Исследование и разработка многоматричной оптико-электронной системы контроля смещений элементов зеркальной системы радиотелескопа миллиметрового диапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Усик, Александр Александрович

• Усик, Александр Александрович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Усик, Александр Александрович

Содержание

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЗЕРКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РАДИОТЕЛЕСКОПСКОПОВ

1.1 Радиоголографический метод контроля

1.2 Оптические методы контроля

1.3 Радиотелескопы миллиметрового диапазона длин волн с диаметром главного зеркала до 70 метров

1.3.1 Радиотелескоп ЖО 45 (Япония)

1.3.2 Радиотелескоп ЬМТ 50 (Мексика)

1.3.3 Радиотелескоп БЯТ 64 (Италия)

1.3.4 Большой радиотелескоп миллиметрого диапазона длин волн ЬМТ 100 (Эффельсберг, Германия)

1.3.5 Большой радиотелескоп ИИЛО вВТ-ЮО (Грин Бэнк, США)

1.3.6 Строящийся российский радиотелескоп миллиметрового диапазона длин волн РТ-70 «Суффа» (Узбекистан)

1.4 Пути развития средств контроля элементов зеркальной системы радиотелескопа

1.4.1 Лазерные сканирующие системыы

1.4.2 Фотограмметрические системы

1.5 Система контроля положения контррефлектора радиотелескопа

1.6 Цель и задачи диссертационного исследования

1.7 Выводы по Главе 1

2 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ В ОЭС КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЗЕРКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РТ

2.1 Модель измерительной ОЭС на основе одного матричного приемника

2.2 Модель измерительной ОЭС с тремя матричными приемниками

2.3 Исследование параметров и характеристик ОЭС с использованием двухмоделей

2.4 Выводы по Главе 2

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОЭС КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ КОНТРРЕФЛЕКТОРА

3.1 Описание макета оптико-электронной системы контроля про-странственнго положения контррефлектора

3.2 Описание экспериментальной установки

3.3 Методика проведения экспериментальных исследований

3.4 Результаты измерений и обработка экспериментальных данных

3.5 Выводы по Главе 3

4 АНАЛИЗ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОЭС КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ КОНТРРЕФЛЕКТОРА

4.1 Первый алгоритм калибровки систем

4.2 Второй алгоритм калибровки систем

4.3 Выводы по Главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БЛАГОДАРНОСТИ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

БО — блок обработки;

ВЦ — визирная цель;

ДН — диаграмма направленности

ИОЭП — измерительный оптико-электронный преобразователь;

КР — контррефлектор;

КЭ — контрольный элемент;

ОЗ — основное зеркало;

ОК — опорное кольцо;

ОЭС — оптико-электронная система;

РТ — радиотелескоп;

СК — система координат;

СКО — среднее квадратическое отклонение;

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка многоматричной оптико-электронной системы контроля смещений элементов зеркальной системы радиотелескопа миллиметрового диапазона»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время активно осваивается диапазон миллиметровых волн: разрабатываются новые системы и устройства, расширяются области применения. В этом диапазоне очень мал эффект рассеяния излучения из-за флюктуаций межзвездной плазмы, что способствует получению изображений сверхкомпактных объектов, высокоточному измерению их координат и параметров движения. Наиболее важным и интересным применением милиметро-вого диапазона длин волн является радиоастрономия. Радиотелескопы позволяют получать ценную информацию для космологии и внегалактической астрономии, физики Галактики, галактических объектов и Солнечной системы.

В миллиметровом диапазоне длин волн присутствует чувствительность к самым холодным объектам во Вселенной. А те, как правило, находятся в самых плотных и неясных областях Вселенной, в частности в областях звездообразования. Мы на самом деле видим начальные этапы формирования структур во Вселенной — возвращаемся назад, к Большому взрыву. Более локально, в нашей галактике, можно видеть формирование планет.

Основным инструментом являются радиотелескопы с полноповоротным параболическим рефлектором — аналогом оптических телескопов-рефлекторов.

Полноповоротные антенны имеют большие преимущества перед неподвижными: их можно направлять в любую точку неба, а также осуществлять с их помощью слежение за радиоисточником — «копить» сигнал, как говорят радиоастрономы, что позволяет повысить чувствительность телескопа и выделять на фоне всевозможных шумов гораздо более слабые космические радиосигналы. Идеальная антенна обеспечивает бесконечно жесткий, идеальный параболоидальный рефлектор, закрепленный на совершенном основании бесконечной жесткости с перпендикулярно ориентированными осями. Это

обеспечивает точно известную область сбора и строгое направление на антенну датчика считывания. В реальной жизни, ни одна структура не обладает ни идеальными размерами, ни бесконечной жестью и, следовательно, будут механические дефекты в изготовлении и монтаже, а также структурные деформации, вызванные гравитацией, градиентом температур и ветровыми нагрузками. Это приводит к изменению оси визирования и отклонениям поверхности рефлектора от необходимого параболоида. Это ошибки операционной ситуации, которые пердставляют наибольший интерес для пользователя и образуют основные спецификации.

На высокогорном плато Суффа в отрогах Туркестанского хребта в Республике Узбекистан Росссией реализуется крупный проект по созданию радиообсерватории миллиметрового диапазона. Будет построен полноповоротный радиотелескоп (РТ) типа РТ-70 с параметрами: основное зеркало (ОЗ) — осесимметричный фрагмент параболоида с фокусным расстоянием 21 метр, составленный из 1200 отражающих щитов; диаметр 03 — 70 метров; диаметр контррефлектора (КР) — 3 метра. Радиотелескоп РТ-70 будет работать в двух режимах: автономном и радиоинтерферометрическом в сети наземных и космических радиотелескопов.

Для обеспечения работы в заданном диапазоне длин волн необходимо выполнение высоких требований к качеству составной параболической поверхности основного зеркала (среднее квадратическое отклонение точек поверхности от теоретического параболоида не более 0,05 мм), стабильности взаимного расположения основного зеркала и контррефлектора (соответственно 0,08 мм), точности наведения зеркальной системы (допустимая погрешность 1 ... 1,5 у гл. сек.). Вместе с тем деформации элементов конструкции радиотелескопа велики: смещение точек поверхности основного зеркала достигает в краевой зоне величины 10 мм, смещение контррефлектора величины в 30 мм. Указанные линейные и угловые деформаций должны быть измерены и ском-

пенсированы комплексом систем адаптации формы и положения элементов отражающей системы РТ.

Использование серийно выпускаемых измерительных оптико-электронных систем (ОЭС) соответствующего класса точности, например, сканирующих трекеров, практически невозможно по габаритно-массовому критерию. Интерференционные системы не могут использоваться из-за чувствительности к влиянию внешних факторов.

Известные специализированные оптико-электронные системы с традиционной структурой, включающей объектив и единую плоскость анализа на базе матричного фотоприёмника имеют ограниченные угловое поле, не позволяющее контролировать с требуемой точностью элементы, распределённые по поверхности крупногабаритной структуры ОЗ и КР как единого объекта контроля.

Таким образом, необходимо исследование теоретических основ построения и реализации многоматричных оптико-электронных сенсоров для комплекса систем адаптации формы ОЗ и положения КР, а также контроля положения других элементов зеркальной системы радиотелескопов миллиметрового диапазона длин волн.

Указанные обстоятельства позволяют говорить об актуальности и важности исследования основ построения и реализации многоматричных оптико-электронных сенсоров для комплекса систем адаптации формы 03 и положения КР, а также контроля положения других элементов зеркальной системы радиотелескопов миллиметрового диапазона длин волн.

Целью данной диссертационной работы является исследование и разработка принципов построения, методов расчёта параметров и характеристик, а также разработка, практическая реализация и экспериментальное исследование многоматричных ОЭС контроля пространственного положения зеркальной системы РТ.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. Исследовать устройство и основные параметры современных оптических и оптико-электронных средств контроля пространственного положения элементов зеркальной системы радиотелескопов.

2. Предложить принципы построения и структуру оптико-электронной системы контроля пространственного положения контррефлектора РТ.

3. Разработать компьютерную модель ОЭС для исследования характеристик ОЭС и провести анализ и оценку влияния составляющих погрешности измерения, предложить пути их уменьшения.

4. На основе полученных данных спроектировать и реализовать макет ОЭС контроля пространственного положения контррефлектора РТ.

5. Провести экспериментальные исследования макета ОЭС, оценить со-ответсвие вычисленных метрологических характеристик полученным, предложить пути повышения точности ОЭС

Во Введении обосновывается актуальность работы. Указываются спектр измерительных задач, которые представляют область научных исследований.

В Главе 1 приводится аналитический обзор современных методов и средств контроля пространственного положения зеркальных конструкций радиотелескопов миллиметрового диапазона. Определяются требуемые характеристики, аргументируется выбор принципа действия разрабатываемой системы. Формулируются цель и задачи диссертационного исследования.

В Главе 2 предлагается обобщенная структурная схема и описывается принцип действия ОЭС контроля пространственного положения контррефлектора РТ. Анализируются модели системы на основе перспективной проекции, проводится сравнение различных схем.

В Главе 3 приводится описание конструкции, описывается схема и результаты экспериментального исследования физической модели (макета) контроля пространственного положения контррефлектора РТ.

В Главе 4 предлагаются дальнейшие пути повышения точности ОЭС контроля пространственного положения контррефлектора РТ.

В Заключении делаются выводы о проделанной работе и приводятся ее результаты.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Принципы построения и структура оптико-электронной системы контроля пространственного положения контррефлектора РТ с единым объективом и секционным многоматричным полем анализа, при реализации которой увеличивается точность измерения;

2. Методы определения параметров пространственной конфигурации фотоприёмных матричных структур, совместно функционирующих в составе оптико-электронной системы с единым объективом и секционным многоматричным полем анализа при непересекающихся угловых полях измерительных каналов, применение которых позволяет уменьшить систематическую составляющую погрешности измерения посредством калибровки измерительной системы.

3. Принципы построения компьютерной модели оптико-электронной системы с единым объективом и секционным многоматричным полем анализа, позволяющей проанализировать влияние основных составляющих погрешности оптико-электронной системы и сформировать требования к параметрам звеньев измерительной цепи при проектировании системы.

4. Результаты экспериментальных исследований макета оптико-электронной системы контроля пространственного положения контррефлектора РТ, позволившие практически определить основные метрологические характеристики оптико-электронной системы с единым объективом и секционным многоматричным полем анализа.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Разработаны принципы построения системы с единым приёмным объективом и секционным матричным полем анализа для контроля пространственного положения элементов составных крупногабаритных объектов.

2. Установлены функциональные зависимости параметров объектива оптико-электронной системы и многоматричного секционного поля анализа с характеристиками образованных ими измерительных каналов с непересекающимися угловыми полями, на основе которых разработан математический аппарат и алгоритм процесса калибровки измерительных систем такой структуры.

3. Найдены закономерности, связывающие параметры изображений контрольных меток, обрабатываемых многоматричным секционным полем анализа с параметрами пространственного положения контролируемых элементов крупногабаритного объекта, позволяющие повысить точность и адекватность компьютерных моделей обработки измерительной информации.

Научная и практическая значимость результатов работы состоит в том, что:

1. Получены методики расчета параметров и анализа погрешностей оптико-электронной системы контроля пространственного положения

объектов, позволяющие исследовать структуру суммарной погрешности и выработать пути повышения точности измерений.

2. Спроектирована и реализована физическая модель оптико-электронной системы с единым объективом и секционным многоматричным полем анализа для контроля пространственного положения контррефлектора РТ, экспериментальные исследования которой подтверждают возможность практической реализации измерительной системы с требуемыми параметрами.

3. Создана обобщенная компьютерная модель оптико-электронной системы с единым объективом и секционным многоматричным полем анализа, позволяющая оценить влияние первичных погрешностей звеньев измерительной цепи на суммарную погрешность измерения.

Степень достоверности полученных результатов подтверждается хорошим совпадением результатов теоретических расчетов со значениями, полученными в результате компьютерного моделирования, а также экспериментального исследования макетов исследуемой оптико-электронной системы.

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 8 статей в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК, в том числе 4 — в изданиях включённых в систему цитирования Scopus, получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 38 наименований, содержит 109 страниц основного текста, 23 рисунка, 7 таблиц.

Работа выполнена на кафедре «Оптико-электронные приборы и системы» Санкт-Петербургского национального исследовательского университета ин-

формационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО) Министерства образования и науки Российской Федерации.

ГЛАВА 1 ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЗЕРКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РАДИОТЕЛЕСКОПСКОПОВ

Большие рефлекторы, используемые в радиоастрономии и системах дальней космической связи, обычно состоят из набора панелей поверхности, устанавливаемых на трех и более точках опорной конструкции. После сборки рефлектора необходимо точно установить панели на заданные позиции, чтобы получить максимальный коэффициент усиления антенны. Определяющими являются методы, позволяющие оценить положение отдельных панелей в пространстве и вычислить необходимые корректировки их опорных точек, чтобы получить непрерывную поверхность заданной формы.

Известно влияние случайных ошибок в контуре зеркала на коэффициент усиления антенны: для ограничения потерь до 10% требуется погрешность Л/40, в то время как при погрешности А/16 коэффициент усиления уменьшается примерно на половину от максимально достижимого. Для субмиллиметровых телескопов, работающих на длине волны 350 мкм, это означает, что погрешность рефлектора не должна превышать 20-25 мкм. Получение таких значений является сложной задачей как при проектировании и строительстве, так и при измерении и установке панелей.

Первые крупные радиотелескопы имели диаметр главного зеркала порядка 25 м и работали на длинах волн более 10 см. Таким образом, при погрешности установки поверхности в несколько миллиметров они показывали превосходную производительность. Значения такого порядка можно было получить классическим методом «теодолита и рулетки». Использование лучших теодолитов позволяло достичь среднеквадратического отклонения (СКО) порядка 100 мкм для зеркала диаметром до 30 м. Однако в течение последних 30 лет активно развивались технологии больших и одновременно высокоточных антенн. Применение принципа гомологии [1] позволило стро-

ить радиотелескопы с диаметром главого зеркала до 100 м и СКО поверхности 0,5 мм, 30 м миллиметровые телескопы с СКО поверхности 75 мкм и 10-12 м субмиллиметровые телескопы с СКО поверхности менее 20 мкм. Установка панелей зеркала с подобой точностью требует разработки методов измерения с доселе непревзойденной точностью. При этом следует отметить, что измерения должны проводиться «в поле», что в случае радиотелескоов миллиметрового диапазона означает агрессивную среду гор. Был разработан ряд методов и средств контроля.

1.1 Радиоголографический метод контроля

Наиболее гибкий и универсальный, широко используемый в настоящее время метод обычно называют радиоголографией. Метод основан на использовании известного соотношения в теории антен — диаграмма направленности (ДН) в дальней зоне антены является преобразованием Фурье амплитудно-фазного распределения в апертурной плоскости антены. Таким образом, если можно измерить ДН по амплитуде и фазе в достаточно большой угловой области — можно вывести преобразование Фурье распределения амплитуды и фазы в апертурной плоскости антены с определенным пространственным разрешением. Последнее определяется угловым размером измеренной диаграммы направленности. Этот метод был предложен подробно в приложении к книге «Introduction to Radio Astronomy» R.C. Jennison (1966). Метод применили к новому Кембриджскому пятикилометровму интерферо-метрическому массиву, измеряя формы четырех из восьми антенн при помощи точечного звездного радиоисточника — остальные четыре антенны обеспечивали опорный сигнал для измерения амплитуды и фазы.

Использование естественных, небесных источников сигнала очень привлекательно по двум причинам. Первая, источник, безусловно находится в дальней зоне антены (зоне Фраунгофера).

Дальняя зона, определяемая соотношением 1.1 может достигать значений в несколько сотен километров. По этой причине, наземные источники вряд-ли когда-нибудь будут в «дальней зоне» для этих приложений. Во-вторых, звездный радиоисточник проходит ежедневный путь по небу, предоставляя ряд углов места (элевации), для которых могут быть собраны данные и проведено изучение деформаций антенн, вызванных действием силы тяжести. Однако зачастую интенсивность космических источников является недостаточной для достижения требуемого отношения сигнал/шум. Существует всего несколько достаточно мощных источников. Ситуация более благоприятная, если есть несколько больших антенн, наподобие интерферометрических массивов, где дополнительные антенны могут быть использованы для обеспечения мощного опорного сигнала.

Для ЖАМ 30 м миллиметрового телескопа на Пико Велета [12] использовались голографические системы на 22 ГГц и сильный источник в туманности Ориона Небулы, который достигал интенсивности несколько миллионов Ян-ских во время фазы разработки телескопа. Опорный сигнал обеспечивался зеркалом диаметром 1,5 м, расположенным в задней части клетки прямого фокуса телескопа. Компактный двойной приемник в прямом фокусе обслуживал опорное и главное зеркала. Несмотря на то, что во время измерения излучение источника ослабло, оно было все еще достаточно сильным, чтобы позволить произвести измерение поверхности с СКО в 30 мкм и установить поверхность лучше, чем 100 мкм СКО [3].

■.....I1 ';""i 'i" 'i "i' J I I—[—r

' 30-|ст-2004 . 19.J ¿urn

; 31 Hcn-200+ 13 4 firrt 1 ' 1 1 , :

; 03—fab—20Q4 [13 7 ¡лт 1 Jl i , , .........

—200 —1 DO 0 100 2DO

200 100 0

-100 -200

Surface Error Map (/¿m)

I'""1'[ "'' ' ' 1 I ' 1 1 ■ I 1 1 1 ■■ mr. ■ < " 27~jarv-2D04

Рисунок 1.1 - Карты погрешности поверхности и распределение погрешности прототипа антенны ALMA

В отсутствие сильных источников в зоне Фраунгофера обращаются к наземным передатчикам — на практике они располагаются на расстоянии от

нескольких сотен метров до нескольких километров с углом возвышения менее 10 градусов. Очевидно, что они находятся в ближней зоне антенны, поэтому требются значительные поправки к принимаемым сигналам. Успешные измерения на коротких дистанциях были зарегистрированы для JCMT [4] и ASTE антенны NAOJ. Прототип антенны ALMA [5] (диаметр 12 м, погрешность поверхности по спецификации 20-25 мкм) был измерен и установлен с помощью передатчика на расстоянии 315 м, угол возвышения 9 градусов, длина волны около 3 мм.

Также в качестве источника дальней зоны могут использоваться искусственные спутники, излучающие сигнал на фиксированной частоте.

Фактическая реализация голографических измерений рефлектора будет сильно зависеть от местных условий таких, частотный диапазон антенны, топографической ситуации в окрестностях антенны, наличия опорной антенны и требований к точности измерения. Простейший случай использование нескольких антенн в качестве интерферометрического массива.

Результат голографических измерений и установка прототипа антенны ALMA показан на рисунке 1.1 Регулировка панелей была сделана между картами, на основе предыдущих результатов. Исходная ошибка составила 53 мкм, но может быть улучшена до 14 мкм в двух полных и одной частичной регулировки поверхности.

Голографический метод в настоящее время используется на регулярной основе при устанвке рефлекторов антенн, достигая точности около 1 мкм в настоящее время.

1.2 Оптические методы контроля

Рассмотрим методы, не использующие радиоизмерния, а работающие преимущественно в видимом свете. Они используются для точной установки рефлекторов радиотелескопов миллиметрового диапазона.

В фотограмметрических методах с нескольких позиций получают изображение поверхности рефлектора, оснащенного подходящими целями. Из набора снимков формируется трехмерное представление о расположении целей и, следовательно, восстанавливается форма рефлектора. Первым применением метода к радиотелескопам было измерение 300-футовых и 85-футовых антенн в КИАО в Грин-Бэнк в 1962 году. Камера располагалась на зависшем вертолете — была достигнута погрешность порядка одного миллиметра.

Рисунок 1.2 - Прототип антены ALMA с установлнными 1080 фотограмметрическими мишенями (белые точки)

С тех пор была разработана полностью цифровая система — она была использована при установке прототипа-антенны ALMA (12 м в диаметре). Камера была размещена на подъемнике близко к отражателю — измерение поверхности производилось в нескольких позициях угла возвышения. Данные представляют интерес при изучени гравитационно индуцированных деформаций в структуре. Погрешность достигла несколько единиц на миллион и

рефлектор был установлен с СКО в 30 мкм. Рисунок 1.2 показывает рефлектор с более 1000 установленных фотограмметрических мишеней.

Оригинальный метод измерения и установки панелей рефлектора был геодезический метод «теодолита и рулетки». Может быть получена точность измерения более ОД мм.

Усовершенствования оборудования на протяжении многих лет привели к использованию лазерных теодолитов, где измерение угла и расстояния объединены в одном приборе. Тахеометр Laser Tracker от Leica может отслеживать перемещение уголкового отражателя в пространстве. Этот инструмент был использован для настройки другого прототипа антены ALMA. Цель помещалась на актуаторы панели и производились корректировки положения панели в режиме реального времени, после чего цель перемещалась на следующую точку. С помощью этого инструмента можно было установить рефлектор диаметром 12 м с точностью около 30 мкм. Оптические инструменты рассмотрены более развернуто выше.

1.3 Радиотелескопы миллиметрового диапазона длин волн с диаметром главного зеркала до 70 метров

1.3.1 Радиотелескоп NRO 45 (Япония)

Радио обсерватория Нобеямы (NRO) является частью национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ) расположенная в деревне Нобе-яма в японских Альпах на высоте 1350 метров над уровнем моря [6].

Диаметр главного зеркала японского радиотелескопа NRO 45 м, вес антенны 700 тонн. Диапазон рабочих длин волн радиотелескопа 1 мм-1 см. При этом антенна является полноповоротной: угол места — 10-90 град; азимут — 360 град [7].

Рисунок 1.3 - Структура радиотелескопа НЯАО 45 (Япония)

Главное зеркало радиотелескопа (Рисунок 1.3) параболоид, состоящий из 600 панелей. Каждая панель должна быть установлена с точностью поверхности 60 мкм и отклонением всего зеркала от идеального параболоида порядка 90 мкм. Система настройки панелей — позволяет управлять на расстоянии положением каждой из 600 панелей главного зеркала радиотелескопа в её четырех углах. Измерения положения панелей осуществляется методом радиоголографии. После измерений панели регулируются, образуя идеальный параболоид.

Контррефлектор отражает радиоволны, собранные главным зеркалом к приемнику. Диаметр контррефлектора в виде выпуклого гиперболоида диа-

метром 4 м. При изменении угла места главного зеркала радиотелескопа наблюдается перемещение фокальной точки, с которой связано положение контррефлектора. В связи с выше сказанным появляется необходимость контроля положения контррефлектора, а значит и связанного с ним положения фокальной точки главного зеркала РТ. Контроль положения осуществляется средствами промышленного компьютера [8].

Другой элемент РТ — приемник (Рисунок 1.3) включает 10 гетеродинных приемников, охлаждаемых до температуры 4 К или 20 К, позволяющих уменьшить тепловой шум. Коллимационная башня позволяет контролировать установку направления антенны с точностью 1/1000 градуса.

Средние значение погрешности изготовления отдельных панелей РТ составляет 60 мкм, поэтому при настройке панелей главного зеркала РТ необходимо стремится к такой же точности. Тогда телескоп может быть использован в 1-мм диапазоне, который является радиоокном самой короткой длиной волны, доступной наземным приборам. Для достижения требуемых параметров отражающих элементов радиотелескопа необходимо использовать системы коррекции формы поверхности основного зеркала.

Первоначально точность настройки панелей поверхности 45-м телескопа составляла 200 мкм, которая была достигнута с помощью лазерного теодолита и это позволило производить наблюдения на частотах до 115 ГГц.

Для получения лучшей точности поверхности были применен метод радиоголографии с использованием сигнала геостационарного спутника частотой в 19,45 ГГц . Измерения были получены с пространственным разрешением 86 см (64x64 точки), сравнимым с размером отдельных панелей 1,2x2,2 м. Это позволило улучшить точность настройки поверхности до 125 мкм.

В ходе эксплуатации РТ было установлено, что панели главного зеркала подвержены влиянию факторов окружающей среды в результате чего происходят не только деформации, но и нарушения целостности поверхности

основного зеркала. Были проведены голографические измерения с более высоким пространственным разрешением в 44 см (128x128 точки), чтобы точно определить настройки отдельных панелей. Измерения позволили достичь среднеквадратического отклонения между четырьмя прилегающими панелями величины до 90 мкм [9].

Рисунок 1.4 — Контурная карта поверхностных ошибок

Измерения с разрешением в 10 см в 1992 году позволили настроить поверхность главного зеркала с точностью между панелями в 65 мкм. Результаты измерений поверхности главного зеркала после настройки показаны на рисунке 1.4. Левая карта показывает положительные отклонения, а правая — отрицательные. Интервал между точками 100 мкм. Среднеквадратическое отклонение по поверхности не превышает 65 мкм.

Однако такая высокая точность была получена при «идеальных» погодных условиях. Основные ошибки в повторяемости измерений связанны с ветровой нагрузкой, воздействующий на структуру главного зеркала телескопа. Даже при хороших погодных условиях, повторяемость измерений может быть ограничена деформациями в результате разницы температур элеметов поверхности главного зеркала. Разница между картами данных, измеренными в ясную ночь и облачную ночи показали, что сотовые панели на внешних двух

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Усик, Александр Александрович, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1. von Hoerner, S. Design of large steerable antennas // Astronomical Journal, Vol. 72, p. 35, 1967

2. Baars, J. W. M., Wilson, Т., Downes, D. The 30-m Millimeter Radio Telescope. Performance and Observational Results // Mitteilungen der Astronomischen Gesellschaft, Vol. 68, p.35, 1988

3. Morris, D., Baars, J. W. M., Hein, H., Steppe, H., Thum, C. Radio-holographic reflector measurement of the 30-m millimeter radio telescope at 22 GHz with a cosmic signal source // Astronomy and Astrophysics (ISSN 0004-6361), vol. 203, no. 2, Sept. 1988, p. 399-406.

4. Brown, D. W., Chandler, C. J., Carlstrom, J. E., Hills, R. E., Lay, O. P., Matthews, В. C., Richer, J. S. and Wilson, C. D. A submillimetre survey for protostellar accretion discs using the JCMT-CSO interferometer //Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 319: 154-162, 2000

5. Mangum, J. G., Baars, J. W. M., Greve, A., Lucas, R., Snel, R., Wallace, P., Characteristics and Performance of the North American ALMA Prototype Antenna //Revealing the Molecular Universe: One Antenna is Never Enough ASP Conference Series, Vol. 356, Proceedings of the Conference Held 9-10 September, 2005, at University of California, Berkeley, California, USA Edited by D.C. Backer, J.W. Moran, and J.L. Turner. San Francisco: Astronomical Society of the Pacific, 2006., p.253

6. Nobuharu Ukita and Masato Tsuboi A 45-m Telescope with a Surface Accuracy of 65 um, Proc. of the IEEE,1994, V 82, N 5, P 725-733.

7. Overview of 45-m Telescope. [Электронный ресурс]. - Режим доступа URL:http://www.nro.nao.ac.jp/ nro45mrt/outreach/overview-e.html

8. M. Ishiguro, Н. Tanaka, K.-I. Morita, Т. Takahashi, S. S. Hayashi, N. Kaifu, M. Masuda, and H. Kondo, "Improvement of the surface accuracy of the Nobeyama 4 5m telescope using radio holographic metrology," in Proc. 1986 Int. IEEE AP-S Symp., pp. 531-534, 1986.

9. N. Ukita, К. M. Shibata, T. Umemoto, H.S. Chung, H. Mikoshiba, K. Nakajima, M. Ishiguro, and N. Kaifu, "Im- provements in the surface accuracy of the Nobeyama 45-m telescope," submitted to Publ. Astron. Soc. Japan, 1992.

10. Active Surface Architectures of Large Radio Telescopes // сайт International union of radio science. - 2002. - URL: http://ursiweb.intec.ugent.be/Proceedings/ProcGA02/papers/p0639.pdf

11. F. Peter Schloerb The Large Millimeter Telescope // Proc. of SPIE, Ground-based and Airborne Telescopes II, edited by Larry M. Stepp, Roberto Gilmozzi,Proc. of SPIE Vol. 7012, 70120S, 2008.

12. J. W. M. Baars, R. Lucas, J. G. Mangum, and J. A. Lopez-Perez «Near-Field Radio Holography of Large Reflector Antennas» IEEE ANTENNAS AND PROPAGATION MAGAZINE, V. 49, N. 5, 2007 P. 1- 14.

13. Martin Sub, Dietmar Koch, Heiko Paluszek The Sardinia Radio Telescope (SRT) optical alignment // Proc. of SPIE , Ground-based and Airborne Telescopes IV, edited by Larry M. Stepp, Roberto Gilmozzi, Helen J. Hall, Vol. 8444 84442G, 2012. - 201-216.

14. G. Grue et al.: The Sardinia Radio Telescope / Mem. S.A.It. Suppl. 2004, V. 5, P. 351-356

15. 40 years 100-m radio telescope effelsberg. [Электронный ресурс]. - Режим доступа URL:http://www3.mpifr-bonn.mpg.de/div/effelsberg/40years/en/history.html.

16. Effelsberg 100-m Radio Telescope. [Электронный ресурс]. - Режим доступа URL:http://www3.mpifr-bonn.mpg.de/div/effelsberg/40years/en/history.html.

17. М. P. Godwin, E. P. Schoessow and В. H. Grahl Improvement of the Efelsberg 100 meter telescope based on holographic reflector surface measurement Astronomy and Astrophysics, 1986, V. 167 P. 390-394.

18.

19. Scientific Program of the Green Bank Telescope. США, патент US 1999AAS. Автор: Lockman F.J., Balser D.S. (US). Дата публикации - декабрь 1999 г.

20. David Н. Parker, John M. Payne METROLOGY SYSTEM FOR THE GREEN BANK TELESCOPE [Электронный ресурс]. - Режим доступа -URL:https://safe.nrao.edu/wiki/pub/GB/PTCS/PresentationsAndProceedings/parki

21. РАДИОТЕЛЕСКОП РТ-70 МЕЖДУНАРОДНОЙ РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ «Суффа» [Электронный ресурс]. - Режим доступа URL:http://www.radioastron.ru/index.php?dep=16.

22. Радиотелескоп РТ-70. [Электронный ресурс]. - Режим доступа URL:http://www.ipme.ru/ipme/labs/RT-70/source/start.html

23. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение, 1989. - 387 с.

24. 6. Михеев C.B., Усик A.A., Кулешова E.H. Многоканальная оптико-электронная система контроля деформаций сооружений// Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, № 4 (74), 2011. - С. 159-160.

25. Жуков Д.В., Усик A.A. Аналитический обзор способов определения координат изображений точечных источников// Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. / Главный редактор д.т.н., проф. В.Н. Васильев. -СПб: СПбГУ ИТМО, №9 (43), 2007. - С. 212-216.

26. Кирочкин Ю.И., Журавлев И.А., Мухин Б.Л., Уланов В.А. Общие принципы геодезического обеспечения сооружения ускорительно-накопительного комплекса (УНК).- М., типография Института Физики высоких энергий, 1991.

27. Дуда Р., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен - М.: Мир, 1976 -521 с.

28. Форсайт Д., Понс Ж. Компьютерное зрение. Современный подход. - М: Вильяме, 2004 - 928 с.

29. Измаилов А. Ф., Солодов М.В. Численные методы оптимизации : учеб. пособие. - М.: Физматлит, 2003 - 304 с.

30. Соломатин В.А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками-М.: Машиностроение, 1992- 128 с.

31. Igor A. Konyakhin, Alexandr N. Timofeev, Alexandr A. Usik and Dmitry V. Zhukov. Optic-electronic systems for measuring the angle deformations and line shifts of the reflecting elements at the rotatable radio-telescope// Proc. SPIE 8082, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection VII, -Munich, 2011. - P. 1-7(80823R).

32. В.Г.Парфенов. Регрессионный и корреляционный анализ. Обработка результатов наблюдений при измерениях. Учебное пособие. - СПб.: СПб-ГИТМО(ТУ), 2002, 98 с.

33. Жуков Д.В., Усик А.А. Адаптивный многопроходный алгоритм определения координат изображений точечных излучателей// Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. / Главный редактор д.т.н., проф. В.Н. Васильев. - СПб: СПбГУ ИТМО, №4 (38), 2007. - С. 151-154.

34. Жуков Д.В., Коняхин И.А., Усик А.А. Итерационный алгоритм определения координат изображений точечных излучателей// Оптический журнал, том.76, №1, 2009. - С. 43-45.

35. Коняхин И.А., Усик А.А. Исследование многоматричной оптико-электронной системы контроля элементов радиотелескопа РТ-70 «СУФФА»// Оптический журнал, том.80, №12, 2013. - С. 70-73.

36. Visual Servoing via Advanced Numerical Methods

37. A Versatile Camera Calibration Techniaue for High-Accuracy 3D Machine Vision Metrology Using Off-the-shelf TV Cameras and Lenses // IEEE journal of robotics and automation. - 1987. - Vol. RA-3, No. 4. - P. 323344.

38. Hugh Durrant-Whyte and Tim Bailey Simultaneous Localisation and Mapping (SLAM): Part I The Essential Algorithms //IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION MAGAZINE - 2006