项目进展报告——天线近场测量

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1、项目进展报告(2016~2017)天线近场测量方案目录QTT进行近场测量的必要性a)QTT的变形来源和特征b)已有方案的局限性c)无人机近场测量的优越性近场测量基本理论研究a)近场的分类和天线衍射模型b)口径场—平面近场变换c)不失真快速卷积和反卷积近场相位全息方案a)方案结构图b)仿真结果近场相位恢复方案a)方案结构图b)仿真结果近场单幅值测量方案a)变形—幅值理论b)仿真结果c)实现条件无人机研究进展a)无人机近场测量简述b)无人机定位指标c)仿真和实测结果天线近场测试实验a)0506西安近场测试b)测试结果和经验总结项目研究展望上海交通大学叶骞2

2、3项目进展报告(2016~2017)天线近场测量方案QTT进行近场测量的必要性QTT的变形来源和特征QTT是新疆天文台将要修建的直径110m的全可动大型射电望远镜。由几千块铝合金面板组成一个巨大的主反射面，预计总重量将超过7000t。巨大的主反射面在姿态变化时、日照不均时、风吹干扰时都会产生较大的主面变形。主面变形直接影响天线做天文观测时的效率，因此在面板下方安装数千台精密促动器，对产生的轮廓形变进行补偿，将其恢复成一个完美的抛物面或赋形面。QTT的三大变形来源：重力，风力，热变形都会产生很大的影响。其中，重力变形占据主要成分，主要是长时间的运行以及姿

3、态的改变所导致；风力变形是随机而复杂的，除了优化结构外暂时没有很好的对策；热变形对白天的观测有很大的影响，这方面的研究比较成熟，有限元仿真能够给出比较可靠的结果，容易对其实现补偿。因此，我们重点关注的是重力变形，研究和分析不同姿态下的重力变形是其中的关键。图1QTT的变形来源和特征已有方案的局限性QTT的姿态变化导致的重力变形将是比较巨大的，需要作针对性的检测。根据上海天文台的测试数据，TM65m望远镜主反射面在0到90度的俯仰变化下变形分布的差异达到1至3个毫米。而目前的仿真等其他手段，均不能够给出比较精确的预测变形数据，因此我们需要精确的，实时的，

4、可靠地测出QTT不同姿态下的主面变形。目前的主反射面变形测量方法，有机械光学法、摄影测量法、射电全息法、有限元仿真等。我们主要研究的是射电全息法，因其在业内已经获得广泛的应用，不需要添加额外设备即可快速测量出变形等优点。射电全息法在使用时充分利用了望远镜本身的观测系统，方便实用，便捷可靠，而测量精度（一般可以达到0.1mm）又很高，足以达到QTT对于主面变形RMS（小于0.3mm）的要求。射电全息法主要包括：相位全息法、相位恢复法。它们的工作原理此处不再赘述，仅说明一下它们的不足。目前的射电全息法，主要指的是远场方法，即信标到天线口径面的距离大于某个临

5、界值，对于QTT上海交通大学叶骞23项目进展报告(2016~2017)天线近场测量方案大约是几百公里，因此信标只能选取为天体或者人造卫星。事实上，对于QTT这样巨大的望远镜，国内外已有的测量经验都是在远场使用天体或者人造卫星作为源进行的。一般来说，天体源的信号强度是比较弱的，很难达到60dB，如此可能造成测量分辨率不足。人造卫星则具有很强的信号，一般可以达到90dB。使用人造卫星作为信号源一般可以得到很高的口径相位分辨率，国内外一些高分辨率的远场测量方案基本上都是基于人造卫星的。然而，人造卫星的分布非常有限，只在有限角度下能够实现有效的测量，无法满足Q

6、TT的测量要求：实现任意姿态的表面变形测量。当然，将远场推广到近场，通过信号塔的方式确实可以从理论上解决任意姿态测量的问题。但是QTT的尺寸所要求的信号塔的高度无法做到。也就是说，静态信号源的近场测量难以实现。总的来说，远场测量难以做到任意角度可测，近场静态测量难以具备物理实现的可能。图2现有的射电测量方案使用案例无人机近场测量的优越性远场难以做到任意姿态测量，所以测量必须是在近场进行。既然静态近场测试无法物理实现，动态近场测试是否可行？设想使用热气球携带信号源，控制信号源的精确位置，天线对其进行近场扫描不失为一种可行的办法。类似的，无人机近场测量就是

7、这个思想的升级版：采用无人机携带信号源，天线保持静止，无人机扫描天线，得到天线的近场图。这种方案的优越性在于：1.天线始终保持静止，没有机械运动误差。2.无人机能够非得很近，信号更强，时间更短。3.无人机测量能够非常快速的飞行、测量。4.能够实现任意姿态的天线变形测量。方案的难点在于：1.无人机近场是一个很近的近场，目前没有相关先例，也缺乏成熟的理论支撑。2.无人机的定位和位置精确测量是一个还需要深入研究的问题。3.无人机的负载量、续航时间、通信距离、有效控制等问题需要反复测试。上海交通大学叶骞23项目进展报告(2016~2017)天线近场测量方案1.

8、如何在大风条件下保持位置和姿态的稳定，是无人机目前难以解决的问题。天线近场无人机测试方案的必要