基于机电耦合的超大型天线QTT性能主动调整方法研究

摘要

巨大的天线是射电望远镜的显著特点，其天线主反射面一般由成百上千块分块面板组成，由于面板安装固定在复杂而笨重的背架结构上，在自重、温度和风荷等因素的影响下会产生结构变形，另外实际工程中还存在制造公差、安装面板过程中的测量误差和安装误差，都导致了天线变形。随着射电望远镜全可动天线的口径扩大与频段提升，天线在观测时的高电性能难以保障，必须采用机械补偿与电子补偿等手段。为确保天线的指向精度与作用距离，有必要对天线反射面的空间位置与几何形状进行调整，主动面调整是补偿与保障天线电性能最有效的手段。为此，本文针对超大口径QTT天线在性能主动调整方面进行了研究分析，完成的工作具体如下：
　　（1）针对大型射电望远镜天线性能补偿问题，研究了天线性能补偿方法发展历程，归纳了天线面形精度控制方法，给出了应用主动面的国内外典型射电望远镜概况，并结合四部国际大型天线的主动面补偿现状和对比，总结出大型天线主动面补偿体系包括面形调整量计算、主面分块设计、促动器设计、主动面控制系统及面形检测五大关键技术，并一一分析，给出了主动面补偿体系关键技术在未来超大型射电望远镜天线上的应用研究方向。
　　（2）面对大型射电望远镜高面形精度的苛刻设计要求，结合天线增益、波束指向、赋形表面切换等性能指标要求，基于大型反射面天线机电耦合思想，提出了面向电性能的大型天线面形主动调整系列方法，给出了对应调整策略与调整量计算的详细过程，并以某110米超大口径天线模型为例，仿真验算了天线面形主动调整系列方法的计算结果正确有效。
　　（3）通过对不同性能要求下的天线面板主动调整方法的分析，基于C++Builder平台，自主设计开发了一套大型变形抛物面天线面形主动调整量计算软件，包含三个子软件平台，高度集成了面向天线增益、面向波束指向、面向增益与指向的天线主动面板调整量计算过程，可快速准确地完成不同电性能要求下变形抛物面天线所有主动面板的促动器调整量计算，并输出结果文件。
　　（4）利用最小二乘原理对轨道不平度进行描述，基于轨道不平度对天线波束指向精度的影响机理，建立了轨道不平度与天线波束指向偏差计算与指向均方根误差计算的数学模型，定性、定量分析轨道不平度对天线波束指向的影响，并以某50米口径轮轨式天线为例进行验算，自主设计开发了一套基于轨道不平度的天线波束指向精度计算软件，可得到大型轮轨式天线在任意位姿下因轨道不平度而引起的波束指向偏差，以及天线指向定义域内的波束指向均方根误差。

目录

声明

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 射电望远镜天线性能补偿发展历程

1.3 应用主动面的国内外典型射电望远镜天线概况

1.4 本文主要工作

第二章 大型射电望远镜天线主动面补偿研究

2.1 四部国际大型天线主动面补偿现状

2.2 天线主动面补偿技术体系

2.3 本章小结

第三章 基于机电耦合的超大型天线面形主动调整

3.1 面向天线增益的变形天线面板精度调整量计算

3.2 面向波束指向的变形天线面板移动拟合调整量计算

3.3 面向增益与指向的变形天线面板吻合旋转调整量计算

3.4 面向赋形面的超大型抛物面天线主动面板调整量计算

3.5 仿真实例

3.6 本章小结

第四章 大型变形抛物面天线面形主动调整计算软件

4.1 软件开发环境

4.2 软件总体设计

4.3 案例应用

4.4 本章小结

第五章 基于轨道不平度的超大型天线指向主动调整

5.1 轨道不平度的介绍与最小二乘描述

5.2 轨道不平度对超大型天线波束指向的影响

5.3 基于轨道不平度的天线波束指向精度计算软件

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介