天馬望遠鏡研發技術學術期刊專刊論文出版
文章來源：上海天文臺 | 發布時間：2024-09-15 | 【打印】 【關閉】
大型射電望遠鏡是深空探測器導航、天體物理、天體測量等領域的關鍵基礎設施。脈沖星、宇宙微波背景輻射等獲得諾貝爾獎的重大天文發現均來源于射電望遠鏡的觀測。在全方位可動型望遠鏡中，國際上先后建設了澳大利亞Parkes 64米、德國Effelsberg 100米、美國GBT 110米和意大利SRT 64米等大型射電望遠鏡。我國當時先后建成上海25米、新疆25米、北京50米和昆明40米射電望遠鏡。這四臺望遠鏡和上海數據處理中心組成甚長基線干涉測量網（VLBI），作為探月工程VLBI測軌分系統，為探月工程國家重大專項的精密測定軌任務做出了重大貢獻。但我國當時的射電望遠鏡與國際先進水平相比，天線口徑小、觀測頻率低，制約著執行國家探月和深空探測重大任務和開展原創性射電天文觀測研究的能力。
由此，中國科學院、上海市和探月工程聯合出資，研制了我國第一臺大型射電望遠鏡系統即上海65米射電望遠鏡（天馬望遠鏡）。建設大型射電望遠鏡，需要攻克高精度指向、高接收效率、低溫寬頻帶接收、復雜靈活控制、綜合性能測試、重力變形改正等一系列技術難題。上海天文臺聯合中國電科54所、上海交通大學、中國電科16所等單位，攻克多項關鍵技術，于2017年建成了性能先進、功能齊全的全可動大型射電望遠鏡系統。天馬望遠鏡整體性能達到國際先進水平，極大地提升了我國探月衛星和深空探測器VLBI測定軌能力、國際VLBI觀測和射電天文觀測研究能力。該望遠鏡獲得2018年度上海市科技進步獎特等獎。
2024年9月，英文學術期刊《Astronomical Techniques and Instruments》（《天文技術與儀器》）出版了天馬望遠鏡研發技術有關的專刊論文，從多個方面介紹了天馬望遠鏡的研發技術和經驗，對后續射電望遠鏡的研發和應用具有參考價值。這六篇論文的簡介如下。
劉慶會、沈志強、洪曉瑜等的論文《上海65米射電望遠鏡》從總體上介紹了天馬望遠鏡的研發和應用情況，論文摘要為：天馬望遠鏡是一臺具有多種科學用途的全方位可轉動大型射電望遠鏡，2008年至2012年完成望遠鏡主體和L、C、S/X等4個低頻段接收系統建設，2013年至2017年完成Ku、K、Ka和Q等4個高頻段接收系統建設和綜合性能調試。主要創新有三點：1．建成了性能先進、功能齊全的全可動大型射電望遠鏡系統。2．完成了先進的高可靠性主反射面調整系統，克服重力變形 ，實現了任意仰角面型精度0.28mm的大型天線。3．綜合發展5項創新性技術實現了任意方向3角秒高精度指向。天馬望遠鏡為我國月球和深空探測器測軌定位做出了關鍵貢獻。大幅提升了我國參加國際VLBI觀測和射電天文觀測能力，在VLBI、譜線和脈沖星等射電天文觀測研究中取得一系列成果。
圖1，天馬望遠鏡
杜彪、鄭元鵬、劉國璽等的論文介紹了天馬望遠鏡天線系統的研發和制造技術。論文摘要為：天馬望遠鏡是一臺全可動單口徑射電望遠鏡，工作波長從厘米波到毫米波（對應工作頻率從1.25GHz到50GHz）。本文詳細介紹了該望遠鏡天線的主要指標要求、設計方案、性能分析、測試驗證和建設過程。天線測試的總效率在整個俯仰角內優于50％，第一旁瓣小于-20dB，天線系統噪聲溫度在30°仰角低于70K，指向精度優于3″。測試結果與計算結果吻合良好，驗證了設計與分析的正確性。
圖2 三個俯仰角下的重力變形。俯仰角為（A）5°、（B）50°、（C）90°。
王玲玲、劉慶會、蔡勇的論文介紹了天馬望遠鏡的時間和頻率系統。主要內容為：時間和頻率是射電天文觀測的重要保障。文章從系統層面介紹了時頻系統的各個方面，可以為其他測站時頻系統的建設提供一定的參考。天馬望遠鏡除了進行常規的天文觀測之外，還承擔了探月探火等國家重大任務，其時間和頻率系統設計的宗旨是穩定可靠及高性能。為了滿足這些要求，重點關注了幾個關鍵方面：1）雙備份高性能原子頻率標準：采用高性能氫原子鐘作為頻率標準，并且采取雙機熱備份。2）高標準的系統運行環境：運行環境旨在確保穩定性和可靠性。包括溫度控制、振動隔離和電磁屏蔽，以最大限度地減少可能影響頻率標準性能的外部因素。3）信號輸出自動切換：多路信號自動切換，只需一個按鈕即可快速切換，降低了誤操作的概率，大幅提高了系統可靠性。4）模塊化高可靠性系統軟件設計：系統的軟件架構采取模塊化可靠設計，有助于輕松維護、升級和故障排除。天馬望遠鏡時間頻率系統建成至今，常年7×24小時不間斷運行，為整個臺站提供了高性能、高可靠性的頻率和時間標準。
圖3 天馬望遠鏡的時間頻率系統的基本框圖
張子含、葉騫、付麗等的論文介紹了基于神經網絡的具有主動面系統的大型天線面型形變的實時計算技術。本論文提出了一種創新的基于替代模型的建模方法，該方法利用圖神經網絡（GNN）來補償大型射電望遠鏡中的重力和熱變形。傳統上，快速補償重力變形是可行的，但對溫度引起的變形則不然。這種方法的引入便于實時計算由重力和溫度引起的變形。構建替代模型涉及兩個關鍵步驟。首先，對重力和熱載荷進行編碼，這有助于神經網絡更高效地學習。其次是使用GNN作為端到端模型。該模型有效地將外部載荷映射到變形上，同時保持節點之間的空間相關性。仿真結果證實，所提出的方法能夠成功地實時估計主反射面變形，提供的結果與通過有限元分析得到的結果在實際中幾乎無法區分。我們還將所提出的方法與焦點外（OOF）全息測量進行了比較實驗。結果表明，替代模型的計算結果與OOF方法相似。
圖4 生成數據集的過程，包括兩個輸入特征(姿態和溫度)和一個輸出特征(促動器調整)
孫正雄、王錦清、虞林峰等的論文介紹了基于無線電方法的大型射電望遠鏡面型檢測技術。主要內容為：面形精度與天線的工作頻率直接相關，面形精度越高，工作頻率可越高，一般要求面形誤差小于工作波長的二十分之一。為了維持射電望遠鏡的高效工作，需要周期性地對天線主反射面的面形進行檢測，并依據檢測結果進行調整。結合主動面調整技術，以實現對面形誤差的準確評估與修正，保證了射電望遠鏡的電性能。
通過反復測量和調整的迭代方法，使面形逐漸逼近理想狀態。面形的改善過程見下圖，圖中扣除了副面和撐腿的遮擋部分。由于天氣和風等環境因素對測量的影響，每次調整主面后，需要進行驗證測量。通過對天馬望遠鏡的面形測量分析，進行了多輪測量與調整，該望遠鏡在53度俯仰角實現了0.28 mm RMS的面形誤差，且在Ka頻段的天線效率由37%提升至56%。此外，還在其他俯仰角度上應用了離焦全息法和波前擾動法，證實了這些模型在更廣俯仰范圍內的效率改善能力，尤其是在低俯仰角和高俯仰角上分別提升了約1.3倍和1.6倍的效率。
圖5 連續調整主動面后的面形誤差，顏色條的單位為毫米。
付麗、李旺、王玲玲等的論文介紹了風載荷對天線指向精度影響的實驗研究。主要內容為：風載荷具有瞬時性和紊亂性的特點，其作用在天線結構上會產生隨機誤差，對于高頻觀測，此項影響不可忽略。以天馬望遠鏡為研究對象，基于搭建的結構振動測量系統，對風載荷引起的天線指向誤差展開實驗研究。首先以天線結構自振頻率范圍為參考，通過帶通濾波法獲得有用信號；再基于快速離散傅里葉變換方法過濾直流分量，最小二乘法擬合加速度進行基線矯正；最后通過離散累加梯形面積方法近似求解加速度積分，經過二次積分得到天線的結構振動位移，副面的位移減去饋源的位移得天線在光軸方向的位移，從而可以計算出天線的俯仰與方位指向誤差。在風速為3.2m/s，天線俯仰角為61.7°，風向角為80°時，產生的俯仰指向誤差為3.05角秒，方位指向誤差為1.14角秒，與有限元分析和傾斜儀測量結果吻合，證明提出的信號處理方法和指向誤差計算方法的正確性。研究方法及數據分析結果為進一步風致指向誤差修正提供依據。
圖6，指向誤差與時間曲線
六篇論文的鏈接如下：
1. .聯系人：劉慶會 liuqh@shao.ac.cn
文字連接：https://doi.org/10.61977/ati2024031
2. 聯系人：杜彪 biaodu@163.com，
文字連接：http://ati.ac.cn/en/article/doi/10.61977/ati2024038
3.聯系人：王玲玲 llwang@shao.ac.cn
文字連接：http://ati.ac.cn/en/article/doi/10.61977/ati2024039
4. 聯系人：葉騫 yeqian@shao.ac.cn
文字連接：http://ati.ac.cn/en/article/doi/10.61977/ati2024036
5. 聯系人：王錦清 jqwang@shao.ac.cn
文字連接：http://ati.ac.cn/en/article/doi/10.61977/ati2024035
6. 聯系人：付麗 fuli@shao.ac.cn
文字連接：https://doi.org/10.61977/ati2024033
