大口径射电望远镜面形精度离焦全息法快速测量技术研究

In order to decrease the deformation of antenna surface due to the effects of gravity, temperature and wind, a method use active surface system based on the Finite Element Model has been adopted. But, many errors are also cannot be simulated in this model,such as the process of welding and installing,complicated envirment such as sunlight and gust and so on.So, we need a real-time detection method for better compensation the antenna surface error.The former methods such as theodolitic survey, photogrammetry and phase reference holography cannot meet this steep demand. Nevertheless, a new method — Out-Of-Focus holography which has higher speed, better accuracy, measurement at arbitrarily elevation and non-hardware auxiliary developed recently and got a fine performance after use in the GBT.But, a single measurement still need 20 minutes, only to achieve the effect of near real time detection and a half closed-loop control.Firstly, we will be studying the fundamental principle of this method and setting up a measurement system based on the Nanshan 25m telescope. Secondly, we will be analysising the factors which affect the measurement speed and accuracy.And we will be reducing the measuring time to several minutes by the method of optimizing observe scheme,improving phase retrival algorithm,utilzing GPU to calculation,using multi-beam feed and so on.Several problems of embedded this method into the active surface system forming a close-loop control system will be considered in this project.This method will be using in the large moveable telescope for increasing the antenna efficiency and achieving high frequency observation.

基于有限元模型的主动反射面技术无法模拟复杂的天气环境（如阳光照射、阵风）以及天线焊接、安装等因素导致的天线面形误差，需要一种快速测量的方法来形成闭环反馈。以往的经纬仪测量法、摄影测量法和相位干涉全息法等都不能满足快速测量需求，新发展的离焦全息法具有测量速度快、测量精度高、可任意俯仰测量、无需额外硬件设备等诸多优势，适合对天线的快速测量反馈。美国GBT已将该方法应用于其主动面系统中，并取得了较好的效果，但其单次测量仍需20分钟，只能达到准实时半闭环控制的效果。本课题将在南山25米射电望远镜上建立离焦全息法测量系统，对影响测量速度和精度的因素进行详细解析，优化测量方案、改进相位恢复算法、采用GPU分析计算、利用多波束馈源观测等方法多管齐下使测量时间缩短至几分钟以内，以期基本满足实时检测闭环反馈的要求，并展开该方法嵌入主动面系统关键问题的研究，为我国百米级全可动大口径射电望远镜的建设作出保障。

大口径射电望远镜的反射面精度决定其工作性能和最短可工作波长，其反射面通常由多块单面板拼接而成，当其工作在不同姿态时，受重力、温度以及风载等因素的影响，反射面的实际曲面与理想曲面之间的误差也会随之增大，这将直接导致其增益降低、观测效率下降。为保证大口径射电望远镜高频波段的工作效率，一般采用主动面板设计，对不同姿态下的形变进行补偿，能对反射面精度进行快速测量并实时反馈的测量方法就显得尤其重要。.本课题对离焦全息法进行了理论研究和观测实验，基于南山25米射电望远镜建立了一套快速、高精度天线面形精度测量系统，采用K波段高灵敏度制冷接收机和自主研制的高精度总功率辐射计，以强射电源3C84、3C273等为信号源进行了多次测量实验。通过对扫描模式、积分时间、数据处理等参数的不断优化，单次测量时间可控制在10分钟以内，信号信噪比达到100：1以上。通过对实验数据的拟合和平基线处理，获得了较高的测量精度。根据多次实验结果统计与分析，南山25米天线离焦全息法测量系统的测量精度约0.16mm，测量分辨率为5m，根据获取的泽尼克多项式函数项经过插值计算得到天线俯仰在58°左右时的面形RMS值约0.69mm。.本课题还对相位恢复算法进行了研究，通过仿真标准卡塞格伦天线对离焦全息法和Misell两种算法进行了对比。两种算法总的耗时接近，但后者所需的迭代次数较多，即在单次迭代耗时上小于前者，且在远场幅值拟合上更接近于观测数据，而前者恢复的口径场相位相对更好。.离焦全息法可对大尺度结构的天线面形误差进行精确测量，由于在安装时采用高分辨率的测量方法对每一块面板进行过调整，工作时由于自身重力和环境因素所带来的天线面形形变一般为大尺度结构形变，无需再去对单块面板的工况进行详细的测量，因此这种粗分辨率的测量调整即能满足要求。加之该方法的快速性、精确性、随时性等优势尤其适合主动面闭环系统的要求，可作为系统的快速测量反馈，补偿FEA模型对重力形变模拟的残差，减小热载和风载的影响，从而提高天线效率。此方法可为我国大口径射电望远镜的建设和顺利实现高频观测做出保障。