射电望远镜天线多频同时互相关近场全息测量方法

1.本发明属于望远镜的技术领域，特别涉及了射电望远镜天线多频同时互相关近场全息测量方法。


背景技术：

2.射电望远镜的建设正朝着大口径的趋势发展。然而大口径天线往往是由几十甚至几百块面板拼接而成，无论是在安装还是定期维护中，都需要借助面形检测技术测量调整以维持天线反射面表面精度的要求。为了获得更高的反射面表面精度，有关天线反射面面形检测的技术也在不断提升，大口径天线面形检测的方法也在逐渐更新。微波全息测量是目前大形天线反射面面形检测技术中测量精度最高的一种测量方式。射电全息测量中的“全息”一词主要是指口面场相位的获取。理想抛物面的口面场相位处处相等，但实际的抛物面并不完全相同，所以可以根据反演的口面场相位信息进一步得出面形误差分布。相位相关法是微波全息测量方法之一。它同时测量天线的辐射方向图的振幅与相位(即矢量方向图)，并进行相位相关，再将相关后的矢量方向图做傅里叶逆变换反演得到天线矢量口面场，由口面场的相位分布，进一步得到面形误差分布。根据信标源与被测天线的距离大小相位相关法被分为远场全息测量以及近场全息测量。
3.目前近场全息测量实验中大部分使用的都是单频窄带信号，通常采用两个频差较大的发射信号频率作为标称频率分别测量。该方法存在一定的局限性，首先发射源信号频率为单频，需要多次测量，若要获得多个频率的结果耗费的时间较长；其次每个频率的测量结果存在一定的时间间隔而非同时获得，在这个过程中天线面形可能因重力、温度以及风载等因素形变产生的系统误差未被排除,从而引入新的误差。采用单频测量更为严重的问题是，在实际测量过程中，在发射源至接收机路径上往往存在多径干扰，即除了来自发射源期望的正常传输路径信号之外还存在其它来自地面以及天线反射面周围如副面支撑杆等其他物体的反射信号。这些反射信号与接收信号混叠在一起形成干涉被接收机所接收，使得接收信号不再是“纯净的”信号，对接收机的相关输出结果产生影响。
4.以地面反射为例,δr1为s主接收路与r参考接收路的绝对光程差，δr2为s主接收路所接收到的发射信号传输路径与经地面反射到达接收端的其他路径的额外光程差。绝对光程差δr1与额外光程差δr2如图1所示。因为δr1及δr2的存在将引起s主接收路和r参考路分别做fft相关之后相位会产生变化，从而导致测量误差的产生。理论上，当被测天线置于空旷的外场时多径效应的影响会减小很多，这时的反射效应则主要来自地面反射。
5.从上述的分析可知，由于单频的全息测量结果存在一定的时间间隔而非同时获得，在整个多次测量过程中天线面形可能因重力、温度以及风载等因素形变产生的系统误差未被排除，并且容易收到测量结果容易收到多径效应的影响，引起测量误差。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供了射电望远镜天线多频同时互相关近场全息测量方
法，为抑制多径干涉效应带来的影响，本发明设计并建立了一种射电望远镜天线多频同时近场全息测量系统，用宽带多频信号取代传统的窄带信号作为发射源信号，并对多个频率信号同时测量，将得到的所有频点对应的面形误差分布图取平均得到最终的面形误差分布图，通过多频的平均的处理，平均之后的多频与单频相比减小了多径效应引起测量误差。
7.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
8.射电望远镜天线多频同时互相关近场全息测量方法，采用多频梳状谱信号作为发射源，采用主接收路和参考接收路两路接收端同时接收多频信号，通过对两路接收端进行fft和互相关运算得到多频频域复数值，然后对多频频域复数值进行修正和网格重整，并逐一反演至望远镜口面场进一步得到多频信号对应的望远镜天线面形误差分布图与面形误差rms，最后取平均得到最终的望远镜天线面形误差分布与rms。
9.在其中的一些实施例中，发射源与接收端的距离r满足：其中d为被测天线口径，λ为工作波长，测量过程中发射源位置固定。
10.在其中的一些实施例中，参考接收路位于射电望远镜抛物面天线主焦点处不动，主接收路采用栅格扫描的方式绕发射源运动，接收发射源信号。
11.在其中的一些实施例中，主接收路采用栅格扫描的方式绕发射源运动的具体方法为：若具有n*n矩阵式采样点，则先确定一中心点，开始扫描前主接收路移动到中心点做一次中心校准，每扫描一行采样点结束后回中心点做一次中心校准，直至扫描结束最后回中心点做一次中心校准，即采样点共计扫描n*n次，中心点校准的次数为n+1。
12.在其中的一些实施例中，发射源发射的多频梳状谱信号包含m个频点，对于某一特定频率的频点，其主接收路和参考接收路fft互相关之后所生成的是一组实部加虚部的频域复数值，故主接收路和参考接收路fft互相关之后一共生成m个频域复数值，所述的数字采集相关器采用labview的fft内核模块、运算器、自定义内存、fifo、以及队列管理模块通过图形化编程获得主接收路和参考接收路fft互相关之后的频域复数值；在每一个栅格扫描的位置上都进行主接收路和参考接收路fft互相关运算，生成一系列的复数数据。
13.在其中的一些实施例中，主接收路在扫描过程中，按照指令做俯仰和方位运动，主接收路天线将所处的网格编号、俯仰、水平角度信息以及接收的多频信号信息保存并发送至处理单元计算望远镜面形误差分布与rms。
14.处理单元处理计算望远镜面形误差分布与rms的具体方法包括以下步骤：
15.步骤一、扫描数据平均处理：将接收到的信息中的每个采样点重复采样的数据取平均，得到m组采样点数为n*n点的实部与虚部数据，并进一步得到其对应的复数，
16.步骤二、中心校准数据平均处理：将中心校准的数据取平均，得到m组采样点数为n+1的实部与虚部数据，并进一步得到其对应的复数，
17.步骤三、拟合中心校准数据，并用拟合曲线数据对扫描数据做校正：即将步骤二获得的中心校准数据采用插值法获得拟合曲线的数据，再用步骤一处理后的扫描数据除以该拟合曲线的数据，得到校正后的方向图复分布函数；
18.步骤四、修正像场旋转：即望远镜天线口面中心与旋转中心不重合导致在天线运动过程中产生的附加光程与视差效应的影响，修正方法为采用旋转矩阵对将步骤三处理得到的方向图复分布函数的数据做相位修正；
19.步骤五、根据望远镜天线反射面口面中心与参考喇叭中心到信标源的距离不同，修正步骤四得到的数据的近场相位；
20.步骤六、对步骤五修正后的所有数据做局部插值，得到近场二维辐射方向图的振幅与相位分布；
21.步骤七、将步骤六得到的振幅与相位分布进行傅里叶逆变换得到望远镜口面场振幅与相位分布；
22.步骤八、修正口面场的轴向偏焦误差：即根据已知的轴向偏焦误差计算出其引入的口面场光程差，并将该光程差补入步骤七得到口面场复分布函数中，得到口面场相位分布；
23.步骤九、修正望远镜主焦馈源喇叭的相位分布对口面场相位分布的影响：即用步骤八得到的口面场相位分布减去主焦馈源喇叭的相位分布，得到线性相位；
24.步骤十、曲面拟合修正常数和线性相位，馈源偏移的贡献，计算出各频点对应的天线面形误差分布图与其rms值；
25.步骤十一、将得到的所有频点对应的望远镜天线面形误差分布图取平均得到最终的天线面形误差分布图，并求其rms。
26.本发明的有益效果是：
27.本发明的方法突破了传统近场全息测量中窄带发射信号的限制，可实现多频信号的同时测量，能在一次全息测量结束后得到相同条件下的多频信号数据，通过对多频信号数据进行fft和互相关运算得到多频频域复数值，然后对多频频域复数值进行修正和网格重整，并逐一反演至望远镜天线口面场进一步得到多频信号对应的面形误差分布图与面形误差rms(均方根)，最后取平均得到最终的天线面形误差分布与rms，本方法可以对多径效应具有很好的抑制效果。
附图说明
28.图1是多径效应引起的额外光程差示意图；
29.图2是fft相关算法流图；
30.图3是本发明主接收路的栅格扫描轨迹与采样点示意图；
31.图4是多频同时近场全息测量(主焦式安装)实验示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.应当理解,当在本说明书和所附权利要求书中使用时,术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在,但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤.操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
34.还应当理解,在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样,除非上
下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
35.在射电望远镜近场全息测量中根据主信号路接收喇叭安装位置的不同，可分为主焦全息和卡焦全息两种不同测量方案。在主焦全息测量中，主信号路接收馈源安装在反射面天线的主焦点位置附近，开口朝向主反射面，参考接收馈源与主馈源背对背安装。以主焦式近场全息测量为例进行说明，如图4所示。
36.多频同时近场全息测量系统主要包括三个部分：多频信号发射接收及互相关；互相关数据获取；多频互相关数据的处理等方面。
37.一、多频信号发射接收及互相关
38.(1)多频信号发射端
39.发射信标源一般放置在距被测望远镜约27米的高处，测量过程中位置固定。发射源信号采用梳状谱信号，主要由本振频率综合发生器、固定衰减器、集成发射模块、隔离器、可调衰减器以及发射波纹喇叭组成。其中，集成发射模块由8倍频器、上变频混频器与放大器组成。梳状谱信号的产生采用ni公司基于fpga的pxie-5785中频收发模块通过编程实现,梳状谱信号的频率范围为6.25mhz～1.2ghz(频率间隔6.25mhz),本振信号采用90ghz，共192条谱线数，经过隔离器和衰减器通过发射喇叭对外发射。
40.(2)多频双通道接收端
41.双通道接收端含有主接收路(s路)和参考接收路(r路)两路接收端。其中参考馈源位于主焦点处不动，主接收路馈源喇叭可以横向偏移在焦平面上扫描。望远镜天线在一定的范围内对发射源进行扫描，测量两接受路之间相位并输出电压幅度比。对扫描获得的焦面场采样数据进行一系列的坐标变换，然后利用傅里叶变换关系就可以获得抛物面天线表面的形变量。
42.(3)多频双通道fft互相关运算
43.主路接收信号和参考路接收信号同时进入数据采集及实时fft数字相关系统中，其算法流图如图2所示。相关机的数学原理是两个复数的相乘过程。即先做傅里叶变换，后做乘法。由数学定理可知时域卷积对应的是频域共轭相乘，对于以上信号的互相关的结果为y为时域卷积，s(t)和r(t)分别为主接收路和参考接收路的时域信号。ys为主路频域信号，y
r*
为参考路频域信号的共轭，再对y按照积分时间进行累加。ic(k)和qc(k)分别为有效通道信号抽取之后复数的实数和虚数部分。
44.这一部分在pxie-5785中频收发模块中通过labview编程实现。在数字采集相关器的上位机中对fft的全部频谱进行抽取，以获得1.5625mhz+n*3.125mhz各个频率点，并将各个频率点的实部和虚部进行保存操作。
45.二、互相关数据获取：
46.为了获得望远镜全部的天线面型数据，被测望远镜采用栅格扫描的方式绕发射源运动。开始扫描前做一次中心校准，每扫描一行结束后回中心位置做一次中心校准，直至扫描结束最后做一次中心校准。望远镜扫描轨迹如图3所示黑点表示采样点位，箭头代扫描过程天线的运动路径，(a)-(i)为采样点，该轨迹为面对望远镜反射面的方向。若扫描网格大小为n*n矩阵，则中心校准的次数为n+1，当扫描网格大小为45x45矩阵时，完成一次扫描测量需要的时间为33分钟，校准次数为46次。
47.在扫描过程中，望远镜需要按照一定的指令做俯仰和方位的运动。这些指令是由
望远镜运动控制计算机发出，该计算机通过串口与望远镜的控制系统进行通讯，将望远镜将要到达的位置逐条通过串口发送到伺服控制模块中，使得望远镜完成图3中的扫描。
48.另外该望远镜运动控制计算机还与数字采集相关器(ni系统)通过串口进行通讯。将望远镜当前所处的行列号、俯仰及水平角度等信息发送给数字采集相关器计算机。这些信息由开发人员人为进行定义。在实际中，望远镜运动控制计算机与数字采集相关器之间的通讯协议定义如下：
49.*/rtreq《sp》《line》《sp》《row》《sp》《adeckang》《sp》《edeckang》《sp》《counter》《sp》《cali》。该协议共包含46个字节，具体的解析内容如下：
[0050][0051]
数字采集相关器采用labview编写上位机数据采集程序。此程序主要实现三部分的功能：(1)通过串口与天线运动控制计算机进行通讯，接收望远镜运动控制计算机发来的指令，获得当前望远镜所处的行列号，当前望远镜的俯仰、方位角数据和当前的扫描的状态(正在行列扫描或者正在进行中心校准)。(2)采用labview的fft内核模块以及运算器，自定义内存，fifo，以及队列管理模块通过图形化编程获得主接收路和参考接收路fft互相关之后的频域复数值。本技术中在发射端所发射的谱线数为384个，对于某一特定频率的谱线，其两路互相关所生成的是一组实部加虚部的复数值，所以在384个谱线(发射频率)所对应的互相关处理之后的数据是384个复数值，即384个实部加上384个虚部。(3)在每一个栅格
扫描的位置上都进行互相关运算，生成一系列的复数数据。在所有栅格扫描点上都进行互相关运算，将望远镜的位置信息等一起提取，并以txt文件的形式保存所有扫描的互相关数据，包括栅格扫描和中心点校准数据。
[0052]
同时，为了数据处理方便，对于所生成的txt文件，也进行了格式上的定义。正常行列扫描状态下，其生成的文件名为scan.txt，其文件由多行数据组成，每一个id对应一行数据，每一行数据的内容包含id号、扫描行号、扫描列号、俯仰角、方位角、各频点的互相关实部和虚部数据组成，具体格式见下表。
[0053][0054]
当扫描处于中心校准情况下时，所生成的文件名为cali.txt，其文件格式与正常扫描相似，但是望远镜所处的行列号是固定的，具体格式见下表：
[0055]
[0056]
三、多频互相关数据的处理
[0057]
处理过程主要为以下几个步骤：
[0058]
步骤一、扫描数据平均处理：将将扫描文件scan.txt文件中的每个采样点重复采样的数据取平均，得到384组采样点数为2025(45*45)点的实部与虚部数据，并进一步得到其对应的复数，
[0059]
步骤二、中心校准数据平均处理：将中心校准的数据cali.txt做同样的操作，即将中心校准的数据取平均，得到384组采样点数为46的实部与虚部数据，并进一步得到其对应的复数，
[0060]
步骤三、拟合中心校准数据，并用拟合曲线数据对扫描数据做校正：即将步骤二获得的中心校准数据采用插值法获得拟合曲线的数据，再用步骤一处理后的扫描数据除以该拟合曲线的数据，得到校正后的方向图复分布函数；
[0061]
步骤四、修正像场旋转：即修正望远镜天线口面中心与旋转中心不重合导致在天线运动过程中产生的附加光程与视差效应的影响，修正方法为采用旋转矩阵对将步骤三处理得到的方向图复分布函数的数据做相位修正；
[0062]
步骤五、根据望远镜天线反射面口面中心与参考喇叭中心到信标源的距离不同，修正步骤四得到的数据的近场相位；
[0063]
步骤六、对步骤五修正后的所有数据做局部插值，得到近场二维辐射方向图的振幅与相位分布；
[0064]
步骤七、将步骤六得到的振幅与相位分布进行傅里叶逆变换得到望远镜口面场振幅与相位分布；
[0065]
步骤八、修正口面场的轴向偏焦误差：即根据已知的轴向偏焦误差计算出其引入的口面场光程差，并将该光程差补入步骤七得到口面场复分布函数中，得到口面场相位分布；
[0066]
步骤九、修正望远镜主焦馈源喇叭的相位分布对口面场相位分布的影响：即用步骤八得到的口面场相位分布减去主焦馈源喇叭的相位分布，得到线性相位；
[0067]
步骤十、曲面拟合修正常数和线性相位，馈源偏移等的贡献，计算出各频点对应的天线面形误差分布图与其rms值；
[0068]
步骤十一、将得到的所有频点对应的天线面形误差分布图取平均得到最终的望远镜天线面形误差分布图，并求其rms。
[0069]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。