一种应用于月背的大口径射电望远镜系统的制作方法

1.本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种应用于月背的大口径射电望远镜系统。


背景技术：

2.在月球背面建设超长波射电望远镜阵列，开展sub-30mhz波段射电天文观测，实现对宇宙电离氢、太阳电爆、以及行星、类星体等甚低频射电信号的高分辨率探测，将有可能在宇宙学和太阳系外行星领域做出巨大探索发现。
3.现有中还没有有关月球背面建设射电望远镜，从而不能满足针对宇宙黑暗时代、背景辐射、以及系外行星等甚低频信号的探测要求。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种应用于月背的大口径射电望远镜系统，为月基大口径射电望远镜的工程实现奠定重要基础。
5.本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种应用于月背的大口径射电望远镜系统，包括：天线干涉阵列、电光转换链路、月面数字中心、中继发射天线、月球中继星和地面数据处理中心；其中，所述天线干涉阵列通过综合孔径干涉测量原理采集场景辐射信号，将场景辐射信号传输至所述电光转换链路；所述电光转换链路接收场景辐射信号，对场景辐射信号处理后得到光信号，通过光纤将光信号传输到所述月面数字中心；所述月面数字中心对光信号进行解调处理得到调制信号，并通过中继发射天线将调制信号传送至月球中继星并进行上变频转发后回送至所述地面数据处理中心进行大数据处理及反演成像。
6.上述应用于月背的大口径射电望远镜系统中，所述天线干涉阵列包括中心致密阵和周围稀疏阵；其中，所述中心致密阵包括多个阵元；其中，多个阵元按照等边三角形周期性排布，整体形成一个正六边形致密阵列；所述周围稀疏阵沿所述中心致密阵的径向向外扩散。
7.上述应用于月背的大口径射电望远镜系统中，所述中心致密阵中相邻两个阵元的距离为20m-25m。
8.上述应用于月背的大口径射电望远镜系统中，所述周围稀疏阵的每个臂的第n个阵元的中心距离距离第1个阵元的中心距离正比于n
2.2
。
9.上述应用于月背的大口径射电望远镜系统中，一个阵元是一个天线子阵；其中，每个天线子阵包括偶极子单元、底板、爪型支撑座；其中，所述爪型支撑座的一端与所述底板相连接，所述爪型支撑座的另一端与所述偶极子单元相连接；天线子阵收拢时可形成一个正方形“盒式”结构，展开时使得四个爪型支撑座同时转动，并呈“花瓣式”展开。
10.上述应用于月背的大口径射电望远镜系统中，偶极子单元的数量为16个，16个偶极子单元形成一个4
×
4等间距矩形排布的偶极子阵列结构。
11.上述应用于月背的大口径射电望远镜系统中，所述偶极子单元包括四个辐射体、双极化馈电网络和中心支撑杆；其中，四个辐射体均和所述中心支撑杆相连接；所述双极化
馈电网络设置于所述中心支撑杆的顶端；每个辐射体包括馈电臂、辐射臂、伸缩臂和短路臂；其中，所述馈电臂的一端与所述中心支撑杆相连接，所述馈电臂的另一端与所述辐射臂的一端相连接，所述辐射臂的另一端与所述伸缩臂的一端相连接，所述伸缩臂的另一端与所述短路臂的一端相连接，所述短路臂的另一端与所述中心支撑杆相连接。
12.上述应用于月背的大口径射电望远镜系统中，所述天线干涉阵列的输出响应通过如下公式得到：
[0013][0014]
其中，rc为天线干涉阵列的输出响应，为源亮度，为方向矢量，v为观测频率，为基线函数，c为光速，dω为立体角积分。
[0015]
上述应用于月背的大口径射电望远镜系统中，所述天线干涉阵列为二维天线阵列时，天线干涉阵列的远场方向图为
[0016]
f(u,v)＝fe(u,v)af(u,v)；
[0017]
其中，θ和分别表示天线干涉阵列在三维空间的俯仰角和方位角，fe(u,v)表示阵列单元有源方向图，af(u,v)为阵因子，u和v均为空间频率函数。
[0018]
上述应用于月背的大口径射电望远镜系统中，阵因子af(u,v)为：
[0019][0020]
其中，a
mn
为二维矩阵第(m，n)个阵元激励幅度，m和n均为计数单位，m为矩阵行数，n为矩阵列数，k为波矢量，λ为自由空间波长，d为阵列间距。
[0021]
上述应用于月背的大口径射电望远镜系统中，所述电光转换链路包括低噪放大处理器、ad处理器和电光调制器；其中，所述低噪放大处理器对场景辐射信号进行低噪放大处理后得到模拟信号，将模拟信号传输给所述ad处理器；所述ad处理器对将模拟信号处理得到数字信号后传输给所述电光调制器；所述电光调制器对数字信号处理得到光信号。
[0022]
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0023]
(1)本发明涉及天线干涉阵、月面数据交互、以及中继星数据回传等系统构建，可实现优于1mjy的探测灵敏度和角秒级的空间角分辨率性能特性，填补了该领域的技术空白；
[0024]
(2)本发明的大口径天线干涉阵列布局设计，采用六边形致密阵+双y形稀疏阵的新构型布局设计，在引入相对较少的天线阵元个数的条件下，一方面有效增加天线干涉阵列短基线密度与中心区灵敏度，另一方面有效增加了空间采样范围与角分辨率；
[0025]
(3)本发明的低剖面可展开天线子阵结构，可实现16个偶极子单元一体化收拢与展开，结构收纳比接近4:1，对于星载可收展天线的设计提供一种新解决方案，提升了火箭运载的效率；
[0026]
(4)本发明的超宽带双极化偶极子单元设计，该天线具备宽频带、小型化、易收拢的特点，采用特定的短路加载的方式，有效将天线横向包络尺寸减小接近50％，对于低频天
线的小型化设计具有重要借鉴意义。
附图说明
[0027]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0028]
图1是本发明实施例提供的应用于月背的大口径射电望远镜系统的框图；
[0029]
图2是本发明实施例提供的天线干涉阵列布局设计示意图；
[0030]
图3是本发明实施例提供的天线子阵的示意图；
[0031]
图4是本发明实施例提供的偶极子单元的示意图；
[0032]
图5是本发明实施例提供的超宽带双极化天线单元结构展开示意图；
[0033]
图6是本发明实施例提供的超宽带低频天线单元辐射方向图；
[0034]
图7是本发明实施例提供的4
×
4天线子阵结构示意图；
[0035]
图8是本发明实施例提供的天线阵列中心致密阵uv覆盖图；
[0036]
图9是本发明实施例提供的天线阵列周围稀疏阵uv覆盖图。
具体实施方式
[0037]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0038]
在月球背面建设射电望远镜，一方面不受到地球电离层的影响，可以观察由于电离层反射而地面无法观测的频率低于30mhz的宇宙辐射，捕捉古老的宇宙信号；另一方面可充分利用月球本体有效遮挡来自地球表面的低频射电信号干扰，可提供极为“干净”的空间观测环境，大大提高天文观测的灵敏度。月面更容易完成超大口径射电望远镜天线阵列的布置，且具有更好的技术继承性，后端数据处理系统可完全参照地基射电观测系统。
[0039]
然而，在月背建设大口径射电望远镜天线阵列，首先需要考虑甚低频段天线单元的包络尺寸过大的问题，必须具备小型化、收拢可展开能力，以匹配卫星平台包络尺寸限制要求；其次需要考虑科学目标探测灵敏度和分辨率要求，天线阵列必须具备足够的有效接收面积与基线长度，以保证综合孔径干涉测量的采样密度与波束增益要求；最后需要考虑月面以及月地的高速率、宽带宽数据传输链路的构建，确保观测数据能够及时有效的传输返回地面进行处理，这是完全不同于地面天文台运行的新工作模式。
[0040]
图1是本发明实施例提供的应用于月背的大口径射电望远镜系统的框图。如图1所示，该应用于月背的大口径射电望远镜系统包括：天线干涉阵列、电光转换链路、月面数字中心、中继发射天线、月球中继星和地面数据处理中心。
[0041]
其中，
[0042]
所述天线干涉阵列通过综合孔径干涉测量原理采集场景辐射信号，将场景辐射信号传输至所述电光转换链路；所述电光转换链路接收场景辐射信号，对场景辐射信号处理
后得到光信号，通过光纤将光信号传输到所述月面数字中心；所述月面数字中心对光信号进行解调处理得到调制信号，并通过中继发射天线将调制信号传送至月球中继星并进行上变频转发后回送至所述地面数据处理中心进行大数据处理及反演成像。
[0043]
电光转换链路包括低噪放大处理器、ad处理器和电光调制器；其中，所述低噪放大处理器对场景辐射信号进行低噪放大处理后得到模拟信号，将模拟信号传输给所述ad处理器；所述ad处理器对将模拟信号处理得到数字信号后传输给所述电光调制器；所述电光调制器对数字信号处理得到光信号。
[0044]
如图2所示，天线干涉阵列包括中心致密阵和周围稀疏阵；其中，所述中心致密阵包括多个阵元；其中，多个阵元按照等边三角形周期性排布，整体形成一个正六边形致密阵列；所述周围稀疏阵沿所述中心致密阵的径向向外扩散。
[0045]
具体的，天线干涉阵列采用中心致密阵+周围稀疏阵的布局设计，每个干涉阵元是一个天线子阵。其中，中心致密阵约有331个阵元，每个阵元按照等边三角形周期性排布，整体形成一个正六边形致密阵列，分布于直径约为500m的区域内，相邻两个阵元之间的间距约为20m-25m(优选的为20m)。周围稀疏阵约有120个阵元，采用“双y形”布局向外扩散，每个臂设计20个阵元，臂的第n个阵元距离起始第1个阵元中心距离正比于n
α
(α≈2.2)。最大基线长度约为30km，最短基线长度约为20m。
[0046]
如图3所示，一个阵元是一个天线子阵；其中，每个天线子阵包括偶极子单元、底板、爪型支撑座；其中，所述爪型支撑座的一端与所述底板相连接，所述爪型支撑座的另一端与所述偶极子单元相连接；天线子阵收拢时可形成一个正方形“盒式”结构，展开时使得四个爪型支撑座同时转动，并呈“花瓣式”展开。
[0047]
如图7所示，天线子阵由16个天线单元组成，布阵方式为等间距的4
×
4的矩形阵列，每个偶极子单元间距约为2m，后端通过模拟波束网络进行合成。主要由底板、爪型支撑座、偶极子以及各种铰链组成，具备收拢可展开功能。收拢时可形成一个正方形“盒式”结构，收拢尺寸约为2m
×
2m
×
0.1m；展开时通过铰链支的运动使得四个爪型支撑座同时转动，并呈“花瓣式”展开，展开后尺寸约为7.5m
×
7.5m
×
0.75m。天线子阵展开过程分为三步：
[0048]
第一步，爪型支承座与底板解锁，通过两个铰链支座1和两个铰链支座2的旋转运动，使得四个爪型支撑座同时向外转动，呈“花瓣式”展开，至一个平面后铰链支座锁定。铰链支座的展开动力源可以采用电机，也可以采用弹簧机构；
[0049]
第二步，解锁完成后，天线单元从爪型支撑座槽中脱离，16个收拢态的天线单元在根部弹簧铰链动力源作用下展开，至与爪型支撑座垂直后锁定；
[0050]
第三步，天线单元解锁，在弹簧铰链动力源作用下展开到位，最终形成设计的天线子阵结构。
[0051]
本发明的望远镜天线阵列采用综合孔径干涉测量原理，中心致密阵具有足够密度的短基线数量，uv分布图如图8所示。周围稀疏阵可以获得最长的基线长度，uv分布图如图9所示。
[0052]
如图4所示，偶极子单元包括四个辐射体、双极化馈电网络和中心支撑杆；其中，四个辐射体均和所述中心支撑杆相连接；所述双极化馈电网络设置于所述中心支撑杆的顶端；每个辐射体包括馈电臂、辐射臂、伸缩臂和短路臂；其中，所述馈电臂的一端与所述中心支撑杆相连接，所述馈电臂的另一端与所述辐射臂的一端相连接，所述辐射臂的另一端与
所述伸缩臂的一端相连接，所述伸缩臂的另一端与所述短路臂的一端相连接，所述短路臂的另一端与所述中心支撑杆相连接。
[0053]
超宽带双极化天线单元即偶极子单元采用采用锥形双层四臂偶极子形式，包括馈电臂、辐射臂、伸缩臂、短路臂、双极化馈电网络和中心支撑杆，其中，馈电臂、辐射臂、伸缩臂和折短路臂共同组成了天线的辐射体，相比于传统1/2波长偶极子天线，该形式将偶极子的四个臂长度通过向下折弯大大减短，整个投影口径尺寸约为1.5m；中心支撑杆由中心镂空的金属杆及之间的介质支撑构成，主要作用是为天线及双极化馈电网络提供支撑。双极化馈电网络采用有源加载方式，工作频率可覆盖1mhz～100mhz。
[0054]
如图5和图6所示，偶极子单元结构体由四组相同的连杆机构周向均布而成，连杆机构由1个直线副和5个转动副组成，可完成阵子收拢与展开。与中心杆相连的关节采用片簧铰链，再选择任意一个转动副采用弹簧铰链驱动，其余节点处均不用安装动力源，即可实现阵子展开。天线单臂长度为0.75m，极化为双线极化，工作带宽可覆盖1mhz～100mhz，天线波束为全向波束，峰值增益约为0db@50mhz。
[0055]
月面各干涉阵元的数据交互是通过光纤传输实现，保证了1gbps的数据传输速率。月地数据交互是通过月面数据中心发射天线与月球中继星，以及月球中继星与地面数据处理中心无线射频链路实现(ka频段)，保证了100mbps以上的数据传输速率以及2ghz传输带宽。
[0056]
本发明天线阵列采用综合孔径干涉测量原理，利用排小孔径天线阵列的两两相关实现观测场景的空间频率域测量(称为空间频率采样)，，对场景辐射信号用成对的小天线替代大口径天线并接收测量数据拟合，并对测量得到的可见度函数采样进行反演成像，这样可以很好地解决实孔径天线口径大的问题，提高分辨率。
[0057]
对一个目标展源，干涉阵的输出响应可以通过对天空立体角的积分来得到。忽略频率因素，这一响应可以表示为：
[0058][0059]
其中，rc为天线干涉阵列的输出响应，为源亮度，为方向矢量，v为观测频率，为基线函数，c为光速，dω为立体角积分。
[0060]
这里，为源的亮度，矢量β是基线的函数，σ为方向矢量。上式中的cos、sin项被称作条纹方向图。因此，相关干涉的作用可以看作是将源的亮度分布与条纹方向图进行相乘，并在天空方向进行积分。条纹的方向取决于基线矢量，条纹的间隔则与(角尺度λ/b)基线的长度和观测波长有关。对一个二维天线阵列，矩形阵列的远场方向图可以写成单元有源方向图与阵因子乘积的形式，如下所示：
[0061]
f(u,v)＝fe(u,v)af(u,v)
[0062]
其中，θ和分别表示天线干涉阵列在三维空间的俯仰角和方位角，fe(u,v)表示阵列单元有源方向图，af(u,v)为阵因子，u和v均为空间频率函数。
[0063]
该平面阵列的阵因子af(u,v)可以写成：
[0064][0065]
其中，a
mn
为二维矩阵第(m，n)个阵元激励幅度，m和n均为计数单位，m为矩阵行数，n为矩阵列数，k为波矢量，λ为自由空间波长，d为阵列间距。
[0066]
上述公式描述的是综合孔径成像中的基本变换关系.即源的亮度和可见度函数是一个博里叶变换对。这就意味着如果我们测量了可见度，就可以推导出射电源的亮度分布。后续数据处理时可通过定义一个天线采样函数，与其进行卷积，即可得到图像的原始亮度。
[0067]
本实施例针对宇宙黑暗时代、背景辐射、以及系外行星等甚低频信号的探测要求，涉及阵列布局设计以及数据交互链路系统设计等，可实现优于1mjy的探测灵敏度和角秒级的空间角分辨率探测性能要求。同时创新性提出了16元可展开子阵结构设计，完全满足运载包络尺寸的限制要求，为月基大口径射电望远镜的工程实现奠定重要基础。
[0068]
本发明涉及天线干涉阵、月面数据交互、以及中继星数据回传等系统构建，可实现优于1mjy的探测灵敏度和角秒级的空间角分辨率性能特性，填补了该领域的技术空白；本发明的大口径天线干涉阵列布局设计，采用六边形致密阵+双y形稀疏阵的新构型布局设计，在引入相对较少的天线阵元个数的条件下，一方面有效增加天线干涉阵列短基线密度与中心区灵敏度，另一方面有效增加了空间采样范围与角分辨率；本发明的低剖面可展开天线子阵结构，可实现16个偶极子单元一体化收拢与展开，结构收纳比接近4:1，对于星载可收展天线的设计提供一种新解决方案，提升了火箭运载的效率；本发明的超宽带双极化偶极子单元设计，该天线具备宽频带、小型化、易收拢的特点，采用特定的短路加载的方式，有效将天线横向包络尺寸减小接近50％，对于低频天线的小型化设计具有重要借鉴意义。
[0069]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。