大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统专利检索-万维网计算机网络专利检索查询-专利查询网

大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统

阅读：1033发布：2020-05-21

专利汇可以提供大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型提供一种大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，包括主反射面和副反射面，主反射面的中心处设有馈源仓，副反射面的边沿处安装有第一激光器，馈源仓的顶端为平面，平面上安装有馈源喇叭、黑色接收板、和长距离激光测距设备，馈源喇叭的侧面安装有对准所述黑色接收板的相机，相机测量第一激光器落在黑色接收板上的光斑的二维位置，长距离激光测距设备测量其到副反射面之间的距离。本实用新型的副反射面位姿测量系统采用PSD代替功率检测，可以在大型射电望远镜建设初期链路系统不完善的情况下获取副反射面的三维位移数据，构建副反射面的三维的重力模型，并对温度、风载和瞬时启停这类不稳定的因素对副反射面位姿的影响进行定量定性分析。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，包括主反射面(1)和副反射面(2)，所述主反射面(1)的中心处设有一馈源仓(3)，其特征在于，所述副反射面(2)的边沿处安装有一第一激光器(21)，所述馈源仓(3)的顶端为一平面，该平面上安装有馈源喇叭(4)、一与所述第一激光器(21)彼此对准的黑色接收板(5)、和一长距离激光测距设备(6)，所述馈源喇叭(4)的侧面安装有一对准所述黑色接收板(5)的相机(41)，所述相机(41)测量第一激光器(21)落在黑色接收板(5)上的光斑的二维位置，所述长距离激光测距设备(6)测量其到副反射面(2)之间的距离。
2.根据权利要求1所述的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，其特征在于，所述馈源仓(3)内设有一与一计算机终端设备(7)相连的网络交换机(31)。
3.根据权利要求2所述的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，其特征在于，所述相机(41)通过一网络接口(411)与所述网络交换机(31)通信相连。
4.根据权利要求2所述的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，其特征在于，所述长距离激光测距设备(6)包括一RS422串口(62)，并通过所述RS422串口(62)与所述网络交换机(31)通信相连。
5.根据权利要求1所述的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，其特征在于，所述长距离激光测距设备(6)包括一第二激光器(61)，第二激光器(61)的发射方向对准所述副反射面(2)的中圈。
6.根据权利要求1所述的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，其特征在于，所述第一激光器(21)通过万向支架调整位置，并通过一不锈钢方管固定在所述副反射面(2)边沿处。
7.根据权利要求1所述的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，其特征在于，所述第一激光器(21)由一不锈钢罩罩住。
8.根据权利要求1所述的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，其特征在于，所述黑色接收板(5)通过胶带固定在所述馈源仓(3)的顶端。
9.根据权利要求1所述的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，其特征在于，所述相机(41)由一不锈钢罩罩住。
10.根据权利要求1所述的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，其特征在于，所述长距离激光测距设备(6)通过一垂直安装架固定在馈源仓(3)的顶端。

说明书全文

大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统

技术领域

[0001] 本实用新型属于射电望远镜领域，具体涉及一种大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统。

背景技术

[0002] 指向误差是影响大型射电望远镜天线效率的重要因素之一。在射电望远镜运行中，随着方位俯仰角的变化，重力以及日照、风载等对副反射面撑杆的综合影响会引起望远镜的副反射面位姿改变从而引起指向误差的增加。

[0003] 在众多因素中，重力因素是影响最大且最稳定的因素。目前，使用射电法构建副反射面的重力模型来修正重力引起的副反射面位姿变化。射电法通过寻找望远镜不同俯仰位置时的功率最大点以及天线效率最大点来确定不同俯仰位置对应的最佳副反射面位置，从而构建副反射面的重力模型。该方法结合现有的主反射面修正技术以及指向修正技术，可以使得望远镜在工作过程中满足指向精度的需求。

[0004] 但是射电法也有其缺陷性，该方法需要停止观测进行扫描检测；需要望远镜整个信号接收系统和链路传输系统都完善的情况下才可以进行；由于无法实时监测，因此只能对重力这个固有因素进行建模，无法定量定性分析温度、风载和天线瞬时启停时副反射面位姿变化情况。实用新型内容

[0005] 本实用新型的目的在于提供一种大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，以构建副反射面的重力模型，定量定性分析温度、风载和天线瞬时启停对副反射面位姿的影响。

[0006] 为了实现上述目的，本实用新型提供了一种大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，包括主反射面和副反射面，所述主反射面的中心处设有一馈源仓，所述副反射面的边沿处安装有一第一激光器，所述馈源仓的顶端为一平面，该平面上安装有馈源喇叭、一与所述第一激光器彼此对准的黑色接收板、和一长距离激光测距设备，所述馈源喇叭的侧面安装有一对准所述黑色接收板的相机，所述相机测量第一激光器落在黑色接收板上的光斑的二维位置，所述长距离激光测距设备测量其到副反射面之间的距离。

[0007] 所述馈源仓内设有一与一计算机终端设备相连的网络交换机。

[0008] 所述相机通过一网络接口与所述网络交换机通信相连。

[0009] 所述长距离激光测距设备包括一RS422串口，并通过所述RS422串口与所述网络交换机通信相连。

[0010] 所述长距离激光测距设备包括一第二激光器，第二激光器的发射方向对准所述副反射面的中圈。

[0011] 所述第一激光器通过万向支架调整位置，并通过一不锈钢方管固定在所述副反射面边沿处。

[0012] 所述第一激光器由一不锈钢罩罩住。

[0013] 所述黑色接收板通过胶带固定在所述馈源仓的顶端。

[0014] 所述相机由一不锈钢罩罩住。

[0015] 所述长距离激光测距设备通过一垂直安装架固定在馈源仓的顶端。

[0016] 本实用新型的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统采用彼此对准的激光器和黑色接收板，并采用一相机对准该黑色接收板来接收激光光斑位置的变化，并结合一长距离激光测距设备，从而采用PSD(Position Sensing Device位置传感器装置)代替功率检测，可以在大型射电望远镜建设初期链路系统不完善的情况下获取副反射面的三维位移数据，可以用于快速构建副反射面的三维的重力模型，有助于修正重力对副反射面位姿的影响，并在重力模型构建好后可以实时监测副反射面位姿状态，可以对温度、风载和瞬时启停这类不稳定的因素对副反射面位姿的影响进行定量定性分析。附图说明

[0017] 图1是根据本实用新型的一个实施例的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统的结构示意图。

[0018] 图2是根据本实用新型的大型射电望远镜的副反射面位姿测量方法的测量原理图。

[0019] 图3是根据本实用新型的大型射电望远镜的副反射面位姿测量方法得到的重力模型的测量结果示意图。

[0020] 图4是根据本实用新型的大型射电望远镜的副反射面位姿测量方法得到的温度对副反射面位姿的影响结果示意图。

[0021] 图5是根据本实用新型的大型射电望远镜的副反射面位姿测量方法得到的风载对副反射面位姿的影响结果示意图。

具体实施方式

[0022] 如图1所示为根据本实用新型的一个实施例的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，该系统基于PSD，其包括主反射面1和通过四条撑腿101固定在该主反射面1的圆筒中心处馈源仓正上方的副反射面2。

[0023] 副反射面2的边沿处安装有一第一激光器21。该第一激光器21通过万向支架调整位置，使该第一激光器21的发射方向对准所述下文中的馈源仓3顶端的黑色接收板5，并通过一304不锈钢方管固定在副反射面2的边沿处。此外，该第一激光器21由一不锈钢罩罩住，并配有专用电源。

[0024] 主反射面1的中心处设有一馈源仓3，馈源仓3内设有一与一计算机终端设备7相连的网络交换机31，且其顶端为一平面，该平面上安装有多个波段的馈源喇叭，其中一个为L波段的馈源喇叭4，一黑色接收板5和一长距离激光测距设备6。馈源喇叭4是目前望远镜系统的一部分，并不是PSD测量系统的一部分，PSD测量系统中的相机借助现有的馈源喇叭4的位置进行安装固定。

[0025] 黑色接收板5通过胶带固定在馈源仓3的顶端，并与所述第一激光器21彼此对准，从而可接收到第一激光器21发射的激光并显示该激光的光斑。黑色接收板5用于降低相机41在灰度级识别时误采集到野点的概率。

[0026] 其中馈源喇叭4的侧面安装有一相机41。该工业相机优选为一个CCD相机，其对准所述黑色接收板5，以根据灰度级识别来测量第一激光器21落在黑色接收板5上的光斑的二维位置。该相机41通过一网络接口411与网络交换机31通信相连，用于将采集到的数据通过网络接口411经由馈源仓3的网络交换机31发送至计算机终端设备7，从而实时根据所采集的光斑的二维数据来获得副反射面2的x向和y向位移。由此，第一激光器21和相机41组成了PSD测量系统的一部分，实现了副反射面2的x和y向位移的测量。此外，相机41由一不锈钢罩罩住，以防止其网络接口受雨水腐蚀。

[0027] 该长距离激光测距设备6通过一垂直安装架(该垂直安装架也是目前望远镜系统中已有的一部分)固定在馈源仓3的顶端，用于测量其到副反射面2之间的距离。其包括一第二激光器61、和一RS422串口62，第二激光器61的发射方向对准所述副反射面2的中圈，其中，副反射面2由三圈面板组成，从而向副反射面2的中圈位置发射不同频率的可见光束，长距离激光测距设备6接收从副反射面2返回的散射激光，将接受到的激光信号与参考信号进行相位比较，并根据相位比较法的原理计算出相位偏移所对应的副反射面2的z向位移的距离值，长距离激光测距设备6通过RS422串口62与所述网络交换机31通信相连，将该距离值经由馈源仓内的网络交换机发送至所述计算机终端设备7(即长距离激光测距设备7采用相位比较法的原理直接提供一个距离值通过串口传送给用户)。由此，实现了副反射面2的z向位移的测量。

[0028] 由此，本实用新型的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统可以实时获取副反射面的三维位移数据。

[0029] 根据上文所述的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统，所实现的大型射电望远镜的副反射面位姿测量方法，具体包括以下步骤：

[0030] 步骤S1：搭建上文所述的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统；

[0031] 步骤S2：多次改变望远镜的俯仰角，在每个不同的俯仰角下分别通过软件驱动副反射面2发生x向位移和y向位移，采用相机41获取在不同的x向位移xsub和y向位移ysub下第一激光器21的激光的光斑位移的二维数据xpsd、ypsd，得到定标数据。

[0032] 其中，所述步骤S2在温度和风载恒定不变，温度和风载对副反射面2的位姿影响小的情况下(如晴朗无风的夜晚)进行。这里一般是选择夜晚温差变化小，没有太阳直射或者傍晚太阳下山后钢铁类建筑受热后的缓慢降温这种情况，温度的温差大概在2℃以内，而风速一般是感觉不到风的这种情况，比如风速小于1m/s。但这两个数值没有硬性要求，包括射电法测量或者大型射电望远镜其他高精度测量时都是尽可能去选择温度和风影响小的好天气去测量尽量达到高的测量精度。由于定标是为了获得相机41采集的光斑变化和副反射面位移变化的关系，而风和温度自身的不稳定会引起误差，因此，采集定标数据时天线副反射面应尽可能仅受重力影响。

[0033] 本实用新型采用的大型射电望远镜其副反射面具备六连杆调节功能，因此在步骤S2中，可以通过软件驱动来改变副反射面的x和y向位移，所述望远镜的俯仰角(EL，elevation)的工作范围为7°至88°，定标过程中选取俯仰角的间隔为5°。

[0034] 因为副反射面2与相机41的坐标原点定义不一样，所以光斑位移的第一方向(对应于二维数据xpsd)与x方向之间存在夹角θa，光斑位移的第二方向(对应于二维数据ypsd)与y方向之间存在夹角θb，且由于相机41本身有焦距的设置，所以会有缩放，例如副反射面2位移了1mm，可能相应的光斑位移了1.5mm，那这个缩放量就是放大了1.5倍。由相机41采集到的二维光斑数据经过缩放、平移、旋转可以得到副反射面位移过程中的副反射面位姿变化的二维数据。

[0035] 在所述步骤S2中，所述定标数据包括：俯仰角EL(俯仰角为88°时，即望远镜接近朝天放置，副反射面四个撑腿受力均匀的情况)、副反射面2在初始状态时相机41采集到的光斑位置的二维数据offx和offy、光斑位移的二维数据xpsd、ypsd、拟合斜率kx和ky以及x方向与光斑位移的第一方向(对应于二维数据xpsd)之间的夹角θa和y方向与光斑位移的第二方向(对应于二维数据ypsd)之间的夹角θb。

[0036] 其中，offx和offy可以通过在副反射面的俯仰角设置为接近90°(为88°)时采用相机41采集光斑位置的二维数据得到。

[0037] 所述光斑位移的二维数据xpsd、ypsd分别为：

[0038] xpsd＝xpsd_x-offx；ypsd＝ypsd_y-offy，

[0039] 其中，xpsd_x和ypsd_y分别为相机41实时采集到的光斑位置的二维数据，offx和offy分别为副反射面2在初始状态时相机41采集到的光斑位置的二维数据。

[0040] 拟合斜率kx和ky分别是光斑位移的二维数据xpsd、ypsd相对于x向位移和y向位移拟合得到的斜率。

[0041] θa为x方向与光斑位移的第一方向之间的夹角，θb为y方向与光斑位移的第二方向之间的夹角，θa和θb可以利用反正切函数计算，其计算公式为：

[0042] θa＝arctan(kx)，

[0043] 其中，kx和ky为拟合斜率。

[0044] 步骤S3：利用所述定标数据进行定标，得到副反射面2的x向位移xsub和y向位移ysub与光斑位移的二维数据xpsd、ypsd之间的矩阵函数关系式。由此，根据得到的矩阵函数关系式，在本实用新型的大型射电望远镜的副反射面位姿测量方法可以通过相机41根据实时获取的二维光斑数据xpsd_x和ypsd_y来实时获取副反射面二维位置变化情况。

[0045] 在所述步骤S3中，对于俯仰角不变且副反射面2仅仅发生x向位移时对应的光斑位移的二维数据xpsd、ypsd，所述副反射面2的x向位移xsub和y向位移ysub与光斑位移的二维数据xpsd、ypsd的矩阵函数关系式为：

[0046]

[0047] 对于俯仰角不变且副反射面2仅仅发生y向位移时对应的光斑位移的二维数据xpsd、ypsd，所述副反射面2的x向位移xsub和y向位移ysub与光斑位移的二维数据xpsd、ypsd的矩阵函数关系式为：

[0048]

[0049] 式(1)和式(2)中，sx1,sx2,sy1,sy2是缩放因子，θa为x方向与光斑位移的第一方向之间的夹角，θb为y方向与光斑位移的第二方向之间的夹角。

[0050] 由此，可以利用步骤S2所得到的定标数据定标得到上述的矩阵函数关系式的各个变换矩阵参数值θa,θb,sx1,sx2,sy1,sy2的数值。

[0051] 步骤S4：在每个不同的俯仰角下采用长距离激光测距设备6测量该长距离激光测距设备6到副反射面之间的垂直距离，得到副反射面2的z向位移，从而根据副反射面三维位移与俯仰的关系构建副反射面2的三维重力模型。其中，所述重力模型包括副反射面2的x向位移xsub、y向位移ysub和z向位移随俯仰角的变化关系。

[0052] 当副反射面2在不同俯仰角下受重力影响发生位姿改变的时候，长距离激光测距设备6在测量距离时所采用的第二激光器61的光斑会偏离原理位置，而由于副反射面2是双曲面，副反射面2的y向和z向的双曲线关系会导致副反射面2的y向位移会有分量被叠加进z向位移，在测量过程中依据副反射面2的曲率可以知道y向的变化会引入z向变化的分量，把这一部分z向分量修正到实测数据中后可以得到副反射面2的z向位移，因此所述步骤S4还包括：利用步骤S2所述的光斑位移的二维数据xpsd、ypsd进行对长距离激光测距设备6到副反射面之间的距离进行修正，得到副反射面2的z向位移。

[0053] 步骤S5：在温度、风载或天线瞬时启停对副反射面2的位姿影响大的情况下，采用相机41获取第一激光器21的激光的光斑位移的二维数据xpsd、ypsd，采用长距离激光测距设备6获取其到副反射面之间的距离(即z向数据)，并利用步骤S4所述的重力模型，分析温度、风载或天线瞬时启停对副反射面2的位姿的影响。

[0054] 由此，本实用新型的大型射电望远镜的副反射面位姿测量方法可以实时获取副反射面的三维位移数据，构建三维的重力模型。如图2所示，重力是影响副反射面2的位姿的固定因子，一旦确定可以构建重力模型。温度是渐变过程，它和风载以及瞬时启停的惯性作用一样都是影响副反射面位姿的不确定因素，无法建立固有模型，通过采用本实用新型的大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统所实现的大型射电望远镜的副反射面位姿测量方法可以实时监测日照所引起撑腿局部温度效应、风载和瞬时启停这些因素对副反射面位姿的影响。实时监测获取副反射面三维位移量后可以去掉重力模型这个固定量，进而可以对温度、风和瞬时启停这三个瞬变因子进行定量定性分析。测量结果

[0055] 下面以一卡塞格伦式结构的65米天马望远镜天线作为本实用新型的大型射电望远镜，说明本实用新型的大型射电望远镜的副反射面位姿测量方法的测量结果。

[0056] 根据上文的步骤S2中，所得到的定标数据如表1所示。

[0057] 表1定标数据

[0058]EL(°) θa(rad) kx θb(rad) ky offx(mm) offy(mm)
88 1.1697 -2.357 0.4049 0.4285 13.7 16.1
83 1.1738 -2.385 0.3910 0.4122 17.2 17.1
78 1.1690 -2.353 0.4058 0.4296 20.4 19
73 1.1856 -2.466 0.4112 0.4360 23 20.6
68 1.1632 -2.316 0.3943 0.4160 25.7 22.5
63 1.1743 -2.388 0.3996 0.4223 28 24.2
58 1.1624 -2.310 0.4116 0.4366 30 26.1
53 1.1586 -2.286 0.4011 0.4241 32.6 27.3
48 1.1770 -2.406 0.3938 0.4155 34.6 29.1
43 1.1683 -2.348 0.3968 0.4190 36.2 30.3
38 1.1614 -2.304 0.3863 0.4067 37.4 31.8
33 1.1690 -2.353 0.4000 0.4228 38.8 33.1
28 1.1858 -2.467 0.3862 0.4066 39.4 34
23 1.1693 -2.355 0.3961 0.4182 39.7 35.1
18 1.1608 -2.300 0.3886 0.4095 39.4 35.7
13 1.1746 -2.390 0.4163 0.4421 39.3 36.4
8 1.1626 -2.3119 0.3911 0.4123 38.2 37.1

[0059] 表2变换矩阵参数值

[0060]θa(rad) θb(rad) sx1 sx2 sy1 sy2
1.1697 0.3985 0.71 0.72 1.75 0.31

[0061] 根据步骤S3所得到的矩阵函数关系式的各个变换矩阵参数值如表2所示。

[0062] 根据步骤S4，所构建的重力模型如图3所示。

[0063] 在步骤S5中，由温度引起的副反射面撑腿热变形也是导致副反射面2的位姿改变的重要因素，图4显示了温度对副反射面2的位姿在x向和y向上的影响，选择一个晴天，将天马65米望远镜朝天放置，早上，太阳升起，朝向太阳的撑腿温度迅速上升，副反射面2的位姿变化速度快，下午太阳降落过程中，温度下降速度慢，副反射面2的位姿变化速度也比早上缓慢。在晚上微风的情况下，监视风载对副反射面2的位姿在x向和y向的影响，如图5所示，可以发现晚上9点半后温度完全冷却下来后，副反射面2的位姿变化小于1mm，这样的晴好天气的夜晚，在望远镜跟踪过程中，使用重力模型修正对副反射面2的位姿的影响后，其位姿变化很小，望远镜指向正确适合高频观测的指向高精度要求。本实用新型还可以用于监测天线在瞬时启停时因大质量的惯性作用引起的过冲和回摆现象对副反射面2的位姿的影响。

[0064] 以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。

标题	发布/更新时间	阅读量
自带发电机的用电产品	2020-05-08	536
一种针对供水管网水质监测系统的全局韧性高效评估方法	2020-05-08	867
一种环保植物干花画的制作方法	2020-05-11	320
一种无苯无酮PVC膜用粘合剂的制备方法	2020-05-08	454
基于物理距离和语义距离的双向LSTM模型的构建方法	2020-05-08	899
一种偏光片表面轻微压迹的检测方法及检测系统	2020-05-08	573
一种织物图像超分辨率重建方法	2020-05-11	271
一种用于通讯产品加工用安装焊接设备	2020-05-11	94
一种反应釜进料除尘装置	2020-05-08	846
双支架梯状重物提升移动装置	2020-05-08	564

大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统

大型射电望远镜的副反射面位姿测量系统

技术领域

背景技术

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：