大射电望远镜主动面关键技术研究

An active surface is the commonly used technology in a large radio telescope to achieve and/or maintain the required shape. Despite the performance enhancement thanks to the use of an active surface in the telescopes that are in operation and/or under construction, it still will take great efforts and break through technological innovation for the wavelength less than 3 mm. By far, the reported active surface technology has not yet achieved real-time detection and closed-loop control. In view of the technical status and difficulties on active surface technology, sticking to technology demanded by large radio telescopes with an active surface for millimeter band observation in the objectively required alpine environment, and based on the successfully verified technology of active optics in optical telescopes and the early related work on active surface technology, we propose the study on pivotal technology innovation of an active surface equipped with real-time detection and close-loop control. The study will cover: i) Research on the key technology innovation of surface real-time detection and close-loop control; ii) Applied technology research on surface calibration and adjustment; iii) Development of precision displacement/force actuators with alpine-condition-proof and EMC-proof requirements; iv) Simulation of environment impacts on and structural analysis of an active surface system; v) Research on large-scale active control and fault monitoring diagnosis technology of the actuators and sensing system. Besides, the research will adapt the above to-be-developed technologies to practical application to the Delingha 13.7-m millimeter radio telescope. It is foreseen that the proposed enabling technology research will definitely contribute to the building of future large precision radio telescopes and the upgrading of existing dishes.

尽管大型主动面射电望远镜都因采用主动面技术而使性能得到有效提升，但在3毫米波段尚需极大努力和技术突破，且均尚未实现实时检测和闭环控制。鉴于主动面的技术现状和困难，面向我国极大口径主动面射电望远镜毫米波段观测的技术需求，针对这类望远镜客观要求的高寒恶劣环境，并借鉴光学望远镜主动光学的技术成果，在前期主动面技术研究的基础上，提出开展新概念主动面探索，实现实时检测和闭环控制的主动面关键技术创新研究，主要包括：研究和发展面形实时检测和闭环控制核心技术；研究面形标定和调整的实用方案；研究适于高寒环境和电磁兼容要求的精密位移或力促动器技术；开展环境因素模拟和主动面结构仿真分析、研究大规模主动控制和故障监测诊断技术等研究。项目还将依托德令哈13.7米毫米波望远镜，将所提研究内容进行针对性方案应用研究。本项目的成功开展将必为我国大口径高性能射电望远镜的研制和现有设备的升级改造提供亟需的技术储备。

研究总体目标是依托德令哈13.7 米毫米波射电望远镜，完成一个达到观测波段的具有闭环检测控制能力的主动面系统设计方案，并提出面向新疆110 米望远镜的主动面方案；研制适应高寒环境的达到新疆110 米望远镜观测要求精密促动器；掌握了主动面系统控制及故障监测技术；提出一个主动面面板支撑及主动面系统创新方案，并基于一个包含4至9 块主动面板的新方案进行全面模拟仿真。为我国能在设备规划和条件具备时，有技术能力新建大口径高精度射电望远镜和改造现有射电望远镜做好技术准备的研究目标。.通过系统的研究，掌握了相关关键技术。完成了基于边缘角度传感器检测的天线主动面补偿方案，该方案主动面补偿系统是在采用全息或照相方法完成初始标定后，实时检测相邻反射面的角度变化，然后通过促动器进行主动面补偿的一种闭环主动面控制系统。完成了光电式高精度角度边缘传感器样机研制和测试，测试结果表明测角精度为0.15角秒。依托德令哈13.7 米毫米波射电望远镜和新疆110米QTT射电望远镜，完成了一个达到观测波段的具有闭环检测控制能力的主动面系统设计方案，并提出面向新疆110 米QTT望远镜的主动面方案。完成了13.7米射电望远镜主动面位移促动器研制和测试，测试结果表明各项指标均满足使用要求。研制了适应高寒环境的达到新疆110 米QTT望远镜观测要求精密促动器并进行了测试，测试结果表明位移精度满足使用要求。针对射电望远镜主动面板控制中工况，设计了可以实时检测故障，并进行无扰切换的射电望远镜天线面板控制系统。开展了主动面技术新方法研究，并进行了模拟仿真分析，目前所有主动面技术都是基于位移法的，我们探索了主动面技术新方法，以力促动器和位移促动器相结合，即采用基于力法原理和位移法原理相结合来实现主动反射面拟合，模拟分析表明，这种方法可以大大提高面板精度。这些研究结果为我国能在下一个五年计划有技术能力建造30米口径亚毫米波100口径毫米波望远镜做好技准备。