CN104048620B - 一种射电望远镜天线面形绝对定标装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射电望远镜天线面形绝对定标装置和方法。一种射电望远镜天线面形绝对定标装置由PSD位置传感器阵列、支撑轴、环形激光器和控制电路组成，PSD位置传感器阵列由若干同轴的PSD位置传感器圈组成，每个PSD位置传感器圈由若干以中心轴线上多个位置点为圆心、光敏面正对并平行于中心轴线的PSD位置传感器单元组成；支撑轴设在中心轴线上，支撑轴设有环形激光器，环形激光器的发射面垂直于中心轴线。本发明的装置结构简单，成本低廉，制作和装配容易。本发明的方法便于射电望远镜的主动反射面升级，实时保证了射电望远镜的性能，实施工艺简单。

Description

一种射电望远镜天线面形绝对定标装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于环形激光器和PSD阵列的射电望远镜天线面形绝对定标装置和方法，非常适用于射电望远镜的射电面板的绝对拼接定标检测和校正。

背景技术

射电望远镜通常具有很大口径，其天线（主面板）通常由大批量小面板拼接而成，比如65米口径射电望远镜天线由几千块一米量级的面板拼接组成，在该射电望远镜安装和投入正式运行过程中，在重力和风力等外载的影响下，都必须保证其抛物面的整体面型在允许的范围内。除了考虑天线背架的支撑保型设计之外，大批量面板拼接检测也是射电望远镜设计和运行的关键部分，尤其是最核心的面形的绝对定标检测方法，实现整个主反射面要求的理论设计的面形，而非仅仅某时刻上主反射面上面形相对变化的维持测量。

射电望远镜越来越要求从基于数学模型上的被动控制朝动态实时面型调整发展，这就需要一种实时检测技术，可以评估在任意天顶距下的实时面型。射电望远镜的面板检测是实时射电望远镜面板拼接的关键技术之一，而射电望远镜由于波段与光学红外望远镜不一样，其主镜（天线）的面形精度要求也相去甚远。根据衍射条件面形精度要求为二十分至一波长，亚毫米波段最短波长约0.2毫米，面板拼接共相的要求为二十分至一波长的均方根值，即面形精度10个微米。这与光学红外波段（比如可见光550纳米波长的27.5纳米的面形精度要求）放松了几百倍。通常射电望远镜在安装调试时进行使用上述方法，在中间天顶距/高度角进行面板调整及定标，使得面板精度达到二十分之一波长，在正式使用中不再对面板精度进行实时测量和调整，而只是通过望远镜的支撑设计保证。

常见的射电望远镜面板检测和调整方法，主要有光学方法、射电全息法、激光测量方法等。其中，经纬仪、激光跟踪仪、激光全站仪、激光测距仪等等方法，在固定望远镜某种姿态下（比如面板水平朝天或者竖直朝水平）它们都是具有能检测和调整面板的能力，使得面板达到设计公差指标，主要用于面板安装后投入使用前的整体面板形状检测和标定，缺点就是繁琐、批量检测需要大批量辅助用的靶标和后向反射器、不实时；射电全息法使用同步卫星、天文或人工射电源来测量整个天线的波前，只需要利用望远镜本身的接收机（最好频率接近于天线频率上限），硬件设备要求简单，但其不实时，只能在几个高度角上进行匹配，耗时长；而其它的照相法精度只能达到约0.1毫米，可见光波段的成像检测方法因为射电波段天线面板的大尺度、相对低的精度和野外视宁度问题，在这里也不能适用；

中国专利ZL200910212710.X“基于四边形子面板四点支撑的射电望远镜共相检测方法”，在天线中心的至少一整行和一整列的子面板上安置靶标，利用高精度的旋转跟踪扫描激光接收装置或跟踪扫描激光发射接收装置，至少扫描天线中心的一整行和一整列的子面板上的靶标，并通过高精度的编码器记录激光发射装置对准不同靶标的位置，通过对与激光反射装置一起平移旋转的拼接靶面的像斑位置信息的测量处理来获得角度数据，直接推导出所有面板的位置偏差、整个拼接天线的面形精度以及需要校正该面形精度所需要的支撑点位移，即促动器的改正量。该方法需要高精度的旋转跟踪扫描，这个重复跟踪指向精度很难做高，每次扫描的位置太多，拼接靶面设计也很难，安装、对准调整和实施都很复杂，也有困难；此外更大的问题在于易受环境背景光影响和不能实现主反射面的绝对面型的定标测量，只能测量相对的变化，用于主反射面绝对定标过后的面形相对维持的实时测量。

上述射电望远镜反射面检测方法的共同缺点是：只适合单个或某几个高度位置的反射面检测和复核，无法在射电望远镜工作过程中实时检测和保证其在安装调整好的经过标定过的面形精度，批量化实时检测的工作量特别繁重。

发明内容

为了克服上述天线反射面检测和调整方法的现有技术精度低、抗干扰能力差、或成本高昂、不实时和繁重、易受环境背景光影响的缺点，本发明针对射电望远镜主天线，通过简单易行的工艺设计，造价较低地实现其批量面板的实时拼接的绝对定标检测和调整，本发明提供一种基于环形激光器和PSD阵列的射电望远镜天线面形绝对定标装置以及基于该装置的定标方法。

完成本发明一个发明目的的技术方案是:一种射电望远镜天线面形绝对定标装置，由PSD位置传感器阵列、支撑轴、环形激光器和控制电路组成，所述PSD位置传感器阵列由若干同轴的PSD位置传感器圈组成，每个PSD位置传感器圈由若干以中心轴线上多个位置点为圆心、光敏面正对并平行于中心轴线的PSD位置传感器单元组成；所述支撑轴设在所述中心轴线上，所述支撑轴设有所述环形激光器，所述环形激光器的发射方向垂直于中心轴线；所述控制电路用于控制PSD位置传感器单元和环形激光器进行信号采集并对信号进行处理。

上述技术方案中，PSD位置传感器阵列中的PSD位置传感器安装于射电望远镜主反射面的每个面板，环形激光器沿直线导轨滑动，并发射激光至PSD位置传感器单元，通过PSD位置传感器，可以获得每圈上不同PSD位置传感器所在的面板的高低误差；通过获得各PSD位置传感器圈上PSD位置传感器的位置，加上环形激光的绝对准确位置，可以获得整个天线的面板拼接误差。

作为本发明的进一步改进，所述中心轴线上设有一个以上的所述环形激光器，所述环形激光器的数量和位置和所述PSD位置传感器圈对应。

作为本发明的进一步改进，所述支撑轴为直线导轨，所述PSD位置传感器和直线导轨可滑动连接，所述PSD位置传感器和驱动装置连接。

作为本发明的进一步改进，所述直线导轨上设有设定所述环形激光器位置的定位机构。

一种射电望远镜天线面形绝对定标方法，步骤如下：

1）在主反射面的每个面板上的监测位置上安装PSD位置传感器单元，PSD位置传感器光敏面平行于主反射面中心轴线，形成若干PSD位置传感器圈，每个PSD位置传感器的检测零位在安装前在实验室内定标一致；

2）在天线的中心轴线上平行于轴线安装环形激光器，环形激光发射方向垂直于中心轴线，并沿着轴线的高度与每圈全部PSD位置传感器的靶面位置精确对准，环形激光器发出一圈激光在同一高度圈面板上形成一个光线圆，光线圆沿着天线的中心轴线方向等高，并在对应的PSD位置传感器圈上成像；

3）控制环形激光器与PSD位置传感器同时发射和采集信号；

4）根据环形激光器在沿着中心轴线方向的不同位置，预先标定好的位置误差，通过天线的理论面形计算，获得基于标定好的每个环形激光器在垂直中心轴线方向的成像位置；

5）采集每圈各PSD位置传感器的位置，获得每圈各PSD位置传感器所在位置上的面板高低误差；

6）将全部圈上PSD位置传感器的位置和各对应的环形激光器的绝对准确位置进行比较，获得整个天线的面板拼接误差。

作为本发明的进一步改进，本发明的优化方案有：

所述步骤2）中，在天线的中心轴线上设有若干环形激光器，一个环形激光器与一个PSD位置传感器圈环形激光器对应。

所述步骤2）中，在天线的中心轴线上设有一个环形激光器，环形激光器可沿中心轴线上下移动，与各PSD位置传感器圈逐圈精确对准。

本发明的工作原理是：

射电望远镜主反射面天线是由大量的面板拼接而成，同时面板本身和主反射面支撑桁架一样，在射电望远镜指向和跟踪的观测运行过程中，受到重力变形、热变形、加工检测和安装调整误差的影响，不仅可能是紧紧包含拼接面板的主反射面技术，也可能是既拼接面板又面板变形的组合主反射面技术，是主反射面技术中最难的技术前沿和瓶颈。

常规经纬仪只能在望远镜停止观测并朝天放置过程中，在不同的沿着中心轴线的高度上逐点测量各个面板上靶标高度，并逐个位置调整，使得拼接的主反射面的精度在一定的精度范围内。通过在主反射面的每个关键位置上，平行于主反射面轴线，安装预先在实验室内开展过零点标定的尺寸高度一致性的PSD，通过环形激光和PSD的同时发射和采集的控制逻辑，消除背景光的影响，通过环形激光在PSD上成像，PSD可以获得微米量级的环形激光像的线性位置测量精度，这对于亚毫米波\毫米波乃至更长的波段，均完全胜任衍射极限下面形测量的高精度（四十分之一波长），在平行于中心轴线方向上，通过使用环形激光，能一次整体实现某圈上全部PSD的同时被瞄准和激光像的位置测量，通过沿着平行于中心轴线的方向上的环形激光的精确移动，或者安装固定多个环形激光，分别指向每圈的PSD目标，其中单个环形激光器的移动定位或多个环形激光器的之间的距离均可以通过天线的理论面形公式计算获得，环形激光器也在实验室内外不同的圆周半径距离上开展分布式的预先误差标定，从而实现每圈面板的高低误差测量和主反射面全部面板的高低差测量，并与主反射面的理论设计加工检测面形对比，为实现主反射面的面形评估，乃至后续的主动反射面的面形主动校正奠定技术基础。

本发明的优点是：

本发明提供一种基于环形激光和PSD阵列的射电望远镜天线面形绝对定标方法的设计，非常适用于射电望远镜主反射面地拼接标定和拼接维持的全部实时检测，克服当前天线反射面检测和调整方法的现有技术精度低、抗干扰能力差、或成本高昂、不实时和繁重、易受环境背景光影响的缺点，免除了激光扫描方法的繁重的安装调整，装配和调试极为方便。针对射电望远镜主反射面天线，通过简单易行的几何原理，通过简易的工艺方法实现了对射电望远镜主反射面的绝对标定和绝对维持检测。本发明的装置结构简单，成本低廉，制作和装配容易。本发明的方法便于射电望远镜的主动反射面升级，实时保证了射电望远镜的性能，实施工艺简单，减小了劳动强度。

附图说明

图1为本发明实施实例1射电望远镜天线面形绝对定标装置的结构示意图；

图2为本发明实施实例2射电望远镜天线面形绝对定标装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，一种射电望远镜天线面形绝对定标装置，由PSD位置传感器阵列20、直线导轨3、环形激光器4和控制电路（图中未显示）组成，PSD位置传感器阵列20由若干同轴的PSD位置传感器圈21组成，直线导轨3设在主反射面中心轴线6位置，每个PSD位置传感器圈21由若干以直线导轨3为圆心、光敏面平行于中心轴线6的PSD位置传感器单元211组成；直线导轨3上设有环形激光器4，环形激光器4的发射方向垂直于中心轴线6；控制电路用于控制PSD位置传感器211和环形激光器4进行信号采集并对信号进行处理。

在大量面板拼接组成的主反射面1上，在需要测量的位置上诸个沿着中心轴线方向上的等高圈上放置PSD位置传感器单元21，PSD位置传感器单元21包含了PSD位置传感器、其支撑机构及封装，具有高度一致的结构尺寸和安装定位接口，并在实验室内统一定标过零点，而在平行于主反射面中心轴线的直线导轨3上，安装有直线驱动的运动的环形激光器4，通过主反射面1的面形公式，可以计算出PSD位置圈的高度位置和环形激光器在直线导轨上的移动位置，并在位置上设置多个定位机构，从而在沿着中心轴线方向上，通过移动环形激光器4，进行准确定位，以对准各圈PSD位置传感器单元，通过激光与PSD的同时发射和测量的控制逻辑，消除环境背景光的影响，实现每个位置传感器单元PSD位置上的绝对定标测量和整个主反射面的绝对定标测量。

如图1，本实施例的射电望远镜天线面形绝对定标方法，步骤如下：

1）在主反射面的每个面板上的监测位置上安装PSD位置传感器单元，PSD位置传感器光敏面平行于主反射面中心轴线，形成若干PSD位置传感器圈，每个PSD位置传感器的检测零位在安装前在实验室内定标一致；

2）在天线的中心轴线6处安装直线导轨3，直线导轨3上安装一个环形激光器4，环形激光器4发射方向垂直于中心轴线6，并可沿着直线导轨3上下滑动，以便与每圈全部PSD位置传感器的靶面位置精确对准，环形激光器4发出一圈激光7在同一高度圈面板上形成一个光线圆，光线圆沿着天线的中心轴线方向等高，并在对应的PSD位置传感器圈上成像；

3）控制环形激光器4与PSD位置传感器211同时发射和采集信号；

4）根据环形激光器4在沿着中心轴线方向的不同位置，预先标定好的位置误差，通过天线的理论面形计算，获得基于标定好的每个环形激光器4在垂直中心轴线6方向的成像位置；

5）采集每圈各PSD位置传感器211的位置，获得每圈各PSD位置传感器所在位置上的面板11高低误差；

6）将全部圈上PSD位置传感器的211位置和各对应的环形激光器4的绝对准确位置进行比较，获得整个天线的面板11拼接误差。

实施例2

如图2所示，本实施例与上例的区别在于，中心轴线6 处设有支撑轴5，支撑轴5上沿高度方向设有六个环形激光器4，每个环形激光器4对应一个PSD位置传感器圈21。

在大量面板11拼接组成的主反射面1上，在需要测量的位置上诸个沿着中心轴线6方向上的等高圈上放置PSD位置传感器单元211，放置PSD位置传感器单元211包含了PSD、支撑机构及封装，具有高度一致的结构尺寸和安装定位接口，并在实验室内统一定标过零点，而在平行于主反射面中心轴线的固定位置的固定支撑轴5上，准确安装有多个可固定的环形激光器4，通过主反射面的面形公式，可以计算出PSD位置圈的高度位置和环形激光器在高精度固定支撑架上的多个安装位置，从而在沿着中心轴线6方向上，通过多个定位准确的环形激光器对准整圈PSD单元，通过环形激光器4与PSD位置传感器211的同时发射和测量的控制逻辑，消除环境背景光的影响，实现每个PSD位置上的绝对定标测量和整个主反射面的绝对定标测量。

如图2，本实施例的射电望远镜天线面形绝对定标方法，步骤如下：

1）在主反射面的每个面板上的监测位置上安装PSD位置传感器单元，PSD位置传感器光敏面平行于主反射面中心轴线，形成若干PSD位置传感器圈，每个PSD位置传感器的检测零位在安装前在实验室内定标一致；

2）在天线的中心轴线6处安装支撑轴5，支撑轴5上沿高度方向依次安装个环形激光器4，每个环形激光4发射方向垂直于中心轴线6，并对应于一个PSD位置传感器圈21。每个环形激光器4发出一圈激光7在同一高度圈面板上形成一个光线圆，光线圆沿着天线的中心轴线方向等高，并在对应的PSD位置传感器圈上成像；

3）控制环形激光器4与PSD位置传感器211同时发射和采集信号；

4）根据环形激光器4在沿着中心轴线方向的不同位置，预先标定好的位置误差，通过天线的理论面形计算，获得基于标定好的每个环形激光器4在垂直中心轴线6方向的成像位置；

5）采集每圈各PSD位置传感器211的位置，获得每圈各PSD位置传感器所在位置上的面板11高低误差；

6）将全部圈上PSD位置传感器的211位置和各对应的环形激光器4的绝对准确位置进行比较，获得整个天线的面板11拼接误差。

本发明未详细阐述的属于本领域公知技术。

Claims (7)

1.一种射电望远镜天线面形绝对定标装置，其特征是，该装置由PSD位置传感器阵列、支撑轴、环形激光器和控制电路组成，所述PSD位置传感器阵列由若干同轴的PSD位置传感器圈组成，每个PSD位置传感器圈由若干以中心轴线上多个位置点为圆心、光敏面正对并平行于中心轴线的PSD位置传感器单元组成；所述支撑轴设在所述中心轴线上，所述支撑轴设有所述环形激光器，所述环形激光器的激光发射方向垂直于中心轴线；所述控制电路用于控制PSD位置传感器单元和环形激光器进行信号采集并对信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述中心轴线上设有一个以上的所述环形激光器，所述环形激光器的数量和位置和所述PSD位置传感器圈对应。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述支撑轴为直线导轨，所述环形激光器和直线导轨可滑动连接，所述环形激光器和驱动装置连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述直线导轨上设有设定所述环形激光器位置的定位机构。

5.一种射电望远镜天线面形绝对定标方法，其特征在于，步骤如下：

1）在主反射面的每个面板上的监测位置上安装PSD位置传感器，PSD位置传感器光敏面平行于主反射面中心轴线，形成若干PSD位置传感器圈，每个PSD位置传感器的检测零位在安装前在实验室内定标一致；

2）在天线的中心轴线上安装环形激光器，环形激光发射方向垂直于中心轴线，并沿着轴线的高度与每圈全部PSD位置传感器的靶面位置精确对准，环形激光器发出一圈激光在同一高度圈面板上形成一个光线圆，光线圆沿着天线的中心轴线方向等高，并在对应的PSD位置传感器圈上成像；

3）控制环形激光器与PSD位置传感器同时发射和采集信号；

4）根据环形激光器在沿着中心轴线方向的不同位置，预先标定好的位置误差，通过天线的理论面形计算，获得基于标定好的每个环形激光器在垂直中心轴线方向的成像位置；

5）采集每圈各PSD位置传感器的位置，获得每圈各PSD位置传感器所在位置上的面板高低误差；

6）将全部圈上PSD位置传感器的位置和各对应的环形激光器的绝对准确位置进行比较，获得整个天线的面板拼接误差。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述步骤2）中，在天线的中心轴线上设有若干环形激光器，一个环形激光器与一个PSD位置传感器圈对应。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述步骤2）中，在天线的中心轴线上设有一个环形激光器，环形激光器可沿中心轴线上下移动，与各PSD位置传感器圈逐圈精确对准。