項目進展報告——天線近場測量

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1、項目進展報告(2016~2017)天線近場測量方案目錄QTT進行近場測量的必要性a)QTT的變形來源和特征b)已有方案的局限性c)無人機近場測量的優(yōu)越性近場測量基本理論研究a)近場的分類和天線衍射模型b)口徑場—平面近場變換c)不失真快速卷積和反卷積近場相位全息方案a)方案結構圖b)仿真結果近場相位恢復方案a)方案結構圖b)仿真結果近場單幅值測量方案a)變形—幅值理論b)仿真結果c)實現(xiàn)條件無人機研究進展a)無人機近場測量簡述b)無人機定位指標c)仿真和實測結果天線近場測試實驗a)0506西安近場測試b)測試結果和經(jīng)驗總結項目研究展望上海交通大學葉騫2

2、3項目進展報告(2016~2017)天線近場測量方案QTT進行近場測量的必要性QTT的變形來源和特征QTT是新疆天文臺將要修建的直徑110m的全可動大型射電望遠鏡。由幾千塊鋁合金面板組成一個巨大的主反射面，預計總重量將超過7000t。巨大的主反射面在姿態(tài)變化時、日照不均時、風吹干擾時都會產生較大的主面變形。主面變形直接影響天線做天文觀測時的效率，因此在面板下方安裝數(shù)千臺精密促動器，對產生的輪廓形變進行補償，將其恢復成一個完美的拋物面或賦形面。QTT的三大變形來源：重力，風力，熱變形都會產生很大的影響。其中，重力變形占據(jù)主要成分，主要是長時間的運行以及姿

3、態(tài)的改變所導致；風力變形是隨機而復雜的，除了優(yōu)化結構外暫時沒有很好的對策；熱變形對白天的觀測有很大的影響，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果，容易對其實現(xiàn)補償。因此，我們重點關注的是重力變形，研究和分析不同姿態(tài)下的重力變形是其中的關鍵。圖1QTT的變形來源和特征已有方案的局限性QTT的姿態(tài)變化導致的重力變形將是比較巨大的，需要作針對性的檢測。根據(jù)上海天文臺的測試數(shù)據(jù)，TM65m望遠鏡主反射面在0到90度的俯仰變化下變形分布的差異達到1至3個毫米。而目前的仿真等其他手段，均不能夠給出比較精確的預測變形數(shù)據(jù)，因此我們需要精確的，實時的，

4、可靠地測出QTT不同姿態(tài)下的主面變形。目前的主反射面變形測量方法，有機械光學法、攝影測量法、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)內已經(jīng)獲得廣泛的應用，不需要添加額外設備即可快速測量出變形等優(yōu)點。射電全息法在使用時充分利用了望遠鏡本身的觀測系統(tǒng)，方便實用，便捷可靠，而測量精度（一般可以達到0.1mm）又很高，足以達到QTT對于主面變形RMS（小于0.3mm）的要求。射電全息法主要包括：相位全息法、相位恢復法。它們的工作原理此處不再贅述，僅說明一下它們的不足。目前的射電全息法，主要指的是遠場方法，即信標到天線口徑面的距離大于某個臨

5、界值，對于QTT上海交通大學葉騫23項目進展報告(2016~2017)天線近場測量方案大約是幾百公里，因此信標只能選取為天體或者人造衛(wèi)星。事實上，對于QTT這樣巨大的望遠鏡，國內外已有的測量經(jīng)驗都是在遠場使用天體或者人造衛(wèi)星作為源進行的。一般來說，天體源的信號強度是比較弱的，很難達到60dB，如此可能造成測量分辨率不足。人造衛(wèi)星則具有很強的信號，一般可以達到90dB。使用人造衛(wèi)星作為信號源一般可以得到很高的口徑相位分辨率，國內外一些高分辨率的遠場測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實現(xiàn)有效的測量，無法滿足Q

6、TT的測量要求：實現(xiàn)任意姿態(tài)的表面變形測量。當然，將遠場推廣到近場，通過信號塔的方式確實可以從理論上解決任意姿態(tài)測量的問題。但是QTT的尺寸所要求的信號塔的高度無法做到。也就是說，靜態(tài)信號源的近場測量難以實現(xiàn)?？偟膩碚f，遠場測量難以做到任意角度可測，近場靜態(tài)測量難以具備物理實現(xiàn)的可能。圖2現(xiàn)有的射電測量方案使用案例無人機近場測量的優(yōu)越性遠場難以做到任意姿態(tài)測量，所以測量必須是在近場進行。既然靜態(tài)近場測試無法物理實現(xiàn)，動態(tài)近場測試是否可行？設想使用熱氣球攜帶信號源，控制信號源的精確位置，天線對其進行近場掃描不失為一種可行的辦法。類似的，無人機近場測量就是

7、這個思想的升級版：采用無人機攜帶信號源，天線保持靜止，無人機掃描天線，得到天線的近場圖。這種方案的優(yōu)越性在于：1.天線始終保持靜止，沒有機械運動誤差。2.無人機能夠非得很近，信號更強，時間更短。3.無人機測量能夠非常快速的飛行、測量。4.能夠實現(xiàn)任意姿態(tài)的天線變形測量。方案的難點在于：1.無人機近場是一個很近的近場，目前沒有相關先例，也缺乏成熟的理論支撐。2.無人機的定位和位置精確測量是一個還需要深入研究的問題。3.無人機的負載量、續(xù)航時間、通信距離、有效控制等問題需要反復測試。上海交通大學葉騫23項目進展報告(2016~2017)天線近場測量方案1.

8、如何在大風條件下保持位置和姿態(tài)的穩(wěn)定，是無人機目前難以解決的問題。天線近場無人機測試方案的必要