Методика обработки радиоголографических измерений на полноповоротных радиотелескопах сети "Квазар" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.02, кандидат физико-математических наук Генералова, Юлия Евгеньевна

• Генералова, Юлия Евгеньевна
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Генералова, Юлия Евгеньевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

КРУПНЫХ РАДИОТЕЛЕСКОПОВ

1 I Интегральные методы измерения антенных характеристик

12 Связь между распределением поля в апертуре антенны и ее диаграммой направленности

13 Радиоголографический метод диагностики отражающей поверхности радиотелескопа 37 1.3.1. Общие принципы радиоголографических измерений

1 3 2 Связь фазовых ошибок на апертуре с ошибками поверхности зеркала ■

1.3.3. Схемы измерений в радиоголографии

1.3.4. Основные соотношения и параметры измерительной системы ИПА РАН

Выводы

ГЛАВА 2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОЛЯ В РАСКРЫВЕ АНТЕННЫ

В РАДИОГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ИПА РАН

2 1 Особенности выделения изображения при расположении опорной антенны на главном зеркале

2.2 Погрешности радиоголографических измерений

2 3 Учет размеров опорной антенны

2 4 Влияние ограниченности области измерений

2 5 Выбор частоты отсчетов в радиоголограмме 65 Выводы 66 1 'ЛАВА 3. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ РАДИОГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ. МОДЕЛИРОВАНИЕ

3 1. Задачи обработки и моделирования

3.2. Результаты моделирования радиоголографических измерений

3 3. Подготовка сеанса измерений и расчет целеуказаний 3 4 Первичная обработка радиоголографических измерений и ошибки систем наведения и регистрации 3 5. Внесение поправки за смещение источника 3.5.1. Движение источника сигнала

3 5.2. Моделирование искажения ДН из-за движения источника сигнала

3 5.3. Алгоритм внесения поправки за смещение источника 3.6. Системы координат в радиоголографических измерениях.

Преобразование Фурье 3 7. Использование априорной информации 3 8. Крупномасштабная компонента фазовой ошибки в плоскости апертуры 3.9. Расчет поправок на котировочные винты элементов отражающей поверхности главного зеркала 3.9.1. Расчет координат котировочных винтов 3 9.2. Расчет поправок на котировочные винты Выводы

ГЛАВА 4. ПАКЕТ ПРОГРАММ "ОРИОН" ДЛЯ ОБРАБОТКИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 4.1 Общие характеристики пакета программ "Орион" 4.2. Программа-оболочка пакета "Орион"

4.2.1. Структура пакета программ "Орион"

4.2.2. Начальное меню

4.2.3. Меню "Моделирование радиоголографических измерений"

4.2 .4. Меню "Подготовка и обработка измерений"

4.2.5. Меню "Подготовка измерений"

4.2.6. Меню "Первичная обработка"

4.2.7. Меню "Преобразование Фурье и итерации" 135 4.2 8. Меню "Вторичная обработка измерений"

В ы воды

ГЛАВА 5. ОБРАБОТКА РАДИОГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

5.1. Радиоголографические измерения на радиотелескопе ТНАв г. Калязине

5.2. Радиоголографические измерения на радиотелескопе ТНА-400в обсерватории Светлое

5.2 Г Общая характеристика измерений

5 2 2 Фазовые распределения

5.2.3. Изменения формы зеркала и точность измерений

5.2.4. Крупномасштабная компонента фазовой ошибки

5.2.5. Амплитудное распределение на апертуре радиотелескопа

5 2 6. Диаграмма направленности по мощности

5.2.7 Работа системы наведения

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика обработки радиоголографических измерений на полноповоротных радиотелескопах сети "Квазар"»

Необходимым завершающим этапом создания любого радиотелескопа является его юстировка. Можно выделить две основные задачи процесса юстировки больших рефлекторных радиотелескопов: получение заданного профиля отражающей поверхности с требуемой точностью и настройка облучающей системы антенны. Вторая задача для двухзеркальных радиотелескопов означает установку в оптимальное положение облучателя и вторичного зеркала. В некоторых, случаях юстировку радиотелескопа в процессе его эксплуатации требуется периодически повторять с целью поддержания его в рабочем состоянии.

Общей тенденцией в современной радиоастрономии стало увеличение размеров радиотелескопов с одновременным уменьшением рабочих длин волн X, т.е. увеличение отношения D/X, где D - линейный размер раскрыва, в частности, для параболических рефлекторов, диаметр главного зеркала. Следствиями этого явились, во-первых, повышение требуемой абсолютной точности юстировки, что в свою очередь привело к усложнению процесса юстировки и повышению его трудоемкости, во-вторых, - переход от механических и геодезических методов юстировки к методам с применением радио- и оптических дальномеров, и радиофизическим (интегральным) методам (к ним можно отнести радиоголографические и амплитудные методы измерений).

Актуальность темы. Разработанные к настоящему времени механические, геодезические и оптико-механические методы определения качества отражающей поверхности позволяют производить измерение антенн больших размеров с относительной точностью порядка 1СГ4-1(Г5 (отношение точности измерений к размеру апертуры). Получение более высоких точностей этими методами связано с весьма большими затратами времени на измерения. Радиофизические методы определения профиля поверхности больших антенн позволяют достичь относительных точностей порядка 10~ь при высоком пространственном разрешении (до ОД м) за сравнительно небольшое время.

Радиоголография принадлежит к числу радиофизических методов антенных измерений и является на сегодняшний день одним из наиболее распространенных. Настоящая работа посвящена методам и алгоритмам обработки радиоголографических измерений больших полноповоротных радиотелескопов.

Следует отметить, что геодезические методы, а также методы измерений с применением радио- и оптических дальномеров являются точечными (дифференциальными) методами, т.е. позволяют измерить положение отдельных представительных точек поверхности, причем повышение пространственного разрешения связано с увеличением трудоемкости и большими затратами времени. В отличие от них, радиоголографический и ему подобные методы позволяют измерить форму непосредственно эффективной фокусирующей поверхности с достаточным пространственным разрешением (порядка нескольких точек на отражающую панель поверхности).

Другими важными достоинствами радиофизических методов юстировки радиотелескопов являются возможность практически полной автоматизации процесса измерений, а также близость этих измерений к основным режимам работы инструмента (наблюдениям). Кроме того, радиофизические методы юстировки позволяют измерить не только профиль отражающей поверхности, но и другие важные характеристики: смещение фокуса, амплитудное распределение поля в плоскости апертуры, кросс поляризационные характеристики антенны и др. Вследствие своей оперативности радиофизические методы позволяют также исследовать влияние температурных и гравитационных деформаций на параметры радиотелескопа. Так, проведение радиоголографических сеансов на различных углах места позволяет определить крупномасштабные деформации поверхности радиотелескопа и, в частности, осуществить проверку гомологичности зеркала. Обработка результатов радиоголографических измерений дает возможность получить информацию и о работе системы наведения. Таким образом, радиоголографическая система - это инструмент исследования больших антенн, который позволяет не просто скорректировать поверхность главного 1 зеркала, но и провести комплексное исследование радиотелескопа.

Необходимость разработки методики и программ для обработки радиоголографических измерений возникла в связи с созданием Институтом прикладной астрономии РАН радиоинтерферометрической сети "Квазар", включающей в себя три полноповоротных двухзеркальных антенны диаметром 32 метра с рабочим диапазоном длин волн 1,35-21 см. В ИПА РАН разработана измерительная система для радиоголографической юстировки больших полноповоротных антенн. Несмотря на то, что радиоголографический метод юстировки нашел широкое применение, создание радиоголографической системы потребовало разработки оригинального программного обеспечения. Это связано прежде всего с тем, что не существует универсального и доступного программного . обеспечения для обработки радиоголографических измерений, а также с особенностями разработанной измерительной системы.

Цель работы: развитие методов математической обработки радиоголографических измерений и создание эффективного программного обеспечения радиоголографической системы ИПА РАН, которое позволило бы проводить исследования и юстировку 32-метровых радиотелескопов ТНА-400-1 сети "Квазар" и других полноповоротных рефлекторных радиотелескопов.

Научная новизна работы:

1. Детально рассмотрен радиоголографический процесс восстановления распределения поля в плоскости апертуры антенны на основе измеренных комплексных диаграмм направленности (радиоголограмм) антенны и предложен алгоритм- полной обработки радиоголограмм. Алгоритм включает в себя первичную обработку измеренных данных, итерационные процедуры, учитывающие априорную информацию о характере амплитудно-фазового распределения поля в апертуре, процедуру разделения ошибок фокусировки и ошибок эффективной отражающей поверхности, расчет смещений элементов главного зеркала по данным фазовых ошибок на апертуре, статистическую обработку результатов измерений.

2. Построена математическая модель преобразований сигнала при радиоголографических измерениях, учитывающая особенности радиоголографической измерительной системы, созданной в ИЛА РАН. Модель использована для оптимизации параметров измерительной радиоголографической системы и анализа результатов измерений.

3. Предложен метод измерения и учета движения источника сигнала при радиоголографических измерениях по геостационарному ИСЗ.

4. Исследованы аппаратные эффекты, искажающие измеренную радиоголограмму (неравномерность движения антенны, сбои в системе наведения и регистрации) и предложены эффективные методы их устранения.

5. Разработанная методика экспериментально проверена на 32-метровом радиотелескопе в Светлом. Получены экспериментальные данные о фокусирующей системе радиотелескопа (качество эффективной отражающей поверхности, положение фокуса, влияние смещения вторичного зеркала, амплитудное распределение в плоскости апертуры).

Практическая ценность работы определяется применением разработанных методики и программ для исследования и юстировки радиоголографическим методом радиотелескопов сети "Квазар" и других пол н о поворота ы х антенн.

Результаты, выносимые на защиту

1. Методика обработки радиоголографических измерений, реализованная в виде пакета программ "Орион".

2. Методы коррекции экспериментальной радиоголограммы, учитывающие смещение источника сигнала, неравномерность движения антенны, сбои системы наведения и регистрации.

3. Метод разделения ошибок фокусировки и ошибок эффективной отражающей поверхности.

4. Методы расчета необходимых смещений элементов главного зеркала в точках крепления по данным фазовых ошибок на апертуре.

5. Математическая модель радиоголографического процесса, учитывающая особенности радиоголографической измерительной системы, созданной в ИПА РАН, и результаты математического моделирования.

6. Результаты экспериментальной проверки разработанной методики на радиотелескопе ТНА-400-1.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Она изложена на 180 страницах, включает 6 таблиц и 57 рисунков. Список литературы содержит 106 наименований.

Заключение диссертации по теме «Астрофизика, радиоастрономия», Генералова, Юлия Евгеньевна

Основные результаты выполненной автором работы можно сформулировать следующим образом.

Разработана единая методика обработки радиоголографических измерений, которая позволила быстро восстанавливать амплитудно-фазовое распределение поля в раскрыве из измеренной радиоголограммы.

В работе предложен метод измерения и учета движения источника сигнала при радиоголографических измерениях по геостационарному ИСЗ.

Исследованы аппаратные эффекты, искажающие измеренную радиоголограмму: неравномерность движения антенны, сбои в системе наведения и регистрации, и предложены эффективные методы их устранения.

Разработан метод разделения ошибок фокусировки и мелкомасштабных ошибок отражающей поверхности.

Предложены методы расчета необходимых смещений элементов главного зеркала в точках крепления по данным фазовых ошибок на апертуре.

Разработана методика и приведены результаты математического моделирования радиоголографического процесса, учитывающая особенности измерительной системы, созданной в ИПА РАН.

Все алгоритмы обработки и моделирования реализованы в виде пакета программ "Орион".

Разработанная методика и созданный на ее базе пакет программ "Орион" успешно опробованы на 64-метровом радиотелескопе ТНА-1500 в г. Калязине и 32-метровом радиотелескопе ТНА-400-1 сети "Квазар" в обсерватории Светлое.

В результате радиоголографических измерений на радиотелескопе ТНА-400-1 получена среднеквадратичная ошибка поверхности 1,20 ±0,19 мм. По результатам радиоголографических измерений на ТНА-400-1 была проведена корректировка поверхности главного зеркала, что привело к повышению ее точности: среднеквадратичная ошибка поверхности уменьшилась до величины 0,71 ±0,20 мм.

Получены также амплитудные распределения в плоскости апертуры. Измеренное усредненное распределение близко к расчетному и дает примерно такой же КИП. Это свидетельствует о том, что в среднем форма поверхности контррефлектора соответствует расчетной.

Анализ записей координат в радиоголографических сеансах измерений позволил получить полезную информацию о работе системы наведения радиотелескопа.

Разработанную методику обработки радиоголографических измерений, реализованную в пакете программ "Орион", планируется использовать при проведении антенных измерений и юстировочных работ на радиотелескопах сети "Квазар". Она может быть также применена на других крупных полноповоротных рефлекторных радиотелескопах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Генералова, Юлия Евгеньевна, 2000 год

1. Кузьмин А.Л, Соломонович A.B. Радиоастрономические методы измерения параметров антенн. M.: Сов. радио, 1964.

2. Методы измерения характеристик СВЧ-антенн. Под ред. Цейтлина Н.М. М.: Радио и связь, 1985.

3. ХоджамухаммеОов И., Стоцкий A.A., Боровик В.Н. Автоколлимационный метод юстировки и контроля антенны переменного профиля. //Радиотехника и электроника, 1970, 15, N2, 257-262.

4. Стоцкий A.A., Ка.чихевич В.Н., Осина Т.Н., Пинчук В.А. Автоколлимационная юстировка и исследование стабильности радиотелескопа РАТАН-600. //Известия CAO, Астрофизические исследования, 25, Ленинград: Наука, 1987, 143-167.

5. Всепкгша H.A. Об одном методе измерения диаграмм направленности радиотелескопов с высокой разрешающей способностью. //ДАН СССР, 1957, 1 13, N1, 94-96.

6. Ченг Д. Испытание антенн сантиметрового диапазона при уменьшенных расстояниях. //Вопросы радиолокационной техники, 1957, N2, 82-88.

7. Захарьев Л.Н., Леманский A.A., Вурчин В.И., Цейтлин Н.М., Щеглов К.С. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. М:, Радио и связь, 1985.

8. Цейтлин Н.М. Применение методов радиоастрономии в антенной технике. М:, Сов. радио, 1966.

9. O.Baxpax Л.Д., Курочкин А.П. Голография в микроволновой технике. М:, Сов. радио, 1979.11.7урчин В.И., Цейтлин Н.М. Амплифазометрический метод антенных измерений: обзор. //Радиотехника и электроника, 1979, 24, N12, 2382-2413.

10. А.Турчъш В.И., Цейтлин Н.М. К вопросу об измерении диаграмм направленности в зоне Френеля. //ДАН СССР, 1972, 205, N4, 820-823.

11. Джонсон Р.К., Экер Х.А., Холлио Х.С. Определение диаграмм направленности антенн по результатам измерений в ближней зоне. //ТИИЭР, 1973, 61, N12, 5-37.

12. Геру ни Н.М. Автоматический комплекс аппаратуры для аттестации СВЧ антенн. В кн. Метрология и змерительная техника. М:, Стандарты, 1974, вып.9, 16-18.

13. Турчгш в.PL, Цейтлин Н.М., Чандаев А.К. Об измерении диаграммы направленности антенны по излучению источника в зоне Френеля припомощи голографии на СВЧ и обработки на ЭВМ. //Радиотехника и электроника, 1973, 18, N4, 725-734.

14. Ееруни П.М., Арутюнян Дж.С. Радиоголография и современные методы антенных измерений. В кн.: Радио- и акустическая голография. JI:, Наука, 1976, 85-98.

15. Прыг.хэм И.О., Морроу Р.Е. Быстрое преобразование Фурье. //ТИИЭР, 56, N10, 1968, 21-29.

16. Го/к) /)., Рейдер Ч. Цифровая обработка сигналов. М.: Сов. радио, 1973.2\.Рошаль А.С. Быстрое преобразование Фурье в вычислительной физике. //Изв. Вузов СССР, Радиофизика, 1976, 19, N10, 1425-1454.

17. Фельд Я.П., Вененсон Л.С. Антенны сантиметровых и дециметровых волн. М.: ВВИА им.Жуковского, 1955.

18. Векслер И.В., Калинин А.В., Короткое B.C., Турчин В.И. Измерения поляризационных и фазовых диаграмм направленности антенн и АФР корреляционным методом с использованием внеземных источников радиоизлучения. //Изв. Вузов СССР, Радиофизика, 1984, 27, N3.

19. Beimel J.С., Anderson A.P. Microwave holographic metrology of large reflector antennas. //Trans. IEEE, 1976, AP-24, N3, 295-303.

20. Napier P.J. Antenna-aperture distributions from holographic type of radiation pattern measurement. //IEEE Trans, on A. and P., 120, N1, January 1973.

21. Scot! P.P., Ryle M. A rapid method for measuring the figure of a radio telescope reflector. Monthly Not. of the Royal astr. Soc., 1977, 178, N3, 539-545.

22. Final report on X-band holographic tests on the DSS-15 34 metre antenna. Mmalloy House, England, Oct. 1988.

23. Final report on K-band and X-band holographic tests on the DSS-63 70 metre antenna. Mmalloy House, England, Sept. 1987.

24. Kesie.ven M.J., Wellington K.J. A holographic study of the Parkes 64 m reflector. //Proceedings of international workshop, Nizhniy Arkhyz, Sept. 10-13, 1990. Ленинград, Наука, 1991, 25-27.

25. James (/.( '., Poulion G.T. Successive projections and microwave holography of large reflector antennas. //Proceedings of international workshop, Nizhniy Arkhyz, Sept. 10-13, 1990. Ленинград, Наука, 1991, 93-95.

26. K4¡sell D.L. A method for the solution of the phase problem in electron microscopy. //J. Phys. D.,1973, 6, L6-L9.

27. Гуч)меи Длс. Введение в Фурье-оптику. М.: Мир, 1970.lA.Bopn А/., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970.

28. Rahmai-Samii Y. Microwave holographic metrology for antenna Diagnosis (review). //Proceedings of international workshop, Nizhniy Arkhyz, Sept. 10-13, 1990. Ленинград, Наука, 1991, 10-24.

29. Она R. Microwave holographic measurement of reflector surface accuracy. //HSA Journ., 1985, 9, 329-341.

30. Горбачев И. В. Радиоголографическая система для исследования и юстировки больших зеркальных антенн. //Труды ИПА РАН, Вып.2. Техника радиоинтерферометрии. С.-Петербург, 1997, 163-183.

31. Пипчук Г.А., Стоцкий A.A. Применение радиоголографии для исследования радиотелескопа РАТАН-600. //Астрофизические исследования. Изв. CAO, 1982, N16, 135-145.

32. Генералова Ю.Г., Горбачев И.В., Стоцкий A.A. Радиоголографические измерения на радиотелескопе ТНА-400-1 в Светлом. Февраль 1999 г. //С.Петербург. ИПА РАН, 1999 г.

33. С.иняиский В.11. Радиоголографический метод исследования и юстировки радиотелескопа РАТАН-600 на волне 8,8 мм. //Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. Ленинград, 1988.85 .¡\()мен Длс. Статистическая оптика. М.: Мир, 1988, 503.

34. Чернявский Г.М. Орбиты спутниковой связи. М.: Связь, 1978.87 .Гроньитейн И.И., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М.: Наука, 1986.

35. Лшкрофт )ж\, Элдридж Р., Полсон Р., Уилсон Г. Программирование на Фортране 77. М , Радио и связь, 1990.92.\'о/н) У., ГромхеО Э.Фортран и искусство программирования персональных ЭВМ. М„ Радио и связь, 1993.

36. Гартеньев О.В. Современный FORTRAN. М.: Диалог МИФИ, 1998.94 .Мик-Кракен Д, Лори У. Численные методы и программирование на Фортране. М., Мир, 1969.

37. Генералова Ю.Г., Горбачев И.В., Стоцкий A.A. Радиоголографические исследования на 64-метровом радиотелескопе в Калязине. //XXVI радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов. СПб, 1995, с.377.

38. Г jiioiik nil A.A. Генералова. Ю.Г., Горбачев И.В., Ильичев Е.А. Радиоголографическая юстировка 64-м радиотелескопа в Калязине. XXVII радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов. т.З, Спб, 1997, с.24-25.

39. Генералова Ю.Г., Горбачев И.В. Стоцкий A.A. Радиоголографические измерения на 64-метровом радиотелескопе ТНА-1500Ц в Калязине. Апрель 1997 г. //Отчет. С.-Петербург, И ПА РАН, 1997.

40. Генералова Ю.Г., Горбачев И.В., Стоцкий A.A. Радиоголографические исследования на 64-метровом радиотелескопе в Калязине. //XXVI радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов. СПб, 1995, с.377.

41. Кенаринов A.C. и др. Исследование ошибок щитов главного зеркала антенной системы ТНА-400-1 (РТФ-32) и оценка их влияния на параметры антенны. В кн.: Техника радиоинтерферометрии. //Труды ИПА. Вып.2. С.Петербург, 1997.

42. Акт о проведении юстировки отражающей поверхности контррефлектора РТФ-32 от 31 августа 1996 г. ИПА РАН.

43. Акт о проведении юстировки отражающей поверхности рефлектора РТФ-32 от 26 июля 1996 г. ИПА РАН.

44. Rahmat-Samii У. Microwave holography of large reflector antennas.-Simulation algorithms. IEEE Trans. A.P., 1983, 33, N11, 1194-1203.

45. Rahmai-Sanni Y. Surface diagnosis of large reflector antennas using microwave holographic metrology. An iterative approach. Radio Sci., 19, 5, 1205-1217, Sept.-Oct., 1984.