[发明专利]一种射电望远镜天线反射面变形检测方法及系统

说明书

本发明公开一种射电望远镜天线反射面变形检测方法及系统。该方法包括：在射电望远镜天线口径场内选取预设大小的窗口；获取使窗口处口径场的相位分别产生第一形变量、第二形变量和第三形变量时天线测量的二维远场强度分布图，得到第一远场幅值分布、第二远场幅值分布和第三远场幅值分布；将第一远场幅值分布、第二远场幅值分布、第三远场幅值分布、第一形变量、第二形变量代入对焦远场幅值、对焦远场相位、形变量、调制远场幅值之间的关系式计算得到对焦远场幅值和对焦远场相位；将对焦远场幅值和对焦远场相位代入口径场相位分布的表达式得到口径场相位分布，根据口径场相位分布计算天线反射面变形分布。本发明能够提高天线反射面变形检测的效率。

技术领域

本发明涉及射电望远镜天线领域，特别是涉及一种射电望远镜天线反射面变形检测方法及系统。

背景技术

为保证QTT(QiTai Telescope，奇台射电望远镜，建成后将是我国最大口径的全可动望远镜)在100GHz以上高频观测时能够达到足够的分辨率，主反射面变形均方根要求要低于0.2mm。由于尺寸和重量巨大，QTT天线受到重力、温度和风载等因素造成的反射面变形复杂多变，不同姿态下重力变形分布差别很大，可能严重影响天文观测效率。

为了对天线面形误差进行实时修正，国内外的大型射电望远镜诸如TM-65m(天马射电望远镜，上海天文台)、GBT-110m(绿岸望远镜，美国国家天文台)、Effelsberg-100m(艾佛斯伯格望远镜，欧洲天文台)一般都在主反射面下安装有主动面系统，用以对测量出的天线反射面变形做实时补偿和修正。目前，用于望远镜主反射面面型修正的主动面技术已经相当成熟，而在面形快速测量方面的理论和技术还存在较多不足。

天线面形测量领域中很重要的一类测量方法就是射电全息方法：利用天线口径场与远场之间互为傅立叶变换的基本原理，通过测量远场求解出口径场相位分布，而口径场相位分布也就是天线变形分布的一个直接反映。相位恢复射电全息测量技术典型操作是：通过正负离焦(一般是将副反射面在天线指向方向向上和向下移动一个波长左右)产生额外远场方向图，通过对信号源扫描采集到3张不同的幅值分布图。然后采用相位恢复算法从幅值分布图中求解出天线的口径场相位，即可得到反射面变形。

用于求解天线测量产生的相位恢复问题的经典傅立叶迭代算法如Misell算法的基本操作流程如下。

(1)算法输入：三组远场强度分布，以及正负离焦产生的相位因子。

(2)第1步：输入一个随机的远场相位，配合对焦远场反变换到对焦口径场。

(3)第2步：对焦口径场配合正离焦相位因子得到正离焦口径场，变换得到正离焦远场并保留相位，以实测正离焦远场强度数据替换计算值，然后反变换得到新的正离焦口径场。

(4)第3步：正离焦口径场配合正负离焦因子得到负离焦口径场，变换得到负离焦远场并保留相位，以实测负离焦远场强度数据替换计算值，然后反变换得到新的负离焦口径场。

(5)第4步：负离焦口径场配合负离焦相位因子得到对焦口径场，变换得到对焦远场并保留相位，以实测对焦远场强度数据替换计算值，然后反变换得到新的对焦口径场。

(6)重复第2～4步，直到算法收敛到满意结果。

(7)收敛性表征：迭代过程中计算得到的远场强度和实测远场强度之间的RMS(RootMean Square，均方根)值。

Misell等以实测强度作为约束的傅立叶迭代算法能够保证一致性的收敛过程，但是收敛往往很快陷入停滞。具体的，以Misell算法为代表的天线面形测量的相位恢复算法一般具有以下3个方面的重大缺陷。

(1)初值敏感问题：不同的初始相位值输入将得到不同的收敛结果。

(2)收敛停滞问题：迭代算法因为问题高度非线性非凸特别容易陷入停滞。