項(xiàng)目進(jìn)展報(bào)告——天線近場(chǎng)測(cè)量

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1、項(xiàng)目進(jìn)展報(bào)告(2016~2017)天線近場(chǎng)測(cè)量方案目錄QTT進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)量的必要性a)QTT的變形來(lái)源和特征b)已有方案的局限性c)無(wú)人機(jī)近場(chǎng)測(cè)量的優(yōu)越性近場(chǎng)測(cè)量基本理論研究a)近場(chǎng)的分類和天線衍射模型b)口徑場(chǎng)—平面近場(chǎng)變換c)不失真快速卷積和反卷積近場(chǎng)相位全息方案a)方案結(jié)構(gòu)圖b)仿真結(jié)果近場(chǎng)相位恢復(fù)方案a)方案結(jié)構(gòu)圖b)仿真結(jié)果近場(chǎng)單幅值測(cè)量方案a)變形—幅值理論b)仿真結(jié)果c)實(shí)現(xiàn)條件無(wú)人機(jī)研究進(jìn)展a)無(wú)人機(jī)近場(chǎng)測(cè)量簡(jiǎn)述b)無(wú)人機(jī)定位指標(biāo)c)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果天線近場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)a)0506西安近場(chǎng)測(cè)試b)測(cè)試結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)項(xiàng)目研究展望上海交通大學(xué)葉騫2

2、3項(xiàng)目進(jìn)展報(bào)告(2016~2017)天線近場(chǎng)測(cè)量方案QTT進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)量的必要性QTT的變形來(lái)源和特征QTT是新疆天文臺(tái)將要修建的直徑110m的全可動(dòng)大型射電望遠(yuǎn)鏡。由幾千塊鋁合金面板組成一個(gè)巨大的主反射面，預(yù)計(jì)總重量將超過(guò)7000t。巨大的主反射面在姿態(tài)變化時(shí)、日照不均時(shí)、風(fēng)吹干擾時(shí)都會(huì)產(chǎn)生較大的主面變形。主面變形直接影響天線做天文觀測(cè)時(shí)的效率，因此在面板下方安裝數(shù)千臺(tái)精密促動(dòng)器，對(duì)產(chǎn)生的輪廓形變進(jìn)行補(bǔ)償，將其恢復(fù)成一個(gè)完美的拋物面或賦形面。QTT的三大變形來(lái)源：重力，風(fēng)力，熱變形都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。其中，重力變形占據(jù)主要成分，主要是長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行以及姿

3、態(tài)的改變所導(dǎo)致；風(fēng)力變形是隨機(jī)而復(fù)雜的，除了優(yōu)化結(jié)構(gòu)外暫時(shí)沒(méi)有很好的對(duì)策；熱變形對(duì)白天的觀測(cè)有很大的影響，這方面的研究比較成熟，有限元仿真能夠給出比較可靠的結(jié)果，容易對(duì)其實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。因此，我們重點(diǎn)關(guān)注的是重力變形，研究和分析不同姿態(tài)下的重力變形是其中的關(guān)鍵。圖1QTT的變形來(lái)源和特征已有方案的局限性QTT的姿態(tài)變化導(dǎo)致的重力變形將是比較巨大的，需要作針對(duì)性的檢測(cè)。根據(jù)上海天文臺(tái)的測(cè)試數(shù)據(jù)，TM65m望遠(yuǎn)鏡主反射面在0到90度的俯仰變化下變形分布的差異達(dá)到1至3個(gè)毫米。而目前的仿真等其他手段，均不能夠給出比較精確的預(yù)測(cè)變形數(shù)據(jù)，因此我們需要精確的，實(shí)時(shí)的，

4、可靠地測(cè)出QTT不同姿態(tài)下的主面變形。目前的主反射面變形測(cè)量方法，有機(jī)械光學(xué)法、攝影測(cè)量法、射電全息法、有限元仿真等。我們主要研究的是射電全息法，因其在業(yè)內(nèi)已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用，不需要添加額外設(shè)備即可快速測(cè)量出變形等優(yōu)點(diǎn)。射電全息法在使用時(shí)充分利用了望遠(yuǎn)鏡本身的觀測(cè)系統(tǒng)，方便實(shí)用，便捷可靠，而測(cè)量精度（一般可以達(dá)到0.1mm）又很高，足以達(dá)到QTT對(duì)于主面變形RMS（小于0.3mm）的要求。射電全息法主要包括：相位全息法、相位恢復(fù)法。它們的工作原理此處不再贅述，僅說(shuō)明一下它們的不足。目前的射電全息法，主要指的是遠(yuǎn)場(chǎng)方法，即信標(biāo)到天線口徑面的距離大于某個(gè)臨

5、界值，對(duì)于QTT上海交通大學(xué)葉騫23項(xiàng)目進(jìn)展報(bào)告(2016~2017)天線近場(chǎng)測(cè)量方案大約是幾百公里，因此信標(biāo)只能選取為天體或者人造衛(wèi)星。事實(shí)上，對(duì)于QTT這樣巨大的望遠(yuǎn)鏡，國(guó)內(nèi)外已有的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)都是在遠(yuǎn)場(chǎng)使用天體或者人造衛(wèi)星作為源進(jìn)行的。一般來(lái)說(shuō)，天體源的信號(hào)強(qiáng)度是比較弱的，很難達(dá)到60dB，如此可能造成測(cè)量分辨率不足。人造衛(wèi)星則具有很強(qiáng)的信號(hào)，一般可以達(dá)到90dB。使用人造衛(wèi)星作為信號(hào)源一般可以得到很高的口徑相位分辨率，國(guó)內(nèi)外一些高分辨率的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量方案基本上都是基于人造衛(wèi)星的。然而，人造衛(wèi)星的分布非常有限，只在有限角度下能夠?qū)崿F(xiàn)有效的測(cè)量，無(wú)法滿足Q

6、TT的測(cè)量要求：實(shí)現(xiàn)任意姿態(tài)的表面變形測(cè)量。當(dāng)然，將遠(yuǎn)場(chǎng)推廣到近場(chǎng)，通過(guò)信號(hào)塔的方式確實(shí)可以從理論上解決任意姿態(tài)測(cè)量的問(wèn)題。但是QTT的尺寸所要求的信號(hào)塔的高度無(wú)法做到。也就是說(shuō)，靜態(tài)信號(hào)源的近場(chǎng)測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)?？偟膩?lái)說(shuō)，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量難以做到任意角度可測(cè)，近場(chǎng)靜態(tài)測(cè)量難以具備物理實(shí)現(xiàn)的可能。圖2現(xiàn)有的射電測(cè)量方案使用案例無(wú)人機(jī)近場(chǎng)測(cè)量的優(yōu)越性遠(yuǎn)場(chǎng)難以做到任意姿態(tài)測(cè)量，所以測(cè)量必須是在近場(chǎng)進(jìn)行。既然靜態(tài)近場(chǎng)測(cè)試無(wú)法物理實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)近場(chǎng)測(cè)試是否可行？設(shè)想使用熱氣球攜帶信號(hào)源，控制信號(hào)源的精確位置，天線對(duì)其進(jìn)行近場(chǎng)掃描不失為一種可行的辦法。類似的，無(wú)人機(jī)近場(chǎng)測(cè)量就是

7、這個(gè)思想的升級(jí)版：采用無(wú)人機(jī)攜帶信號(hào)源，天線保持靜止，無(wú)人機(jī)掃描天線，得到天線的近場(chǎng)圖。這種方案的優(yōu)越性在于：1.天線始終保持靜止，沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)誤差。2.無(wú)人機(jī)能夠非得很近，信號(hào)更強(qiáng)，時(shí)間更短。3.無(wú)人機(jī)測(cè)量能夠非常快速的飛行、測(cè)量。4.能夠?qū)崿F(xiàn)任意姿態(tài)的天線變形測(cè)量。方案的難點(diǎn)在于：1.無(wú)人機(jī)近場(chǎng)是一個(gè)很近的近場(chǎng)，目前沒(méi)有相關(guān)先例，也缺乏成熟的理論支撐。2.無(wú)人機(jī)的定位和位置精確測(cè)量是一個(gè)還需要深入研究的問(wèn)題。3.無(wú)人機(jī)的負(fù)載量、續(xù)航時(shí)間、通信距離、有效控制等問(wèn)題需要反復(fù)測(cè)試。上海交通大學(xué)葉騫23項(xiàng)目進(jìn)展報(bào)告(2016~2017)天線近場(chǎng)測(cè)量方案1.

8、如何在大風(fēng)條件下保持位置和姿態(tài)的穩(wěn)定，是無(wú)人機(jī)目前難以解決的問(wèn)題。天線近場(chǎng)無(wú)人機(jī)測(cè)試方案的必要