一种基于光波红移的天文观测望远镜的制作方法

本发明涉及一种基于光波红移的天文观测望远镜。
背景技术：
：光波的产生、传播、接收理论与技术经过近百年的发展，特别是信息时代，探测领域研究热点问题。目前人们对河外星系距离的观测，仅有光学或光波强度来间接度量恒星的距离。接收星系或星星的光线亮度，来判定测量目标的距离。实际上就是测量光波的振幅，功率强度，达到测量距离的目的。但是振幅衰减快，波振幅有叠加属性，受干扰大。又由于光源自身有强弱之分，造成测量、估算误差很大。目前使用的光学望远镜，都是采用光波功率强度的方法、射电望远镜接收光波功率强度的方法，根据接收信号的强度，判断被测目标的距离，都存在测量误差大的原理性问题。技术实现要素：为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于光波红移的天文观测望远镜。本发明的一种基于光波红移的天文观测望远镜，包括：微处理器，其分别与光信号接收模块、信号调理模块、比较跟随模块和显示模块相连；所述微处理器还与信号发生器相连，所述信号发生器还与比较跟随模块相连；所述光信号接收模块用于接收天文星体的光信号并传送至信号调理模块，在经所述信号调理模块的调理后传送至比较跟随模块，再经与信号发生器传送至比较跟随模块的信号比较后对测量点相位积累的检测；最后在显示模块中显示检测结果。进一步的，所述光信号接收模块为光信号接收天线。进一步的，所述信号发生器与比较跟随模块之间还串接有第一放大器。进一步的，所述信号调理模块包括串联连接的滤波器和第二放大器。进一步的，所述信号发生器包括波源调节单元，所述波源调节单元用于对信号发生器所产生的信号进行调节。进一步的，所述波源调节单元包括波源功率调节器和波源频率调节器，分别用于调节光波的初始功率和初始频率。进一步的，所述比较跟随模块包括相位角积累器，所述相位角积累器用于将光波频率的衰减转化为对相位角的积累测量。进一步的，所述微处理器还与存储器相连。进一步的，所述存储器为ram或rom。进一步的，所述显示模块为液晶显示屏。与现有技术相比，本发明的有益效果是：该望远镜观测原理：光波传播过程中，波能能量强度衰减，引起振幅衰减，频率降低，从而导致波长变长，形成所谓的宇宙红移。根据频率衰减的关系式，有频率衰减值，换算出星系的距离。宇宙红移较小时，它与距离有近似线性关系，侧到遥远恒星光的红移量，来换算出的恒星实际距离。红移量较大时，红移量与距离成指数关系，根据该关系，根据光波红移量测算出恒星到地球的距离，最终提高了测量准确性。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是基于光波红移的天文观测望远镜的结构示意图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
技术领域：
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。本发明的基于光波红移的天文观测望远镜，该望远镜观测原理：光波传播过程中，波能能量强度衰减，引起振幅衰减，频率降低，从而导致波长变长，形成所谓的宇宙红移。根据频率衰减的关系式，有频率衰减值，换算出星系的距离。宇宙红移较小时，它与距离有近似线性关系，侧到遥远恒星光的红移量，来换算出的恒星实际距离。红移量较大时，红移量与距离成指数关系，根据该关系，根据光波红移量测算出恒星到地球的距离。由于恒星发光的频率已知，接收端频率测量到的，衰减系数α已被测定。根据上指数表达式，换算出被测目标的距离x：技术原理：光波在太空中传播，波能量存在扩散、色散、损耗等因素，致使光信号功率损失，强度降低。导致振幅衰减，频率也有微弱的减小。实验证明：波信号功率降低，引起的振幅衰减快，而频率衰减很慢。并且频率不符合叠加原理，而振幅是符合叠加原理的；如：y1,y2在传播到接收点，信号y1在t1时刻瞬时值3伏，而y2在t1时刻瞬时值2伏，接收到信号的幅度是y1、y2的叠加值5伏。值就是所说振幅符合叠加原理。所谓的干扰：就是y1传播信号，y2是干扰信号，接收到5伏的信号值，在5伏信号中，分不清y1的值是多少，y2的值是多少。频率不符合叠加原理：y1,y2在传播到接收点，信号y1频率是3赫兹，y2频率值2赫兹，接收到信号y3，其频率值并不是y1、y2的频率叠加值，3赫兹加2赫兹，等于5赫兹。y3频率值仍然含有y1频率值3赫兹，y2频率值2赫兹。因此说频率传输不符合叠加原理。所谓的干扰：就是y1传播信号，y2是干扰信号，接收到信号y3中，分得清y1的频率值是3赫兹，y2的频率值值是2赫兹。不少干扰信号的影响。一种基于光波红移的天文观测望远镜，该方法根据宇宙红移较小时，它与距离有近似线性关系，侧到遥远恒星光的红移量，来换算出的恒星实际距离。红移量较大时，红移量与距离成指数关系，根据该关系，根据光波红移量测算出恒星到地球的距离。该测量方法可光波随传播距离，波长变化(红移)关系式测量恒星距离，用波源功率对光波红移传播的关系式、波源频率对光波红移关联式对测量结果进行修正。实验原理：现在理论认为光波频率或波长微小变化由波源与观测者之间的距离变化引起的(为多普勒效应)。本发明提供的光波频率衰减的原因是声波在传播过程，由于波能损耗及扩散、色散等，是能量强度降低。波能量的两个因子振幅和频率，在信号强，振幅衰减为主，频率衰减为辅。信号很弱时，振幅、频率都快速衰减。光波，并光波信号经过长距离媒质传输后，测量其频率衰减量，转换成波长变化，即波长相对变化量—红移量。首先保证该测量效应(1)排除多普勒效应---光源位置、测量点位置、及它们的相对距离固定不变。(2)让传输媒质没有运动。排除媒质运动引起波长变化—赛克尼克效应；(3)所有的传输通道没有空间漂移。红移原理分析：现有的理论认为光波频率微小变化是由于波源与观测者之间的距离变化引起的(为多普勒效应)。本发明提供的光波频率的变化的原因是光波在传播过程，由于波能损耗及扩散、色散等，是能量强度降低。波能量的两个因子振幅和频率，在信号强，振幅衰减为主，频率衰减为辅。信号很弱时，振幅、频率都快速衰减。陈寿元效应：波动在传播过程中，自然存在波能量的扩散、色散、损耗，使得波能量损失，又导致波的振幅降低(该部分内容是现有理论所证明的)、频率衰减(基于陈寿元效应的发现)，引起波长增加，形成所谓的宇宙红移。下面是对陈寿元效应的理论分析：红移量，波长相对变化量z：其中，x—波的传播距离，α—损耗系数；λ0---入射端的波长；λ---波传播到x处的波长。c—光速；ω(0)---入射端波的角速度；k—波损耗过程中，频率衰减的对波能量损耗的贡献因子。下面针对陈寿元效应进行理论分析：(1)波能损耗用能位函数表示波动从a处传送到b处，也要受到万有阻力的作用，损失振动能量。假定：1个单位质量的质点，振动具有的振动能量，称为振动能量位函数，简称振动能位函数。a处振动能位函数用表示，b处振动能位函数用表示，则有：(1)式中：e—能场强度，克服万有阻力而做功。波动从a点传递到b点的必要条件：a点的能场强度ea：1.1、波源的振动能位函数能位函数：q能量荷(具有能量为q，不占用空间，为理想的点。在坐标系r′，在场点r产生能位函数：式中：∈--媒质的介能常数，∈0–真空介能常数。e—能场强度：可用能位函数的负梯度来表示：1.1.1、质点的无阻尼自由振动如果能荷q由质点的无阻尼自有振动产生，沿y轴方向振动，符合余弦方式：y＝acos(ωt+θ)(5)式中：a–为振幅；ω—振动角速度。质点振动的速度：质点振动的加速度：质点的振动能：单位质点的振动能称为振动能位函数：(8)和(9)式表明质点的振动能ek、振动能位函数与振动的频率平方成正比。1.1.2、交流发电机产生的功率发电机一旦制作完成，它的转子尺寸，转子的面积s是固定值，发电机内部磁场的磁感应强度b基本上是固定值。即通过转子的最大磁通量就是一个固定值：转子转动时，通过它的磁通量是按余弦变化：根据法拉第电磁感应定律：感应电动势(12)式表明感应电动势与发电机的转速平方成正比发电机提供的瞬时实功率：(13)式发电机提供的功率与发电机的转速(频率)的平方成正比。1.1.3、振荡电偶极子产生的电磁波能振荡电偶极矩：p＝gl＝glcosωt(14)在远处产生的电场、磁场：(15)、(16)式表明，振荡电偶极子在远处产生电场、磁场强度与振荡频率平方成正比。能流密度：坡印廷矢量s：(17)式表明电偶极子辐射电磁波的能流密度与偶极子振荡频率四次方成正比。1.2波动的能位函数波动是振动状态的传播，相位传播。振源的能量以波速向外传递。假定介质中每个质量元彼此通过弹性力相联系，沿y轴方向振动，沿x轴向传播。波函数的一般表达式：y(x，t)＝a(x)cos(ω(x)t-kx)(18)(18)式中：a(x)--波的振幅，通常随传播距离而衰减,是x的函数。ω(x)角速度，目前认为它不随传播距离变化，是不变量。但是前面的分析，振源能量与频率平方成正比。能量是要消耗，散开。能量在空间上的散开，表现占用更大面积或更大的体积空间,使波长变长。在时域上，能量散开意味着占用更多的时间段,使振动的周期有延长的趋势。波函数中每个质点沿y方向振动的速度：波动函数的能位函数(20)式表明波动的能位函数与波动的频率平方成正比。在一个波长范围内对取均值，因为a(x)，ω(x)在一个波长范围内变化很小，认为是暂稳态值。均值只是对sin2(ω(x)t--kx)进行，波动能位函数的均值为：假定波函数在信道媒质内传播的功率与能位函数成正比。在一般的条件下，功率p随距离x变化，可用下式表示式中，α是损耗系数，p(0)为信道入射端x＝0处，入射功率，p(x)为信道x处输出功率。根据上面的假定，波函数在信道里传输，其能位函数受损耗的影响而衰减，设长度为x信道媒质，入射端x0振动能位函数根据式(22)式，输出端x振动能位函数把(21)式带入(23)式，得：a2(x)ωw(x)＝a2(0)ω2(0)e-ax(24)对(24)式两边开方，得：对(25)式进行讨论：若信号传输过程中，频率不变，即：ω(x)＝ω(0)则有：波函数：y(x，t)＝a(x)cos(ω(x)t-kx)的振幅a(x)随距离x按(26)式衰减。雷同于调幅广播。若信号传输过程中，振幅保持不变，即：a(x)＝a(0)则有：波函数：y(x，t)＝a(x)cos(ω(x)t-kx)的频率ω(x)随距离x按(27)式衰减。雷同于调频广播信号传输。频率降低，波长变长，形成信道红移。a(x)，ω(x)共同分担信号的衰减量：若信号振幅按(30)式快速衰减，信号的能量积累到频率上。则有ω(x)＞ω(0)若信号频率按(31)式快速衰减，信号的能量积累到振幅上。则有a(x)＞a(0)更一般情况，a(x)、ω(x)衰减速率：从-到-之间变化。1.3信道红移表1各种通信技术对电磁波频率的应用频率范围传输媒质典型应用3hz～30khz电缆、长波无线电长波电台30khz～300khz电缆、长波无线电电话、长波电台300khz～3mhz同轴电缆、中波无线电调幅广播电台3mhz～30mhz同轴电缆、短波无线电有线电视用户线路30mhz～300mhz同轴电缆、米波无线电调频广播电台300mhz～3ghz分米波无线电公共移动通信3ghz～30ghz厘米波无线电微波、卫星通信30ghz～300ghz毫米波无线电卫星通信、超宽带通信105ghz～107ghz光纤、可见光、红外光光纤通信、短距红外通信信道容量的香农公式：(32)式：c---信道容量；w---频带宽度；---信号与噪声的比值。由表1和公式(3.1)说明：载波频率越高，信道容量越大，携带信号的能力越强。假定电磁波传播方向沿着z轴，电场仅沿x轴向振动，磁场强度仅沿y轴方向振动。其平面电磁波的电场、磁场表达式：hy(z，t)＝h(z)cos(ωt-kz)(33)ex(z，t)＝e(z)cos(ωt-kz)(34)法拉第电磁感应定律：总的感应电动势用表示，单位面积感应电动势用表示。旋度代表单位面积的环量，电场强度的旋度就是单位面积的感应电动势把(34)式代入到(36)中，则有：(37)式表明，当z的磁场变化时，在该点感应产生的感应电动势。单位面积感应电动势产生的电功率p(z,t)：(38)式中，r—波阻抗的实数部分。电功率p(z,t)的均值p(z):在一般的条件下，功率p随距离z变化，可用下式表示式中，α是损耗系数，p(0)为信道入射端z＝0处，入射功率，p(z)为信道z处输出功率。把(39)式带入(40)式，得：对(41)式两边开方，得：对(42)式进行讨论(1)若电磁波传输过程中，频率不变，即：ω(x)＝ω(0)则有：其平面电磁波变化为振幅衰减:(44)、(45)式与目前理论一致。雷同于调幅广播。若电磁波传输过程中，振幅保持不变，即：h(z)＝h(0)；e(z)＝e(0)(46)电磁波损失的电磁能，只有频率降低，振动能减少。则有：电磁波的电场强度、磁场强度衰减表达式：k—波数。把(50)代入(48)、(49)，得：波长的变化：(53)式，当电磁波振幅不变，能量损耗仅有振动频率提供，电磁波在传播过程中，波长变长，频率变低，出现信道红移现象。(54)式λ0—发射端波长，λ—输出端、接收端的波长。天文学上习惯用红移z来表示波长的变化：本实施例通过信号发生模块产生不同频率的光波，经长距离传播媒质后到达检测模块，所述距离至少在一万米以上，具体的可以选择同轴电缆作为传输媒介。通过检测模块、滤波、比较、放大、相位角积累处理后，可以将对光波频率衰减的测量转化为相位角积累的测量，具体的测点可以在长距离传播媒质上的选取若干个信号测量点，每个测量点的位置不同，在各测量点之间采用紧密跟随的测量技术，得到光波信号光波频率的衰减值。宇宙红移的测量方法：频率变化需要实验来测量—即宇宙红移效应，频率降低—波长增长测量实验技术路线：实验上采用三项关键性技术，达到在实验室测量到宇宙红移效应的系统精度要求。根据哈勃关系式估算1米空间距离波长相对变化量根据哈勃关系式:哈勃观测图:d＝2mpc＝2×106pcd＝2×106×3.086×1013km＝6.172×1022m；给出的退行速度v＝cz＝1000kms-1h0＝500kms-1mpc-1计算出每一米太空距离产生的宇宙红移(波长相对变化量)：d＝1m代入(4.1)得：取h0＝75kms-1mpc-1时，计算每一米的太空宇宙红移：z＝0.81×10-26由(4.1)计算得到，光波传输一米距离产生的宇宙红移量约为10-26。1万米太空距离产生波长相对变化量约为：z＝0.81×10-22测量光波长相对变化量转化为测量光频率变化量由(4.1)式得由(3.2)式可知，光的波长非常短，在纳米量级，很难测量。波长的微小变化就更难测量。由(3.1)得而光的频率非常高，达到1015赫兹/s，甚至更高，频率容易测量，由(4.3)式可知，频率微小变化与频率成正比，也是一个很大的数值。因此它的微小变化量更容易测量到。由(4.3)式估算，太阳光到达地球面，产生1.21赫兹/s频率降低。向源跟踪技术：光源的单色性、漂移性、稳定性很难达到测量宇宙红移的精度要求，要求测量到的信号严格紧跟信号源变化，消除信号源自身产生的误差。相位角累积--识别法：宇宙红移效应非常小，引起的频率变化极其微弱，对频率变化产生的相位角进行长时间积累再把累积的相位角转化成图形旋转角度或图形形状变化，进行识别、判断。根据相位角的变化换算成频率变化，折算成宇宙红移量。实验手段：针对―每一米太空距离产生的宇宙红移量，即波长相对变化量约为10-26，从实验上预估量级分配：(1)万米传输媒质分配4到5个量级，即媒质长度从万米到十万米；(2)频率变化量代替波长变化的测量方法，分配15个量级；(3)剩下留给相位角累积法。由宇宙红移的哈勃关系式，哈勃常数h，取光的频率1015赫兹/s，由于频率衰减，引起的相位角差在24小时时段的积累值如下表所示：表3.1由哈勃宇宙红移关系式估算实验宇宙红移量采用三项变换技术，宇宙红移量已经达到实验室可以观测的程度。图形在24小时，传输1万米距离后，有2.52度的转动，是可以分辨出来，也是可以测量到的。该研究认为：太空的物质密度非常低(每立方厘米，原子浓度小于100个)，能量损耗衰减很小，频率衰减也很小。实验室传输媒质密度比太空高1020，衰减应该比太空中大得多。宇宙红移效应应该更明显。把通信用的技术手段改造成测量频率衰减的实验专用技术方法，即把频率随距离缓慢衰减的微小变化量，变换成通信中被传输的信号，把信号源的单色波处理成携带信息的载波。这样就可以用信号与载波的处理技术来处理频率的衰减量：用检波技术把信号与载波分离，用锁相技术使载波相位不变，用到技术有：信号放大技术、滤波技术、采样、存储，计算机信号处理技术、再现相位角与显示图形对应关系等。理论上的精度预估：用光纤通信技术，载波频率1015赫兹，信号0.1赫兹。信号载波分辨精度是：1016计算机处理技术1赫兹，变换成360度旋转的图形，加之图形椭圆形状的变化，分辨率可以提高两个数量级。光波的速度30万公里/s，宇宙红移效应用光年作为单位，实验采取的距离无法与太空比较。实验上采用10万米传输媒质，也是短空间距离。长时：计算光波频率衰减量单位用每秒变化次数，我们用小时，用天、月为单位。1频率在分割对应成空间的360分。如24小时，图形转动一度，这样精度提高7个数量级。试验中，选用10兆赫兹光波，加之长时—短空测量法及其他的技术手段。试验中采用频率相对跟踪法，计量频率衰减量，消除信号源频率漂移、离散、温漂等对测量精度的影响。相位角积分法：频率衰减缓慢，对其相位角变化进行长时间积分，换算成频率变化。实验手段：针对―每一米太空距离产生的宇宙红移量，即波长相对变化量约为10-26，从实验上预估量级分配：(1)万米传输媒质分配4个量级；(2)频率代替波长测量，分配15个量级；(3)剩下留给相位角累积法。如图1所示，本发明的一种典型实施例为利用光波频率随传播距离衰减，测量距离的实验装置，包括微处理器、信号发生模块、光波传播通道和信号检测模块；信号发生模块包括依次连接的信号发生器、第一放大器。信号发生器具有波源调节单元，波源调节单元分为波源功率调节器和波源频率调节器，分别可以调节光波的初始功率和初始频率。信号发生器通过第一放大器产生一定初始功率和初始频率的光波。光波通过光波传播通道到达信号检测模块，信号检测模块通过测量光波的频率来观测光波频率随传播距离的衰减；信号检测模块包括依次连接的滤波器、第二放大器、相位角积累器和显示模块，光波信号通过光波传播通道到达信号检测模块，采用相位角积累器将光波频率的衰减转化为对相位角的积累测量。其中，微处理器还与存储器相连。存储器为ram或rom。显示模块为液晶显示屏。本实施例中采用测量点前后跟随器，使得光波信号在媒质传播后，采用紧密跟随测量技术实现对测量点相位积累的检测。本实施例中信号发生模块产生光波的声源位置、光波传播通道和信号检测模块的测点位置保持相对静止。借此可以排除多普勒效应，即声源位置、测量点位置、及它们的相对距离固定不变；同时可以排除赛克尼克效应：即传输媒质没有运动，排除媒质运动引起频率变化；同时实验装置位于封闭空间内，封闭空间是基于振动相对隔绝设备、光照相对隔离设备、噪音相对隔绝设备以及温度相对恒定设备构建的。这样可以保证所有的光波源、传输通道、测量点探头，都在封闭、隔音、防震的空间内，排除风吹、外部振动引起的影响。由于频率随传播距离衰减非常缓慢，测量超远距离的恒星，河外星系。需要设备不间断运行，且本实施例中媒质的长度需达到数万光年，甚至几十万光年；需要相对长时间的测量。本发明的再一实施例是基于光波频率随传播距离而衰减，依据星体的红移量测量星体离地球的距离。实验方法，信号发生模块产生光波的声源位置、光波传播通道和测点位置保持相对静止。利用上述实施例进行实验的具体原理以及过程如下所述：现有的理论认为光波频率微小变化是由于波源与观测者之间的距离变化引起的(为多普勒效应)。本发明提供的光波频率的变化的原因是光波在传播过程，由于波能损耗及扩散、色散等，是能量强度降低。波能量的两个因子振幅和频率，在信号强，振幅衰减为主，频率衰减为辅。信号很弱时，振幅、频率都快速衰减。波动在传播过程中，自然存在波能量的扩散、色散、损耗，使得波能量损失，又导致波的振幅降低(该部分内容是现有理论所证明的)、频率衰减(基于陈寿元效应的发现)，引起波长增加，形成所谓的宇宙红移。采用上述实施例在进行实验过程中，首先根据实验目的进行各模块的组装，然后再进行性能调试。经过调试后，根据不足和缺陷，各模块修复存在的问题，再进行系统测试，保证个个环节都在良好运行的状态下进行实验，也就进入了测量阶段。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。当前第1页12