專利名稱：基于四邊形子面板四點(diǎn)支撐的射電望遠(yuǎn)鏡共相檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于四邊形子面板四點(diǎn)支撐的射電望遠(yuǎn)鏡拼接共相檢測和校正
方法，非常適用于射電望遠(yuǎn)鏡和毫米/亞毫米波望遠(yuǎn)鏡的射電面板的拼接共相檢測和校 正。
背景技術(shù)：
射電望遠(yuǎn)鏡通常具有很大口徑，其天線(主面板)通常由大批量小面板拼接而成， 比如65米口徑射電望遠(yuǎn)鏡天線由幾千塊一米量級(jí)的面板拼接組成，在該射電望遠(yuǎn)鏡安裝 和投入正式運(yùn)行過程中，在重力和風(fēng)力等外載的影響下，都必須保證其拋物面的整體面型 在允許的范圍內(nèi)。除了考慮天線背架的支撐保型設(shè)計(jì)之外，大批量面板拼接檢測也是射電 望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)和運(yùn)行的關(guān)鍵部分。 射電望遠(yuǎn)鏡越來越要求從基于數(shù)學(xué)模型上的被動(dòng)控制朝動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)面型調(diào)整發(fā)展， 這就需要一種實(shí)時(shí)檢測技術(shù)，可以評(píng)估在任意天頂距下的實(shí)時(shí)面型。射電望遠(yuǎn)鏡的面板檢 測是實(shí)時(shí)射電望遠(yuǎn)鏡面板拼接的關(guān)鍵技術(shù)之一，而射電望遠(yuǎn)鏡由于波段與光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡 不一樣，其主鏡(天線)的面形精度要求也相去甚遠(yuǎn)。根據(jù)衍射條件面形精度要求為二十 分至一波長，亞毫米波段最短波長約0. 2毫米，面板拼接共相的要求為二十分至一波長的 均方根值，即面形精度10個(gè)微米。這與光學(xué)紅外波段(比如可見光550納米波長的27. 5 納米的面形精度要求)放松了幾百倍。通常射電望遠(yuǎn)鏡在安裝調(diào)試時(shí)進(jìn)行使用上述方法， 在中間天頂距/高度角進(jìn)行面板調(diào)整及定標(biāo)，使得面板精度達(dá)到二十分之一波長，在正式 使用中不再對(duì)面板精度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和調(diào)整，而只是通過望遠(yuǎn)鏡的支撐設(shè)計(jì)保證。
常見的射電望遠(yuǎn)鏡面板檢測和調(diào)整方法，主要有光學(xué)方法、射電全息法、激光測量 方法等。其中，經(jīng)緯儀、激光跟蹤儀、激光全站儀、激光測距儀等等方法，在固定望遠(yuǎn)鏡某種 姿態(tài)下(比如面板水平朝天或者豎直朝水平)它們都是具有能檢測和調(diào)整面板的能力，使 得面板達(dá)到設(shè)計(jì)公差指標(biāo)，主要用于面板安裝后投入使用前的整體面板形狀檢測和標(biāo)定， 缺點(diǎn)就是繁瑣、批量檢測需要大批量輔助用的靶標(biāo)和后向反射器、不實(shí)時(shí)；射電全息法使 用同步衛(wèi)星、天文或人工射電源來測量整個(gè)天線的波前，只需要利用望遠(yuǎn)鏡本身的接收機(jī) (最好頻率接近于天線頻率上限)，硬件設(shè)備要求簡單，但其不實(shí)時(shí)，只能在幾個(gè)高度角上 進(jìn)行匹配，耗時(shí)長；而其它的照相法精度只能達(dá)到0. 1毫米，可見光波段的成像檢測方法因 為射電波段天線面板的相對(duì)低精度和視寧度問題，在這里也不能適用。 常見的射電和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡面板形狀有三角型和六角形兩種，它們均采用三點(diǎn)支 撐，自由度多，使用時(shí)每個(gè)面板都需要檢測，存在花瓣效應(yīng)。與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的支撐要求高低 不同，射電望遠(yuǎn)鏡的相鄰面板通常都共用一點(diǎn)支撐。 上述射電望遠(yuǎn)鏡反射面檢測方法的共同缺點(diǎn)是只適合單個(gè)或某幾個(gè)高度位置的 反射面檢測和復(fù)核，無法在射電望遠(yuǎn)鏡工作過程中實(shí)時(shí)檢測和保證其在安裝調(diào)整好的經(jīng)過 標(biāo)定過的面形精度，批量化實(shí)時(shí)檢測的工作量特別繁重。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述天線反射面檢測和調(diào)整方法的不實(shí)時(shí)和繁重的缺點(diǎn)，本發(fā)明針對(duì)射 電望遠(yuǎn)鏡拋物面天線，通過簡單易行的工藝設(shè)計(jì)，造價(jià)較低地實(shí)現(xiàn)批量面板的實(shí)時(shí)拼接檢 測和調(diào)整，本發(fā)明提供一種基于四邊形子面板四點(diǎn)支撐的射電望遠(yuǎn)鏡實(shí)時(shí)拼接共相檢測調(diào) 整方法的設(shè)計(jì)。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于四邊形子面板四點(diǎn)支撐的 射電望遠(yuǎn)鏡共相檢測方法，其特征在于，步驟如下 (1).在天線中心的至少一整行和一整列的子面板上安置耙標(biāo)，所述的耙標(biāo)可以是 激光發(fā)射裝置，或激光反射膜，或反射鏡； (2).利用高精度的旋轉(zhuǎn)跟蹤掃描激光接收裝置或跟蹤掃描激光發(fā)射接收裝置，至 少掃描天線中心的一整行和一整列的子面板上的靶標(biāo)；并通過高精度的編碼器記錄激光發(fā) 射裝置的位置(高度和方位)，為整個(gè)實(shí)時(shí)的自動(dòng)化掃描奠定基礎(chǔ)； (3).通過對(duì)與激光反射裝置一起平移旋轉(zhuǎn)的拼接靶面的像斑位置信息的測量處 理來獲得這一整行和一整列的角度數(shù)據(jù)； (4).利用數(shù)學(xué)方法直接推導(dǎo)出所有面板的位置偏差、整個(gè)拼接天線的面形精度以
及需要校正該面形精度所需要的支撐點(diǎn)位移促動(dòng)器的改正量。 本發(fā)明的優(yōu)化方案有 所述步驟(1)、步驟(2)和步驟(3)替換為
(1).在天線中心的一個(gè)直徑的子面板上安置靶標(biāo)； (2).沿著傾斜方向掃描，僅僅需要掃描一個(gè)直徑的方位，每個(gè)面板能同時(shí)解算出 (Xi， Yi)，同樣能進(jìn)行全部天線面板的檢測和校正； (3).通過對(duì)與激光反射裝置一起平移旋轉(zhuǎn)的拼接靶面的像斑位置信息的測量處 理來獲得一個(gè)直徑的角度數(shù)據(jù)。
面板本身的精度，包括重力變形等，應(yīng)該能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于反射面的面形精度，不在面板
拼接檢測考慮范圍之內(nèi)。本發(fā)明如圖l，通過采用四邊形四點(diǎn)支撐的面板，利用四邊形面板
四點(diǎn)支撐的特點(diǎn)，采用激光及其靶標(biāo)裝置在四邊形兩個(gè)邊的方向進(jìn)行一行和一列的掃描，
在靶面處測量激光像斑與標(biāo)定時(shí)期的位置偏離，從而獲得每個(gè)面板的角度的改變，并反推
出四邊形面板支撐所需要的改正量，從而最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)拼接天線的實(shí)時(shí)檢測和維持校正；
此外通過增加靶面兩個(gè)掃描方向的平移自由度，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整個(gè)拼接天線的絕對(duì)的拋
物面實(shí)時(shí)檢測和校正。本發(fā)明創(chuàng)新地提出和利用了四邊形面板四點(diǎn)支撐的激光掃描檢測系
統(tǒng)，可以輕而易舉地通過對(duì)一整行和一整列的掃描，獲得整個(gè)拼接天線的面形精度。 在天線全部面板安裝標(biāo)定好位置后，針對(duì)四邊形面板和四點(diǎn)支撐的方案設(shè)計(jì)，此
時(shí)只需要測量中心行和中心列上面板的傾斜角9 ，如圖2，即可通過如下公式(1)規(guī)算出整
個(gè)拼接天線的全部面板的位置和形狀精度。 Xi = -Width* 9 Xi Yi =-Height* 9 Yj (1) 其中Xi (i = -n. . . n) ，Yj (j = _m. . . m)分別為中心行和中心列支撐點(diǎn)位置的位移 促動(dòng)器的改正量，此時(shí)中心一行有2n個(gè)面板，中心一列有2m個(gè)面板；而9 Xi (i = _n. . n)， 9 Yj(j = -m. . . m)分別為中心行和中心列面板傾斜的誤差；心面板(n = m = 0)設(shè)為標(biāo)定基準(zhǔn)參考面板。 對(duì)于激光掃描系統(tǒng)而言，如圖3和圖4，可以設(shè)計(jì)成激光器與靶面在一起跟蹤掃 描，進(jìn)行水平方向和豎直方向上的掃描，每個(gè)面板上的靶標(biāo)反射鏡經(jīng)過調(diào)整使得光斑返回 靶面；靶面系統(tǒng)通過高精度的傳感器記錄每個(gè)面板上平面鏡的位置(高度、方位角和平 移)，以便運(yùn)行過程中自動(dòng)實(shí)時(shí)掃描。當(dāng)然對(duì)于激光發(fā)射裝置也可以采用普通的激光筆類似 器件，每個(gè)面板上安放，并調(diào)整使得激光能到達(dá)靶面，通過控制當(dāng)前面板上激光開和其它面 板激光關(guān)和靶面掃描系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)逐行逐列檢測。 為了匹配幾十米距離普通激光可能的發(fā)散效果，可以采用拼接靶面如圖5的方 法，通過采用感光的光學(xué)元件，進(jìn)行拼接，從而獲取比常規(guī)相機(jī)更大的靶面。此外，為了簡化 靶面拼接，也可以采用如圖6的拼接靶面，分別對(duì)應(yīng)于測量中心行和中心列的傾斜。靶面系 統(tǒng)如果比較大，而且采用每個(gè)面板上放置激光發(fā)射器件，則耙面系統(tǒng)無需進(jìn)行掃描，固定靜 止即可。至于耙面上圓型像斑的位置，可以通過二階距、重心法甚至根據(jù)光斑形狀即可計(jì)算 求得。 靶面設(shè)計(jì)分析，比如50米亞毫米波望遠(yuǎn)鏡，波長最短為0. 2毫米(波長越長要求 越低)，共相要求天線面形精度均方根值為二十分至一波長，即IO個(gè)微米。假設(shè)天線曲率半 徑為50米，面板大小一米量級(jí)，則10個(gè)微米的高低，對(duì)應(yīng)于2角秒的傾斜角，對(duì)旋轉(zhuǎn)掃描的 編碼器的角度精度要求也很低，1秒量級(jí)即可；而在經(jīng)過50米的光路之后，引起的光斑位置 偏差為500個(gè)微米，即0. 5毫米。如果直接采用CCD為靶面或者CMOS為靶面的相機(jī)，通常 情況下至少可以獲得十分之一像元的重心二階矩定位精度，而此類相機(jī)像元僅僅是微米量 級(jí)，肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于精度要求，只是測量范圍偏小。如果采用拼接感光元件仍然能保證十分之 一的定位精度(單位為感光元件大小)，則感光元件的的大小可以為0. 5毫米*10，即5個(gè) 毫米。對(duì)于激光器與靶面一起進(jìn)行跟蹤掃描的系統(tǒng)，光路長度加倍，此時(shí)感光單元的大小可 以加倍為10毫米，此類元件不難實(shí)現(xiàn)。 本發(fā)明具有對(duì)天線全部面板的掃描和檢測的能力。盡管因?yàn)橹恍枰獟呙柚行男辛?的面板，并測量其角度偏離，高精度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以分開實(shí)現(xiàn)，分別實(shí)現(xiàn)行的掃描和列的掃 描，以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 上述說明了本發(fā)明在天線面板安裝調(diào)試成理論的拋物面之后，通過相對(duì)的支撐點(diǎn) 的高低位置校正，能成功地保持和維持該標(biāo)定的拋物面形狀及其精度。為了進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn) 絕對(duì)的拋物面校正，需要靶面處在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度之外增加兩個(gè)互相垂直方向的位置自由 度，這兩個(gè)方向與面板的兩個(gè)邊的方向 一致。因?yàn)樵趻佄锩娴那手行倪M(jìn)行測量，拋物面因 為其球差的影響，在每個(gè)面板靶標(biāo)對(duì)應(yīng)位置相對(duì)于最接近球面會(huì)有法線偏離，該法線偏離 對(duì)于檢測靶面而言，會(huì)產(chǎn)生位置上的平移。通過上述增加的位置平移自由度，即耙面可以沿 著面板探測方向進(jìn)行平移，以消除該探測面板位置處球差帶來的法線偏差的影響。該平移 自由度的平移機(jī)構(gòu)通過增加位移傳感機(jī)構(gòu)其精度會(huì)很容易保證，面板上的靶標(biāo)也很簡單， 只要檢測位置處貼上反射膜即可。 當(dāng)然為了節(jié)省掃描次數(shù)及其相關(guān)成本，也可以沿著傾斜方向掃描，僅僅需要掃描 一個(gè)直徑的方位，每個(gè)面板能同時(shí)解算出(Xi， Yi)，同樣能進(jìn)行全部天線面板的檢測和校 正。區(qū)別只是兩個(gè)方向分開檢測和同時(shí)檢測而已，精度并無差異，當(dāng)然對(duì)于絕對(duì)拋物面檢測 和校正，消除球差引起的效率誤差，傾斜方向掃描誤差會(huì)稍稍大些，實(shí)現(xiàn)也難一些；此外傾
6斜掃描需要在面板上而不是面板邊緣安裝靶標(biāo)，估計(jì)比較困難。所以通常傾向于靶標(biāo)安裝 在面板分析上的行列分別掃描。 本發(fā)明的有益效果是，提供了一種新穎便宜易行的一種基于四邊形子面板四點(diǎn)支 撐的射電望遠(yuǎn)鏡實(shí)時(shí)拼接檢測和校正方法方案，非常適用于射電望遠(yuǎn)鏡和毫米/亞毫米波 望遠(yuǎn)鏡的射電面板的拼接檢測。利用幾何光學(xué)掃描原理，通過建議的工藝方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)射 電望遠(yuǎn)鏡拼接天線的面板檢測和校正。原理明了，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。由于采用了拼接面 板和拼接靶面，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的面板檢測和實(shí)時(shí)的補(bǔ)償改正，對(duì)于由傳統(tǒng)的射電望遠(yuǎn)鏡的 被動(dòng)式天線面板走向?qū)崟r(shí)的主動(dòng)式面板，提高和實(shí)時(shí)保證了射電望遠(yuǎn)鏡的性能和精度，實(shí) 施工藝簡單，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)而降低了造價(jià)。


圖1檢測配置系統(tǒng)光路示意圖； 圖2四邊形面板求解示意圖(只要中心行和中心列的偏差Xi和Yi檢測確定，即 面形解確定)； 圖3多激光器的激光掃描系統(tǒng)示意圖(絕對(duì)天線拋物面校正需要增加靶面平移自 由度)； 圖4單激光器的激光掃描系統(tǒng)示意圖(絕對(duì)天線拋物面校正需要增加靶面平移自 由度)； 圖5拼接大靶面示意圖(感光小元件拼接)；
圖6行列拼接靶面示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l，基于四邊形子面板四點(diǎn)支撐的實(shí)時(shí)射電望遠(yuǎn)鏡拼接共相檢測方法，在圖 1中，天線檢測系統(tǒng)包含激光掃描系統(tǒng)1、每個(gè)面板的四點(diǎn)支撐2、被檢測的四邊形面板3和 靶標(biāo)系統(tǒng)4 ;圖2和圖3兩種激光掃描系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)于單激光器和多激光束系統(tǒng)，其中圖3 包括拼接天線5、激光發(fā)射6、高精度旋轉(zhuǎn)掃描靶面支撐機(jī)構(gòu)7、靶面8和可調(diào)平面反射鏡 靶標(biāo)9 ;圖5和圖6分別為兩種拼接靶面設(shè)計(jì)方案，圖6為簡化的兩個(gè)掃描方向的靶面設(shè)計(jì)。
固定于曲率中心的可旋轉(zhuǎn)跟蹤掃描的靶面系統(tǒng)，激光和靶標(biāo)系統(tǒng)可以是只有多個(gè) 簡易可調(diào)傾斜的激光發(fā)射的系統(tǒng)，安裝在的面板上；或者分開放置激光發(fā)射只有一個(gè)，與 靶面一起可以旋轉(zhuǎn)跟蹤掃描，面板上放置可調(diào)傾斜的小平面反射鏡靶標(biāo)，把激光反射回靶 面。如果需要進(jìn)行絕對(duì)的拋物面天線檢測校正，而不是僅僅基于安裝調(diào)試定標(biāo)好的拋物面 形狀，需要靶面機(jī)構(gòu)增加垂直光軸的兩個(gè)平移自由度，通過這兩個(gè)平移自由度，主動(dòng)地消除 拋物面曲率中心處相對(duì)于最接近球面的斜率偏差。面板上無論防止靶標(biāo)還是小平面反射 鏡，都需要可調(diào)使得激光能達(dá)到靶面上。測量出傾斜之后，即可通過公式(1)反推出所有支 撐點(diǎn)促動(dòng)器的改正量以及面形精度。 實(shí)施例2，與實(shí)施例l基本相同，但是所述步驟(1)、步驟(2)和步驟(3)替換為 (1).在天線中心的一個(gè)直徑的子面板上安置靶標(biāo)；(2).沿著傾斜方向掃描，僅僅需要掃描 一個(gè)直徑的方位，每個(gè)面板能同時(shí)解算出(Xi， Yi) ;(3).通過對(duì)與激光反射裝置一起平移 旋轉(zhuǎn)的拼接靶面的像斑位置信息的測量處理來獲得一個(gè)直徑的角度數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
一種基于四邊形子面板四點(diǎn)支撐的射電望遠(yuǎn)鏡共相檢測方法，其特征在于，步驟如下(1).在天線中心的至少一整行和一整列的子面板上安置靶標(biāo)；(2).利用高精度的旋轉(zhuǎn)跟蹤掃描激光接收裝置或跟蹤掃描激光發(fā)射接收裝置，至少掃描天線中心的一整行和一整列的子面板上的靶標(biāo)；并通過高精度的編碼器記錄激光發(fā)射裝置對(duì)準(zhǔn)不同靶標(biāo)的位置；(3).通過對(duì)與激光反射裝置一起平移旋轉(zhuǎn)的拼接靶面的像斑位置信息的測量處理來獲得這一整行和一整列的角度數(shù)據(jù)；(4).直接推導(dǎo)出所有面板的位置偏差、整個(gè)拼接天線的面形精度以及需要校正該面形精度所需要的支撐點(diǎn)位移促動(dòng)器的改正量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四邊形子面板四點(diǎn)支撐的射電望遠(yuǎn)鏡共相檢測方法，其 特征在于，所述步驟(1)中的靶標(biāo)是激光發(fā)射裝置，或激光反射膜，或反射鏡。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于四邊形子面板四點(diǎn)支撐的射電望遠(yuǎn)鏡共相檢測方法，其 特征在于，在所述的步驟(2)中通過增加靶面兩個(gè)掃描方向的平移自由度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)步 驟(3)與步驟(4)的整個(gè)拼接天線的絕對(duì)的拋物面實(shí)時(shí)檢測和校正。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于四邊形子面板四點(diǎn)支撐的射電望遠(yuǎn)鏡共相檢測 方法，其特征在于，所述步驟(4)的計(jì)算是通過如下公式(1)規(guī)算出整個(gè)拼接天線的全部面 板的位置和形狀精度<formula>formula see original document page 2</formula>其中Xi (i = -n. . . n) ， Yj (j = -m. . . m)分別為中心行和中心列支撐點(diǎn)位置的位移促動(dòng) 器的改正量，此時(shí)中心一行有2n個(gè)面板，中心一列有2m個(gè)面板；而e xi (i =-n. . . n) ， 9Yj(j =-m. . . m)分別為中心行和中心列面板傾斜的誤差；心面板(n = m = 0)設(shè)為標(biāo)定基準(zhǔn)參 考面板。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于四邊形子面板四點(diǎn)支撐的射電望遠(yuǎn)鏡共相檢測方法，其 特征在于，所述的拼接靶面，是通過采用感光的光學(xué)元件，進(jìn)行拼接，從而獲取比常規(guī)相機(jī)更大的 耙面。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于四邊形子面板四點(diǎn)支撐的射電望遠(yuǎn)鏡共相檢測方法，其 特征在于，所述的拼接靶面，是采用分別對(duì)應(yīng)于測量中心行和中心列的傾斜方式拼接靶面， 以簡化靶面拼接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于四邊形子面板四點(diǎn)支撐的射電望遠(yuǎn)鏡共相檢測 方法，其特征在于，所述步驟(D、步驟(2)和步驟(3)替換為(1) .在天線中心的一個(gè)直徑的子面板上安置靶標(biāo)；(2) .沿著傾斜方向掃描，僅僅需要掃描一個(gè)直徑的方位，每個(gè)面板能同時(shí)解算出(Xi，Yi);(3) .通過對(duì)與激光反射裝置一起平移旋轉(zhuǎn)的拼接靶面的像斑位置信息的測量處理來獲得一個(gè)直徑的角度數(shù)據(jù)'
全文摘要
基于四邊形子面板四點(diǎn)支撐的射電望遠(yuǎn)鏡共相檢測方法(1).在天線中心至少一整行和一整列子面板上安置靶標(biāo)；(2).用高精度旋轉(zhuǎn)跟蹤掃描激光接收裝置或激光發(fā)射接收裝置，至少掃描天線中心一整行和一整列子面板上的靶標(biāo)；并通過高精度的編碼器記錄激光發(fā)射裝置對(duì)準(zhǔn)不同靶標(biāo)的位置；(3).通過對(duì)與激光反射裝置一起平移旋轉(zhuǎn)的拼接靶面的像斑位置信息的測量處理來獲得角度數(shù)據(jù)；(4).直接推導(dǎo)出所有面板的位置偏差、整個(gè)拼接天線的面形精度以及需要校正該面形精度所需要的支撐點(diǎn)位移，即促動(dòng)器的改正量。本發(fā)明針對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡拋物面天線，采用基于四邊形子面板四點(diǎn)支撐設(shè)計(jì)，通過簡單易行的工藝，造價(jià)較低地實(shí)現(xiàn)批量面板的實(shí)時(shí)拼接檢測和調(diào)整。
文檔編號(hào)G01B11/24GK101713639SQ200910212710
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者張勇, 李燁平, 楊德華 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院國家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所