本發(fā)明涉及射電望遠(yuǎn)鏡溫度場(chǎng)計(jì)算領(lǐng)域，具體涉及一種射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、射電望遠(yuǎn)鏡是觀測(cè)和研究來(lái)自天體的射電波的基本設(shè)備。為了能觀測(cè)到更遠(yuǎn)、更暗、更細(xì)微的天體結(jié)構(gòu)，通常需要增大射電望遠(yuǎn)鏡的口徑。然而，隨著射電望遠(yuǎn)鏡口徑的增大，探測(cè)頻率的增高，對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的指向精度要求也越來(lái)越嚴(yán)格。在日照溫度作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的形變會(huì)使天線精度急劇下降，影響天線觀測(cè)性能。

2、因此，精確計(jì)算射電望遠(yuǎn)鏡的溫度分布是控制射電望遠(yuǎn)鏡溫度效應(yīng)的前提和關(guān)鍵。射電望遠(yuǎn)鏡的換熱方式包括：自身的熱傳導(dǎo)，與空氣的熱對(duì)流，太陽(yáng)輻射以及與地面、天空的長(zhǎng)波輻射換熱。其中，太陽(yáng)輻射是射電望遠(yuǎn)鏡溫度升高的主要熱源。但射電望遠(yuǎn)鏡中構(gòu)件眾多、且相對(duì)位置關(guān)系復(fù)雜，各部分間會(huì)形成遮擋，阻斷太陽(yáng)輻射的吸收，從而產(chǎn)生非均勻溫度場(chǎng)，如反射面對(duì)主體結(jié)構(gòu)的遮擋、主體結(jié)構(gòu)對(duì)反射面的遮擋和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的相互遮擋。

3、為計(jì)算這些非均勻溫度場(chǎng)的溫升，目前多采用光線追蹤?（ray-tracing）算法先計(jì)算陰影分布，雖然該種算法在不計(jì)計(jì)算成本的前提下，通常可以獲得比較精確的陰影分布結(jié)果，但由于在大型射電望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)中存在著大量的構(gòu)件（桿件），這些構(gòu)件的相互遮擋導(dǎo)致計(jì)算成本異常高昂；此外由于光線追蹤算法邏輯較為復(fù)雜，在計(jì)算中也常常出現(xiàn)錯(cuò)算或漏算現(xiàn)象，這也導(dǎo)致了天線精度下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明意在提供一種射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算方法，以解決目前太陽(yáng)輻射計(jì)算方法采用光線追蹤算法進(jìn)行陰影識(shí)別，計(jì)算成本較高且算法邏輯較為復(fù)雜的問(wèn)題。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算方法，包括以下步驟：

3、步驟1：根據(jù)具體日期計(jì)算太陽(yáng)的位置，即計(jì)算太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角；

4、步驟2：根據(jù)太陽(yáng)入射光線向量，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將結(jié)構(gòu)投影到太陽(yáng)入射平面；

5、步驟3：創(chuàng)建z緩沖區(qū)：根據(jù)結(jié)構(gòu)投影外廓線及其坐標(biāo)極值創(chuàng)建z緩沖區(qū)邊界；確定像素點(diǎn)距；創(chuàng)建與z緩沖區(qū)分辨率相匹配的數(shù)組，用于存儲(chǔ)各像素點(diǎn)的z值以及對(duì)應(yīng)單元編號(hào)，并將z緩沖區(qū)數(shù)組的z值初始化為結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的最小值；

6、步驟4：太陽(yáng)輻射可見(jiàn)性測(cè)試：將結(jié)構(gòu)離散化后的每個(gè)單元依次投影到z緩沖區(qū)，并選出單元投影范圍內(nèi)的像素點(diǎn)，計(jì)算并更新z緩沖區(qū)中相應(yīng)像素點(diǎn)的z值；

7、步驟5：統(tǒng)計(jì)每個(gè)單元構(gòu)件內(nèi)像素點(diǎn)數(shù)，獲取每個(gè)構(gòu)件被照面積，計(jì)算構(gòu)件表面照射系數(shù)；

8、步驟6：根據(jù)構(gòu)件在空間中的位置，以及與太陽(yáng)光線相對(duì)位置關(guān)系，計(jì)算構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度p。

9、優(yōu)選的，所述步驟1基于地平坐標(biāo)系確定太陽(yáng)的位置，所述太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角的計(jì)算公式為：

10、，；

11、其中，為太陽(yáng)高度角，為太陽(yáng)方位角，為觀察點(diǎn)的地理緯度，為某時(shí)刻的太陽(yáng)時(shí)角，為某地的赤緯角。

12、優(yōu)選的，所述步驟1中的計(jì)算公式為：，其中為從每年1月1日起算的日序數(shù)。

13、優(yōu)選的，所述步驟1中的計(jì)算公式為：，其中，15表示地球每小時(shí)相應(yīng)的時(shí)角度數(shù)；規(guī)定正午的時(shí)角為0°，上午為負(fù)值，下午為正值。

14、優(yōu)選的，所述步驟2中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換具體包括：建立整體坐標(biāo)系和分析坐標(biāo)系兩套坐標(biāo)體系，然后將結(jié)構(gòu)在整體坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成分析坐標(biāo)系中坐標(biāo)；其中，整體坐標(biāo)系中，，?，?和的正方向分別指向正東、正北和天空；分析坐標(biāo)系基于太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角旋轉(zhuǎn)而成；其中兩個(gè)坐標(biāo)體系關(guān)系為：，其中，為太陽(yáng)高度角，為太陽(yáng)方位角。

15、優(yōu)選的，所述步驟4具體包括：

16、步驟41：結(jié)構(gòu)首先進(jìn)行三角形離散或者四邊形離散；

17、步驟42：針對(duì)每個(gè)單元，以整個(gè)結(jié)構(gòu)空間z緩沖區(qū)為背景，選擇出與單元投影相匹配的z緩沖區(qū)；

18、步驟43：統(tǒng)計(jì)出位于單元內(nèi)部的像素點(diǎn)；

19、步驟44：比較并更新z緩沖區(qū)z值，若相應(yīng)區(qū)域單元z值大于z緩沖區(qū)z值，表示該單元在目前計(jì)算進(jìn)程中處于離太陽(yáng)最近位置，需更新z緩沖區(qū)中z值以及相應(yīng)單元編號(hào)。

20、優(yōu)選的，所述步驟4中使用經(jīng)坐標(biāo)變換的構(gòu)件投影點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)各種單元類型z值計(jì)算。

21、優(yōu)選的，所述步驟5中構(gòu)件表面照射系數(shù)：

22、，式中，為單元內(nèi)像素點(diǎn)數(shù)；dis為像素點(diǎn)距；s為構(gòu)件在太陽(yáng)光線入射平面投影面積。

23、優(yōu)選的，所述步驟6中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度p的計(jì)算具體包括：

24、步驟61：計(jì)算構(gòu)件表面太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度，式中，ra為太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度；為太陽(yáng)光線與構(gòu)件軸線的夾角，為構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射吸收率；

25、步驟62：計(jì)算構(gòu)件表面太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度，，式中，為構(gòu)件與地面的夾角；為水平面的太陽(yáng)散射強(qiáng)度，，式中，為日地平均距離時(shí)投射到地球大氣上界的垂直太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，為太陽(yáng)高度角，為日地修正距離，，其中n為從每年1月1日起算的日序數(shù)；

26、步驟63：計(jì)算構(gòu)件表面太陽(yáng)反射輻射強(qiáng)度，式中，為地面反射率；

27、步驟64：計(jì)算太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。

28、本申請(qǐng)技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

29、1、邏輯清晰：基于z緩沖區(qū)的原理，不需要將結(jié)構(gòu)的每一部分轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，且不存在復(fù)雜的遮擋邏輯判別問(wèn)題；

30、2、算法代碼長(zhǎng)度大幅縮短：不需要將結(jié)構(gòu)的每一部分轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，且不存在復(fù)雜的遮擋邏輯判別問(wèn)題，大幅降低了大量計(jì)算時(shí)容易產(chǎn)生的出錯(cuò)概率；

31、3、計(jì)算效率高：而在傳統(tǒng)光線追蹤算法中，需將每個(gè)構(gòu)件與其他所有構(gòu)件進(jìn)行比較；而本方案中，每個(gè)構(gòu)件均與z緩沖區(qū)進(jìn)行比較更新，即可完成整個(gè)計(jì)算過(guò)程。

32、4、不僅計(jì)算了構(gòu)件表面的直接輻射、同時(shí)算法上涵蓋了散射輻射和反射輻射計(jì)算，從而使得到的非均勻溫度場(chǎng)更加準(zhǔn)確，保證了對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的形變的有效預(yù)測(cè)與矯正，提升了天線精度和觀測(cè)性能。

技術(shù)特征：

1.射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟1基于地平坐標(biāo)系確定太陽(yáng)的位置，所述太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角的計(jì)算公式為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟1中的計(jì)算公式為：，其中為從每年1月1日起算的日序數(shù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟1中的計(jì)算公式為：，其中，15表示地球每小時(shí)相應(yīng)的時(shí)角度數(shù)；規(guī)定正午的時(shí)角為0°，上午為負(fù)值，下午為正值。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟2中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換具體包括：建立整體坐標(biāo)系和分析坐標(biāo)系兩套坐標(biāo)體系，然后將結(jié)構(gòu)在整體坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成分析坐標(biāo)系中坐標(biāo)；其中，整體坐標(biāo)系中，，?，?和的正方向分別指向正東、正北和天空；分析坐標(biāo)系基于太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角旋轉(zhuǎn)而成；其中兩個(gè)坐標(biāo)體系關(guān)系為：，其中，為太陽(yáng)高度角，為太陽(yáng)方位角。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟4具體包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟4中使用經(jīng)坐標(biāo)變換的構(gòu)件投影點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)各種單元類型z值計(jì)算。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算方法，其特征在于：所述步驟5中構(gòu)件表面照射系數(shù)：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及射電望遠(yuǎn)鏡溫度場(chǎng)計(jì)算領(lǐng)域，公開(kāi)了射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算方法，該方法包括：步驟1：根據(jù)具體日期計(jì)算太陽(yáng)位置；步驟2：根據(jù)太陽(yáng)入射光線向量，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將結(jié)構(gòu)投影到太陽(yáng)入射平面；步驟3：創(chuàng)建Z緩沖區(qū)；步驟4：太陽(yáng)輻射可見(jiàn)性測(cè)試；步驟5：構(gòu)件表面受照射面積計(jì)算；步驟6：計(jì)算構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射。本方案基于Z緩沖區(qū)的原理，不需要將結(jié)構(gòu)的每一部分轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，且不存在復(fù)雜的遮擋邏輯判別問(wèn)題；能快速、精確的計(jì)算每個(gè)構(gòu)件表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。

技術(shù)研發(fā)人員：陳德珅,余立煬,張凱,錢宏亮,范峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9