然后锁死经纬仪 两个轴，为了减小经纬仪自身重力变形，在经纬仪照准部与馈源环之间用没弹性的电缆拉 住，当主面俯仰降低时副面向下变形，从经纬仪中看到目标点与经纬仪的十字丝就会错开， 俯仰每变10°停一次，调节Y轴使两个十字丝重合，记住俯仰和Y轴LVDT电压，做拟合后就 可以得到Y与俯仰的关系；(2)-b.用经纬仪测Zl轴与俯仰的关系在经纬仪物镜旁边固定一个发光二极管，调节经纬仪焦距，在经纬仪望远镜中看发光 二极管在副面中心平面镜中的像，调节竖直微调，使像点位于分划板横线上，调节竖直微调 就可使像点接近叉丝中心；天线俯仰变化时像点偏离横线，俯仰每变IO。停一次，先将Y轴 移动到(2) -a测出的位置，调节Zl使像点回到起始位置，记住俯仰和Zl轴LVDT电压，做拟 合就可以得到Zl轴与俯仰的关系；(2) -c.用"激光法"测试Z1轴与俯仰的关系；用固定到接收机上的激光笔射到副面，在天顶位置调节小车使激光笔的返回光与出射 点重合；改变俯仰，每10°停一次，先将Y轴移动到第一步测出的位置，调节Z1使中心激光 笔的返回光与出射点的重合，记录EL和Z1的LVDT电压，做拟合就可以得到Zl轴与俯仰的 关系；用此方法验证(2)_b的结果，二者结果一致；(3) .建立自动控制系统控制系统采集天线的俯仰值，根据修正关系计算Y轴和Zl轴的位置，俯仰变化大于1 ° 程序就自动跟踪；在Y和Z1轴按照步骤(2)测出的关系控制的基础上，再在控制软件上加 偏置量改变Y和Z1的位置，用步骤(1)的方法做微调，修正步骤(2)中得到的关系，使的副 面在各个俯仰都处于理想的位置，修正后的关系做为最终控制关系；(4).用天文方法检验步骤(3)所建立的自动控制系统的效果。
3.根据权利要求2所述的射电天文望远镜副面的主动控制方法，其特征在于，在步骤 (2)_b中，所述发光二极管周围用热縮套管包住，前面露出很小一点，使像点变小，便于观
全文摘要
射电天文望远镜副面的主动控制方法(1)通过手动调节副面做实验，确定通过副面调节，使主-副面之间及主副面与接收机得到较好的耦合状态；(2)设计测试装置，用实测的办法来测出Y轴和Z1轴与cos(EL)成正比关系的比例系数比例因子；(3)在步骤(1)、(2)的基础上，建立自动控制系统在用步骤(2)测试的关系控制基础上，再用软件上加偏置量的方法改变Y或Z1轴位置，用步骤(1)的方法做微调，修正(2)中得到的关系，使的副面在各个俯仰都处于理想的位置；(4)用天文方法检验步骤(3)所建立的自动控制系统中主-副面的控制关系。本发明的有益效果①天线效率提高了62％；②成像质量改善，波束分布对称程度提高。
文档编号H01Q15/14GK101728653SQ20091003245
公开日2010年6月9日 申请日期2009年7月8日 优先权日2009年7月8日
发明者孙继先, 李阳, 杨戟 申请人:中国科学院紫金山天文台