射电望远镜波前测量中的非相干方法研究

Holographic measurement techniques based on interferometric principles have been frequently used in the antenna surface alignment for radio telescopes. On the other hand, incoherent techniques widely employed in the optical/IR wavefront sensing have not yet received wide application in the radio regime. Such incoherent techniques measure only the far-field amplitude or intensity signals, thus having the advantage of regular and quick surface measurements using astronomical sources and science instruments during the telescope operation. However, this type of techniques face common challenges such as low signal-to-noise ratio and high sensitivity to system gain fluctuations, which deserves thorough studies. The purpose of this project is to develop suitable incoherent wavefront sensing techniques for the application in the surface alignment and maintenance for radio telescopes. This study aims at extending and improving existing theory and methodologies for incoherent wavefront sensing techniques, obtain feasible solutions to the aforementioned technical challenges, and demonstrate their potential applications to astronomical telescopes by means of systematic simulations and experiments. Candidate methods to be studied include aperture phase retrieval based on far-field power pattern measurements, direct wavefront sensing based on differential power pattern measurements, and wavefront sensing and surface alignment based on antenna axial gain measurements.

基于干涉原理的全息测量技术已经在射电望远镜天线面形调整中获得成熟应用，而光学/红外波段常用的非相干波前检测技术在射电领域还未得到广泛应用。这类非相干方法仅对远场幅度或功率信号进行探测，在望远镜运行过程中可直接利用科学观测仪器、以天文目标为信号源对反射面面形进行定期调整和维护，因此具有一定的优势与应用价值。另一方面，这类方法也面临着信噪比较低、对增益稳定性要求高等共同问题，以此为课题的深入分析与研究还比较缺乏。本课题拟针对射电望远镜天线面形测量与调整的应用需求，开展非相干波前测量方法研究，对现有测量原理和方法进行扩展和改进，开展系统的模拟仿真和实验研究，解决实际应用中面临的主要技术难点，验证其在天文应用中的可行性。拟重点研究的具体测量方法包括：1）基于远场方向图测量的波前反演法，2）基于差分功率方向图测量的波前直接测量法，3）基于轴向增益测量的面形测量与调整方法等。

本项目针对射电望远镜天线面形高精度测量与维护的应用需求，开展多种非相干波前测量方法研究，此类方法可直接利用科学接收机和天文点源，在望远镜运行过程中对天线整体面形实现快速测量和调整。取得的主要研究成果包括：1）提出一种新型的“波前扰动法”，以一组正交函数为扰动模式对天线面形进行有规律的主动扰动，并通过测量天线轴向增益变化来反推天线面形误差分布。该测量方法不需要相位参考，可直接利用科学接收机获取天线增益数据，并且具有测量精度高、系统性误差小、适用性广等优点。已在一台1.2米太赫兹天线和上海65米天马射电望远镜上完成对该方法的观测验证，取得了理想的波前测量和调整效果，验证了该方法在大型主动面天线上应用的可行性。该方法有望在65米天马射电望远镜、风云四号卫星微波星等重大科研设备上获得应用。2）本项目对传统离焦全息测量法进行了扩展和改进，提出了针对多波束接收机的离焦全息算法，利用多波束方向图数据对大气背景噪声进行实时监测和扣除，并且多个波束方向图同时参与口面场相位反演，大幅度提高测量信噪比和测量精度。此外，基于理论分析，本项目还提出只需一次离焦方向图扫描即可完全拟合口面场相位的算法，从而显著缩短了测量所需时间。基于德令哈13.7米望远镜完成了上述多波束离焦全息算法的实验验证工作。3）此外，本项目还对差分功率方向图法等其他非相干波前测量方法开展了探索性的研究。