文摘

副反射器失调的一种大型可操纵的射电望远镜指向误差,减少了天线系统的增益。改善天线的运作效率,必须测量和调整副反射器的立场和态度。在这篇文章中,一个方法基于位置敏感探测器(PSD)和激光阵列没有光学系统测量提出了六自由度(自由度)副反射器的姿势。激光器发出的激光阵列模块确保了PSD可以覆盖时副反射器,和PSD可以获得超过三束激光。这些确保所有的测量态度变化的大孔径天线副反射器。二维坐标的三个激光点的质心提取使用PSD,然后囊模型建立完成坐标变换。最后,6自由度天线副反射器的态度信息。6.05测量模拟的结果表明,它可以获得高6自由度PSD态度信息。实验结果表明,绑副反射器的位置和姿态信息的距离5.78米可以在几秒内获得。此外,翻译是在0.014毫米的误差和旋转的误差在0.37°。该方法可以满足构成副反射器的测量要求。

1。介绍

由于科学技术的迅速发展以及渴望了解宇宙的奥秘,人类不断向宇宙深处。世界主要空间大国投入了大量的金钱和劳动力在太空探索。观察宇宙更深、更清楚,大卫星天线和大孔径天线反射必须建立1- - - - - -3]。

在大孔径天线反射,大口径天线副反射器调整机制是安装在一个支持桁架。在观察期间,与天线的主反射器。因为副反射器是通过一个支持结构,连接到主反射器的距离副反射器主反射器通常很长;力学模型可以近似作为悬臂梁。变形时由重力、风力、温度、副反射器的位置会改变,导致天线指向和相位误差,最终导致显著降低天线效率高和低海拔。改善这样的望远镜的观测性能,副反射器补偿技术近年来被广泛应用。副反射器正在积极调整通过六自由度(自由度)并行机制,正确的位置偏差,确保它是在最好的位置相对于天线主要飞机下一天的工作状态。此外,它具有较高的空间构成稳定(4,5]。

副反射器补偿主要被使用在美国100米射电望远镜(绿色银行6),德国100由射电望远镜,意大利撒丁岛64米射电望远镜(SRT)和国家航空和宇宙航行局的太空深处的净系列天线(7]。中国13.7米德毫米波望远镜(8)和上海65米射电望远镜也使用移动副反射器补偿技术(9]。天线的高度精确位置控制的一个关键方法确保射电望远镜天线的指向精度高,副反射器的位置的精确测量是非常重要的位置控制。

改善调整的准确性副反射器的位置在所有工作条件下,测量应该是实时进行的。目前,激光跟踪器,无线电全息术,photogrammetry-based等成熟技术采用测量副反射器的位置。这些测量计划总结表1。

表1
总结的主要测量技术天线副反射器。

在65米射电望远镜的上海天文台65 (TM),侯et al。10)利用激光示踪法校准80调整机制确定副反射器的位置,如图1。校准后,位置精度为0.108毫米,姿态精度为9.72,而最高的位置和姿态误差降低了87.75%和46%,分别。


图1
TM 65副反射器测量的态度。

王等人。11甚长基线干涉测量使用基于中国她掸25米天线和TM 65米天线获得振幅和相位的口径平面而TM 65天线扫描3 c84周围的邻居。然后,副反射器方向是获得衍射屏相分离。

如图2,64 SRT采用多个分析测量系统来确定副反射器的位置,在激光测量系统可以测量的位置变化四自由度副反射器,测量精度为±50μm和1”(12,13]。


图2
在意大利SRT测量。

目标姿态测量技术用于工业应用在其他领域。例如,刘等人设计了一个非接触光学测量系统(14,15),可以同时测量六自由度的转动轴的几何误差的机床。该方法可以测量六自由度录得超过200毫米的距离,测量精度可达微米和弧秒的水平。激光三角测量(16和光学频率梳精密测量17)通常可以实现micron-level测量精度在相对较短的距离,但它是在严酷的环境下难以实现高精度测量的距离数十米。然而,这些技术的发展仍然是非常有益的天线测量方法。

该110米射电望远镜(QTT),目前在建的中国,完全可操纵的18]。大孔径天线采用可调格里高里光学系统设计,它将成为一个最大的和最先进的全面可旋转的射电望远镜。天线的运动期间,副反射器的位置将严重影响环境的负荷。然而,移动副反射器主动补偿以提高天线系统的工作效率也是QTT项目中一个关键部分。这需要改进的调整精度副反射器在所有工作条件,和它的位置需要实时检测和高精度。

现有的测量方案不符合QTT位置测量的要求。photogrammetry-based方法是用来校准系统天线的位置施工阶段由于图像采集和计算的速度慢;因此,它不能用在天线的操作。此外,激光跟踪器只能用在某些测量环境。它是不适合长期连续的测量,因此它不能用于实时测量大口径天线。使用长期合作目标也降低了精度,因为外部环境的影响。中使用的测量系统联合测试方案SRT只能测量5个自由度,这是不够的。因此,对于高精度测量的QTT副反射器的位置,需要开发一个新的快速测量方案。

本文提出了一种基于三角测量技术使用激光阵列覆盖位置敏感探测器(PSD)。本文的主要内容如下:在第二部分,使用激光阵列测量方案介绍了副反射器。第三部分描述了如何使用最小二乘方法适合激光光束的空间直线和PSD二维激光点三角形质心的距离是用来获得的三维空间坐标点的质心。的6自由度的态度信息获得天线副反射器通过坐标转换模型。第四部分通过实验验证该方案的可行性和准确性。最后一部分总结了纸。

2。测量方案

检测的变形QTT副反射器等环境因素引起的风,热,和重力为了使用可移动副反射器有源补偿技术,有必要准确、快速测量副反射器的立场和态度。QTT格里高里天线。提要小屋是固定相对于原点的主反射镜的中心位置。副反射器是固定支撑架,这是由驾驶姿势调整的机制。副反射器的孔径小于天线系统,尤其是主反射器,因此可以视为刚体副反射器在测量副反射器的姿态。此外,它的姿势可以由PSD的姿势安装在副反射器上。在本文提出的方法,激光阵列组放置在主反射镜的中心,和PSD安装接收激光以形成一个点阵列的副反射器,确保激光器发出的激光阵列组可以覆盖PSD,移动与副反射器,如图3。激光覆盖这个方案适用于广泛的副反射器态度变化测量。


图3
激光阵列的示意图和PSD的安装位置。

通过分析二维PSD位置改变光线的多个景点,我们可以快速获得副反射器的空间位置的三维坐标相对于主反射镜的中心,实现闭环控制的立场和态度天线副反射器。天线副反射器的变形引起的重力,阳光,风荷载可以实时修正,实现系统的有源补偿。

激光模块后已经调整了姿势,它形成一个发射阵列针对PSD副反射器。输出激光束的空间信息接近副反射器测量部分提前校准,确保激光阵列由多组激光可以覆盖的运动范围PSD副反射器和PSD总能观察到足够的激光点,如图4。


图4
原理图的运动空间激光阵列和探测器。

一群激光束发出激光阵列,其中至少有三个激光辐照到PSD。这使得空间激光器的线性方程的三个光点在PSD位置进行识别。当前操作的天线态度变化表明,天线的态度变化主要是由于位置误差在球场运动(19),因此可以确定梁的运动阴影板三个光点。然后,光的三维空间坐标点的计算是根据它们之间的距离,被PSD,和二次表面的构成,如图5和6。激光测量系统的测试工作流程如图7。


图5
激光模块的原理图阵列发射光束。

图6
副反射器测量系统原理示意图。

图7
测试激光测量系统的工作流程。

3所示。测量原理

在本文提出的方法,测量目标点的运动范围是由激光阵列,并得到目标点的态度信息使用空间的几何坐标变换原理的位置空间直线相交的目标表面探测器。

4所示。线拟合的激光束

离散点的三维信息的激光点从一个个PSD翻译信息,获得二维位置信息是通过实际测量,然后发出的激光束的三个空间直线拟合的最小二乘法原理(20.]。

空间线性方程可以表示如下:

在这里, 表示的质心空间点的三维坐标,由一束激光和PSD的交集; 是线性方程常数。

方程(1)也可以表示如下:

的坐标N离散点表示如下:

最后,以下三个线性方程的发射光束激光组得到:

在这里, 表示空间坐标上的散射光的质心位置 - - - - - -th激光和 的常数参数是线性方程,在哪里 。

5。求解交叉斑质心坐标

探测器的质心点的二维坐标前副反射器构成改变被定义为 , ,和 。

的三维坐标点的质心前副反射器被定义为带来改变 , ,和 。

探测器的质心点的二维坐标后,副反射器构成改变被定义为 , ,和 。

最后,三维坐标的质心位置后,副反射器构成改变被定义为 , ,和 。

因为空间线段相等的长度,我们有以下:

求解方程(6)- (11),PSD相交点的三维坐标构成变化前的副反射器可以获得以下PSD的交点坐标: , ,和 。

同样,PSD的空间三维坐标交点后,副反射器构成变化也可以获得 , ,和 。

6。PSD构成收购有六个自由度

摘要囊模型(21)是用来分析7-parameter变换的二维坐标PSD斑质心的天线系统空间坐标系的三维坐标。PSD的平移和旋转的数据反映了6自由度态度变化信息。

如图8二维坐标点斑质心的PSD可转化为三维空间坐标点下天线空间通过平移和旋转坐标系统如下:


图8
PSD坐标系、欧几里得空间坐标系和转换。

在这里, 表示光的三维坐标位置的天线坐标系; 是翻译向量 ; 规模变化系数; 是旋转矩阵;和 表示PSD的光点坐标的坐标系统,在那里Z= 0。

方程(12)可以转化为以下:

重心坐标的三个光点的空间坐标系统被定义为天线系统 。中相应的三个点的坐标PSD坐标系统被定义为 。然后,方程(14)可以进一步表示如下:

使用最小二乘法,多个组点的变换矩阵不同的坐标系统可以解决。解决方法是定义如下:

通过求解PSD的6自由度坐标变化空间,副反射器构成的变化最终可以获得。

7所示。仿真例子

评估测量原理,模拟了一个例子。三个发射激光将照射PSD目标表面上6.05米。PSD的态度是给定一个预先确定的抵消,态度的变化计算使用方法在前面的小节中,和预定抵消的结果进行了比较。

初始条件如表所示2。

表2
初始条件的仿真计算。

使用两个点的空间坐标的激光束,可以获得三个激光线方程。然后,三个光点的二维坐标可以直接获得的PSD和三个灯点的三维坐标可以通过方程(9)- (11)。最后,建立囊模型和PSD的态度的转变是通过方程(17)。结果如表所示3。原理图之间的交互PSD和激光束的态度前后变化如图9。

表3
仿真结果。

图9
十字路口PSD和激光束之间的前后态度的变化。

结果在表3在仿真例子表明,该方法获得的三维坐标空间与高精度激光点和获得最后的6自由度的变化与高精度PSD的态度。

8。实验

进一步评估测量方案,建立一个原型测量系统仿真的态度调整天线。它主要由激光发射模块数组,PSD系统和二维翻译平台。激光模块数组放置在铝支架,和PSD系统是放置在二维移动桌子。实验设备设置如图10和11。主要设备参数如表所示4和5。


图10
激光发射系统。

图11
PSD和二维转换表。
表4
实验PSD参数。
表5
激光模块参数。

41组实验中获得的数据在图所示12和相应的41组的翻译X方向和Z方向如图所示13。


图12
41组实验数据点的三维坐标质心PSD获得的。

图13
翻译的二维转换表X和Z的方向。

第一个31组数据被用来适应激光直线如图14,过去的10组数据被用来测试和评估系统。


图14
三个安装激光。

第一个获得31套数据处理使用方程(5)- (8),拟合出三个空间线性方程如下:

把二维信息从过去10组数据作为变量,方程(18)- (20.)和(9)- (11)被用来解决空间重心坐标的PSD的地点和激光分割的。结果如图所示15。选中的高精度二维转换表配备了高精度RH100×30 d05光栅尺(英国,英国),1的准确性μm。因此,二维运动的数据翻译平台可以作为实际翻译PSD的测量精度可通过比较它与解决的态度的变化。最后,获得了6自由度副反射器位置的变化从方程(15)- (17)如图16和17。


图15
计算空间坐标的最后10套现货重心。

图16
结果过去10组变化的三自由度PSD翻译。

图17
结果过去10组变化的三自由度PSD旋转。

PSD的态度的变化引起的二维转换表的翻译X和Z没有旋转的方向。解决了最大翻译根均方误差(RMS)是0.014毫米,最大旋转均方根误差为0.370°,如图18和19。


图18
PSD的最后10组三自由度翻译错误的态度。

图19
最后10组PSD三自由度旋转错误的态度。

在这个实验中,二维坐标输出操作PSD 10赫兹的频率,测量系统和运行时的算法的毫秒,因此所需的时间测量系统可以保证在几秒钟内。验证实验结果证明本文提出的测量方案是可行的,可用于快速、高精度副反射器的位置测量。

9。结论

本文关注的快速和高精度姿态测量大口径天线副反射器,提出了一种激光阵列PSD-based三角测量技术报道。precalibrated激光阵列安装在副反射器,PSD总是观察至少三个不同的激光束和至少三个完整的激光形成斑点。PSD可迅速获得二维光点的质心坐标解决现场使用三维质心空间坐标点的距离和激光线方程。然后,坐标变换矩阵可以得到囊模型。最后,三自由度平动信息和三自由度转动的PSD可获得的信息。实验结果表明,翻译的准确性0.014毫米和0.37°的旋转精度可以达到。在未来,我们将致力于使用探测器阵列的研究,进一步提高测量精度。此外,该方法还可以满足半实时副反射器的位置测量的要求。使用这种技术,天线副反射器可以移动到最佳位置改善天线电气性能和观察效率。这将是有利于获得高质量的观测数据,帮助人类探索宇宙的奥秘。

数据可用性

数据的结果不公开发表的这篇文章在这个时间,但可以从作者获得合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究由国家重点支持研究和发展计划(批准号2021 yfc2203501)和中国国家自然科学基金(批准号(国家自然科学基金委)11803075)。