一种测量大型抛物面天线重力变形的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及甚长基线干设，即VLBI(ve;ry long baseline interferomehy)技术， 尤其设及一种基于VLBI技术测量大型抛物面天线重力变形的方法。
【背景技术】
[0002] 如图1所示，大型抛物面天线主要包括主面1、副面2和馈源3Ξ部分，且该副面2由 一副面支架4支撑在主面1上。由于天线的重力变形会导致天线工作效率下降，因而历来是 科技人员关注的问题。
[0003] 大型抛物面天线的重力变形主要设及主面重力变形和副面支架重力变形两个方 面，前者表现为主面面形偏差随俯仰角变化，后者表现为主副面的准直关系随俯仰角的变 化，而主副面的准直关系由副面位置偏移决定。在现有技术中，通常将主面面形偏差和副面 位置偏移折算成一个变量，即，主面精度进行测量。
[0004] 为了测量大型抛物面天线的重力变形，目前采用了经缔仪测量法、摄影测量法和 微波全息测量法等测量手段。其中，采用经缔仪和摄影测量法测量大型抛物面天线重力变 形的精度可达到0.2~0.3mm，但经缔仪测量法需要科技人员在天线上进行操作，并且一般 只能在一个俯仰角下（即在天线指向天顶时)进行操作，因而无法测得主面精度随俯仰角的 变化;摄影测量法可W在多个俯仰角下测量主面精度，但是随着面形的增大，拍摄的祀标量 会相应增加，需要采用的吊车也会更大，每次测量的时间和经费成本也相应攀升。W65米天 线为例，如果采用摄影测量法，自布祀、照相、数据处理至得到结果的时间估计在12小时W 上，整个测量服务成本20万W上。而且，摄影测量法均是在夜晚采用吊车装载工人照相，白 天处理数据，如果连续反复测量，工人会十分辛苦，因而现实中一般只测量有限的个别俯仰 角上的测量结果，对于全面了解天线主面精度随各个俯仰角的变形情况，数据是不完备的。
[0005] 微波全息法是抛物面天线主面精度检测的一个重要方法，全息法测量天线主面精 度基于如下的电磁理论及几何事实实现：
[0006] 电磁理论：由于天线主面的远场和口径场存在二维傅里叶变换关系，因而通过测 量复数平面内天线福射场(远场)的幅度和相位，就可W通过数学手段推出天线口径场的幅 度和相位分布，然后根据天线抛物面与口径面的几何关系就可W得到天线主面精度。
[0007] 几何事实:如果天线主面是理想抛物面，信号经过抛物面反射后，在天线口径平面 上的波前相位值将处处相等（因为从焦点到口径平面的光程距离相等），然而在现实情况 下，天线面不会是完全理想的抛物面，所W在口径平面上的相位也必然不相等，在信号波长 已知的情况下，通过检测运个相位差，从理论上就可W确定天线主面精度。
[000引在测量的实现手段上，微波全息法利用天线的口径场与远场存在的傅立叶变换关 系，通过测量远场的幅度和相位来反推天线口径场的幅度和相位分布，并通过天线口径场 的相位分布，得到天线主面精度。在测量过程中，该方法首先包括在被测天线附近架设一参 考天线，并使被测天线和参考天线同时接收一地球同步卫星的信标信号;然后通过一双通 道相关机对被测天线和参考天线输出的两路信号进行相关运算来测定被测天线远场的幅 度和相位，从而获得被测天线的主面精度。然而，由于同步卫星只分布在赤道上空的某几个 位置，因而对于一位置确定的被测天线来说，不可能测量其主面精度随全部俯仰角的变化 情况。
[0009] 此外，上述Ξ种方法测量的天线重力变形均为天线总的主面精度随俯仰角的变 化，而并未进一步测得天线主面面形偏差和副面位置偏移分别随俯仰角的变化。
【发明内容】
[0010] 针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于化BI技术测量大型抛物面天线重 力变形的方法，W精确测量天线主面面形偏差和副面位置偏移分别随天线俯仰角的变化。
[0011] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0012] 一种测量大型抛物面天线重力变形的方法，包括W下步骤：
[0013] 步骤S1，提供一参考天线，与被测天线组成甚长基线干设仪；
[0014] 步骤S2,将参考天线始终对准一射电源而被测天线围绕该射电源进行扫描，W使 参考天线和被测天线分别接收该射电源发射的射电源信号；
[0015] 步骤S3,对被测天线和参考天线接收的两路射电源信号进行信号处理，W得到被 测天线的口径场相位；
[0016] 步骤S4,当被测天线的俯仰角每转动预定角度时，重复执行一次步骤S1-S3，W得 到被测天线在相应的各俯仰角下的口径场相位，该口径场相位为主面精度对应的口径场相 位；
[0017] 步骤S5,获取被测天线在各俯仰角下的副面位置偏移对应的口径场相位，并得到 被测天线的副面位置偏移量随俯仰角的变化；
[0018] 步骤S6,将被测天线在各俯仰角下的所述主面精度对应的口径场相位减去所述副 面位置偏移对应的口径场相位，而得到被测天线在各俯仰角下的主面面形偏差对应的口径 场相位，并对所述主面面形偏差对应的口径场相位进行拟合而得到被测天线的主面面形偏 差随俯仰角的变化。
[0019] 优选地，在所述步骤2中，被测天线围绕该射电源进行福射扫描或栅格扫描。
[0020] 进一步地，所述步骤2还包括将被测天线和参考天线各自接收的射电源信号分别 存入一数据记录装置中。
[0021] 进一步地，所述步骤3包括：
[0022] 步骤S31，对被测天线和参考天线接收的两路射电源信号进行互相关处理，W得到 被测天线的远场相位；W及
[0023] 步骤S32,对被测天线的所述远场相位进行傅里叶变换，并对变换的结果进行内插 运算和拟合运算而得到被测天线的口径场相位。
[0024] 优选地，在所述步骤S4中，所述预定角度为2-5度。
[00巧]进一步地，所述步骤5包括：
[0026] 步骤S51，建立被测天线副面位置偏移对应的口径场相位与副面位置偏移量之间 的模型式，同时建立所述副面位置偏移量与俯仰角之间的方程式；
[0027] 步骤S52,将所述方程式代入所述模型式，得到被测天线副面位置偏移对应的口径 场相位与俯仰角之间的关系式；
[0028] 步骤S53,采用最小二乘法求解所述关系式，从而得到各俯仰角下被测天线的副面 位置偏移对应的口径场相位;W及
[0029] 步骤S54,根据所述关系式求解所述方程式，从而得到被测天线的副面位置偏移量 随俯仰角的变化。
[0030] 优选地，所述步骤S31还包括采用条纹旋转法对被测天线的远场相位进行延时补 偿。
[0031] 综上所述，本发明通过步骤S5和S6对天线主面面形偏差和副面位置偏移进行了分 离，从而分别得到了天线主面面形偏差和副面位置偏移量随俯仰角的变化，为天线主面面 形和副面位置的调整提供了依据。另外，本发明的观测对象为射电源（即恒星)而不是地球 同步卫星，由于地球转动，射电源相对于地球的位置会发生连续俯仰变化，因而当被测天线 始终围绕射电源进行连续扫描时，其俯仰角度可在90度俯仰角范围内连续变化，从而能够 实现90度全俯仰角范围内的天线重力变形测量。
【附图说明】
[0032] 图1为大型抛物面天线的结构示意图；
[0033] 图2为本发明一种测量大型抛物面天线重力变形的方法的流程图；
[0034] 图3为本发明采用的福射扫描方式的扫描示意图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予W详细描述。
[0036] 众所周知，VLBI测量技术是指将两台或两台W上分布在不同地点的射电望远镜联 网同时工作，综合成一个巨大口径的望远镜，W提高天文观测的角分辨率和测量精度。其主 要特点是：采用高稳定度的独立本振系统（一般为氨原子钟）和数据记录装置（一般为磁 带）；由两个或两个W上的大型抛物面天线分别在同一时刻接收同一观测目标的信号，各自 记录在磁带上;然后将信号一起发送到相关机中进行相关运算，求出观测值。运种干设测量 方法的优点是基线长度原则上不受限制，可长达几千公里，因而极大地提高了分辨率。
[0037] 基于上述化BI技术，本发明提供了一种测量大型抛物面天线重力变形的方法，用 W测量被测天线的主面面形偏差随俯仰角的变化W及副面位置偏移量随俯仰角的变化，如 图2所示，该方法W恒星（即射电源)为观测对象，主要包括W下步骤：
[0038] 步骤S1，提供作为参考天线的一大型抛物面天线，与被测天线组成甚长基线干设 仪，W射电源为观测目标进行观测。因为在测量时，若射电源的信号强度和角径大小会影响 远场二维方向图的波束宽度，若射电源信号强度不够则无法干设出远场二维方向图，若射 电源的角径很大则会延展远场二维方向图的波束宽度，而波束宽度变宽会导致失真，从而 影响测量精度。因此，为了提高测量精度，优选采用强度高、角径小的射电源
[0039] 步骤S2,使参考天线始终对准射电源，被测天线围绕该射电源进行扫描运动，W分 别接收射电源发射的射电源信号，并将被测天线和参考天线各自接收的射电源信号分别存 入一数据记录装置中。
[0040] 步骤S3,对被测天线和参考天线接收的两路射电源信号进行信号处理，W得到被 测天线的口径场相位，其中，此处的信号处理步骤与微波全息法中的信号处理步骤相同，具 体包括：
[0041] 步骤S31，对两路射电源信号进行互相关处理，即可解算得到包含主瓣和多级旁瓣 的天线远场二维方向图的相位，该二维方向图的相位即为被测天线的远场相位；
[0042] 步骤S32,根据天线的口径场与远场存在的傅立叶变换关系，对被测天线的远场相 位进行傅里叶变换，并对变换的结果进行内插运算和拟合运算，即可得到被测天线的口径 场相位。
[0043] 步骤S4,当被测天线的俯仰角每转动预定角度(例如2-5度)时，重复执行一次步骤 S1-S3，从而得到各俯仰角下对应的被测天线的口径场相位，也就是得到被测天线口径场相 位随各俯仰角的变化。此处得到的口径场相位为天线主面精度对应的口径场相位，由于