Методика обработки радиоголографических измерений на полноповоротных радиотелескопах сети "Квазар" тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ АСТРОНОМИИ

РГк 01

На правах рукописи ^ 7 МКШ 2003

ГЕНЕРАЛОВА Юлия Евгеньевна

МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ РАДИОГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ НА ПОЛНОПОВОРОТНЫХ РАДИОТЕЛЕСКОПАХ СЕТИ "КВАЗАР"

Специальность 01.03.02 (Астрофизика и радиоастрономия)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена в Институте прикладной астрономии РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук профессор А.А.Стоцкий

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Н.А.Есепкина доктор физико-математических наук А.Н.Коржавин

Ведущая организация: Главная астрономическая обсерватория РАН

Защита состоится /¿Г июня 2000 года в /3 часов 0О минут на заседании диссертационного совета Д-200.06.01 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при Институте прикладной астрономии РАН по адресу: 191187, Санкт-Петербург, наб. Кутузова, 10.

Отзывы на диссертацию направлять в адрес диссертационного совета. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПА РАН.

Автореферат разослан мая 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Доктор физико-математических наук

А. Т. Байкова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Разработка, производство и эксплуатация новых типов антенн и антенных систем для решения различных задач радиоастрономии и радиоинтерферометрии, связи и радиолокации, тесно связаны с разработкой методов оперативного измерения их параметров. Необходимым завершающим этапом создания любого радиотелескопа является его юстировка.

Общей тенденцией в современной радиоастрономии стало увеличение размеров радиотелескопов с одновременным уменьшением рабочих длин волн, что требует повышения абсолютной и относительной точности юстировки. Радиоголография принадлежит к числу радиофизических методов антенных измерений, которые позволяют измерить не просто положение отдельных представительных точек, а форму непосредственно эффективной фокусирующей поверхности. При этом относительная точность измерения профиля фокусирующей поверхности составляет порядка 10"6 при высоком пространственном разрешении (до 0,1 м) и сравнительно небольшом времени на измерения и обработку (от 30 мин до нескольких часов).

Другим важным достоинством радиоголографического метода юстировки радиотелескопов является возможность практически полной автоматизации процесса измерений. Кроме того, радиоголографический метод юстировки позволяет измерить не только профиль отражающей поверхности, но и другие важные характеристики, такие как смещение фокуса, амплитудное распределение поля в плоскости апертуры, кроссполяризационные характеристики антенны и др.

За рубежом радиоголографический метод юстировки антенн получил широкое распространение, однако в России наблюдается заметное отставание в области применения и развития этого метода.

В Институте прикладной астрономии РАН создан автоматизированный радиоголографический измерительный комплекс, предназначенный для исследования и юстировки 32-метровых радиотелескопов радиоинтерферометрической сети "Квазар". Это потребовало создания оригинального программного обеспечения для обработки радиоголографических измерений.

Цель работы: развитие методов математической обработки радиоголографических измерении и создание эффективного программного обеспечения радиоголографической системы ИПА РАН. которое позволило бы проводить исследования и юстировку 32-

метровых радиотелескопов ТНА-400-1 сети "Квазар" и других полноповоротных рефлекторных радиотелескопов.

Научная новизна работы:

1. Детально рассмотрен радиоголографический процесс восстановления распределения поля в плоскости апертуры антенны на основе измеренных комплексных диаграмм направленности (радиоголограмм) антенны и предложен алгоритм полной обработки радиоголограмм. Алгоритм включает в себя первичную обработку измеренных данных, итерационные процедуры, учитывающие априорную информацию о характере амплитудно-фазового распределения поля в апертуре, процедуру разделения ошибок фокусировки и ошибок эффективной отражающей поверхности, расчет смещений элементов главного зеркала по данным фазовых ошибок на апертуре, статистическую обработку результатов измерений.

2. Построена математическая модель преобразований сигнала при радиоголографических измерениях, учитывающая особенности радиоголографической измерительной системы, созданной в ИПА РАН. Модель использована для оптимизации параметров измерительной радиоголографической системы и анализа результатов измерений.

3. Предложен метод измерения и учета движения источника сигнала при радиоголографических измерениях по геостационарному ИСЗ.

4. Исследованы аппаратные эффекты, искажающие измеренную радиоголограмму (неравномерность движения антенны, сбои в системе наведения и регистрации) и предложены эффективные методы их устранения.

5. Разработанная методика экспериментально проверена на 32-метровом радиотелескопе в Светлом. Получены экспериментальные данные о фокусирующей системе радиотелескопа (качество эффективной отражающей поверхности, положение фокуса, влияние смещения вторичного зеркала, амплитудное распределение в плоскости апертуры).

Практическая ценность работы определяется применением разработанных методики и программ для исследования и юстировки радиоголографическим методом радиотелескопов сети "Квазар" и других полноповоротных антенн.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. Школа-семинар молодых ученых-космофизиков, Суздаль, 1991.

2. XXV радиоастрономическая конференция, Пущино, 1993.

3. XXVI радиоастрономическая конференция, С.-Петербург, 1995.

4. XXVII радиоастрономическая конференция, С.-Петербург, 1997.

5. Школа-семинар молодых радиоастрономов, Пущино, 1998.

------Публикации. Основные результаты по теме диссертации

опублкковат.; п работах [1]-[S], из которых 5 наггисаны в соавторстве. В работах [2]. [4], [5]. [7] и [8] вкладом автора является подготовка наблюдений и расчет целеуказаний, участие в радиоголографических измерениях, полная обработка всех сеансов измерений, участие в анализе и обсуждении результатов.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Она изложена на 180 страницах, включает б таблиц и 57 рисунков. Список литературы содержит 106 наименований.

Во введении приводится обшая характеристика радиоголографических методов диагностики антенн, обсуждается актуальность их развития и практического использования.

В первой главе рассматриваются интегральные методы измерения антенных характеристик, излагаются теоретические основы радиоголографических методов, при этом особое внимание уделяется методу радиоголографических измерений по сигналу источника, расположенного в дальней зоне.

Во второй главе рассматриваются особенности восстановления поля в апертуре антенны в случае применения разработанной в ИПА РАН одноканальной схемы радиоголографической аппаратуры с амплитудно-фазовой модуляцией опорного сигнала. Исследуется влияние на восстановленное изображение ограниченности области измерений, конечности размеров опорной антенны и дискретизации при записи голограммы.

В третьей главе рассматриваются алгоритмы и методы обработки радиоголографических измерений, приводятся результаты компьютерного моделирования процесса измерений и обработки. Рассматриваются эффекты, искажающие радиоголограмму, и методы их устранения.

П Mcmeproii главе приведено описание разработанного пакета программ "Орион", его характеристики, рассмотрена работа программы-оболочки пакета.

В пятой главе приведены результаты применения разработанной методики и пакета программ "Орион" для обработки радиоголографических измерений на радиотелескопах ТНА-1500 в г. Калязине и ТНЛ-400-1 в обсерватории Светлое.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

В приложении содержится перечень программ, входящих в пакет "Орион".

Содержание работы

Глава 1. Интегральные методы измерения характеристик крупных радиотелескопов

Задача улучшения качества отражающей поверхности особенно актуальна для больших полноповоротных зеркальных антенн, поверхность которых состоит из большого числа отражающих панелей (щитов), точность установки которых сильно влияет на такие важные характеристики, как усиление, эффективная площадь, уровень боковых лепестков и др. Наиболее эффективными при решении этой задачи являются интегральные методы измерения антенных характеристик, к которым относится радиоголографический метод.

Задача радиоголографической юстировки состоит в том, чтобы восстановить фазовое распределение в плоскости апертуры исследуемой антенны по измеренной комплексной диаграмме направленности в дальней зоне или в зоне Френеля и на этой основе получить данные для корректировки отражающей поверхности и положения облучателя (контррефлектора).

В основе радиоголографии в дальней зоне лежит интегральная связь комплексной диаграммы направленности (ДН) по полю В{8,ф) в дальней зоне с распределением поля Ё(х,у) в плоскости апертуры:

•кр+ф

¿(Э,ф)= | ]Ё(х,у) •ехр(-у/с(л-5!п0со5ф+ увтбБтф))^«^,

-ос +ос

где л-,_>' - прямоугольные координаты в плоскости апертуры, к -волновое число, 0,ф - угловые координаты, в которых измеряется диаграмма направленности. Обратное соотношение позволяет по —измеренной комплексной диаграмме направленности в дальней зоне восстановить амплитудно-фазовое распределение поля в плоскости апертуры.

Из полученного распределения поля в плоскости апертуры в приближении геометрической оптики легко получить профиль поверхности зеркала.

Существуют две основные схемы построения радиоголографической системы: двухканальная (корреляционная) и суммирующего типа.

Основным недостатком двухканальной схемы является сложность реализации двух каналов фазостабилиэированных приемников.

В ИПА РАН создана схема радиоголографической измерительной системы, которая относится к схемам суммирующего типа. Главное отличие предложенной схемы состоит в том, что интерференция измеряемого и опорного сигналов происходит во входных цепях, на частоте приема. Поэтому приемная аппаратура делается одноканальной, благодаря чему снимается требование жесткой фазовой стабилизации.

Глава 2. Восстановление поля в раскрыве антенны

в радиоголографической системе ИПА РАН

Рассматривается процесс восстановления поля в раскрыве антенны в радиоголографической системе ИПА РАН. В этой системе опорная антенна жестко закреплена на главном зеркале и находится в пределах апертуры радиотелескопа. Можно показать, что в этом случае действительное и мнимое изображения поля в апертуре, а также автокорреляционная функция основной антенны оказываются совмещенными в пространстве, перекрывающимися.

Для разделения в пространстве этих трех изображений в измерительной системе ИПА применяется амплитудно-фазовая модуляция опорного сигнала, благодаря которой разделяются комплексно-сопряженные компоненты изображения в пространственном спектре.

Если не учитывать ограниченность области измерений, то восстановленное изображение является суммой двух слагаемых: свертки искомого поля в апертуре с комплексно-сопряженным полем опорной антенны и автокорреляционной функции опорной антенны. Первое слагаемое представляет собой полезное изображение: его амплитуда пропорциональна амплитуде поля в апертуре радиотелескопа, а фаза восстанавливается по отношению к фазе поля на опорной антенне. Минимальный разрешаемый интервал в плоскости апертуры равен удвоенному размеру опорной антенны. В месте расположения опорной антенны восстанавливается ее автокорреляционная функция, которая практически не искажает восстановленного амплитудно-фазового распределения поля измеряемой антенны.

Ограниченность области измерения комплексной диаграммы направленности является вторым фактором, ограничивающим разрешение в плоскости апертуры. Кроме того, ограниченность области измерений приводит к тому, что автокорреляционная

функция поля опорной антенны заметно искажает восстановленное изображение в окрестности точки расположения опорной антенны. Поэтому экспериментально подбирается такое соотношение мощностей основного и опорного сигналов, чтобы при достаточном отношении сигнал/шум искажение полезной компоненты восстановленного изображения было бы несущественным.

Глава 3. Алгоритмы и методы обработки радиоголографических измерений. Моделирование

Процесс преобразования сигналов в радиоголографии достаточно сложен, поэтому первоначально была построена математическая модель и написаны программы математического моделирования. Эти программы использовались для определения оптимальных параметров аппаратуры и режимов измерений, а также для проверки работоспособности пакета программ в целом.

Математическая обработка реальных измерений включает в себя, кроме преобразования Фурье, также множество других необходимых процедур, без которых невозможно получить конечный результат с требуемой точностью. Кроме того, подготовка эксперимента также требует проведения некоторых предварительных вычислений.

Таким образом, в пакет программ "Орион" вошли программы подготовки и обработки, а также моделирования радиоголографических измерений. Блок-схема созданного программного обеспечения приведена на рис. 1.

Подготовка эксперимента (1, рис.1) включает в себя расчет параметров сеанса измерений и целеуказаний для проведения сеанса радиоголографических измерений.

Целью первичной обработки (2-5) является получение из пяти привязанных по системному времени линейных массивов отсчетов (азимут, угол места, время, "вещественная" и "мнимая" части радиоголограммы) двух квадратных матриц "вещественной" и "мнимой" частей радиоголограммы.

В процессе первичной обработки выполняется: -выделение рабочих матриц из полных матриц записанных данных путем отбрасывания областей разгона и торможения антенны; -выделение из рабочих матриц калибровочных сканов; -выявление сбоев системы наведения и устранение их влияния путем интерполяции данных на моменты сбоев;

Обработка результатов измерений

Математическое

моделирование

7 Итерации (учет априорной информации)

т

10 Поправки к положению контррефлектора

I2 Карта поверхности

15 Расчет поправок

на котировочные винты отражающей поверхности

1 Подготовка к 2 Программы

измерениям и - - - - предварительной

расчет обработки

целеуказании данных

1

3 Вычисление 4 Коррекция данных

траектории измерении за

движения смещение

источника ИСТОЧНИКА

5 Интерполяция к равномерной сетке и.у-коордннат

6 Быстрое преобразование Фурье

16 Комплексное ! распределение ¡' I поля в плоскости- ! : апертуры антенны :

11x1:

17 Диаграмма ! направленности I

основной и опорной I антенн )

18 Голограмма | (интерференционнаяI

диаграмма [ направленности) ]

19 Шумовые ошибки

8 Карты распределения амплитуды и фазы я раскрыве

1

9 Крупномасштабные компоненты ошибки в распределении фазы

г

20 Другие ошибки аппаратуры

21 Координатные ошибки

11 Ошибки поверхности

14 Интерполяция к точкам крепления котировочных винтов

13 Вычисление координат котировочных винтов

Рис. I. Блок-схема алгоритма математической обработки радиоголографических измерений.

-компенсация неравномерности движения антенны по азимуту при сканировании путем центрирования моментов отсчетов по азимуту относительно точек квадратной матрицы отсчетов (азимут / угол места);

-осреднение отсчетов "вещественной" и "мнимой" частей радиоголограммы для уменьшения шумов при заданном интервале отсчетов данных по азимуту;

-черезстрочное инвертирование отсчетов; -переход от системного времени к московскому; -определение положений ИСЗ по калибровочным сканам и введение поправок за смещение ИСЗ;

-интерполяция величин "вещественной" и "мнимой" составляющих радиоголограммы на прямоугольную сетку и,у-координат;

-совмещение максимума диаграммы направленности с центром матрицы радиоголограммы.

На основании полученных матриц "вещественной" и "мнимой" составляющих радиоголограммы в результате быстрого преобразования Фурье (6) строятся "вещественная" и "мнимая" составляющие поля на апертуре антенны. По ним рассчитываются амплитуда и фаза поля на апертуре (8).

Применение итерационных алгоритмов (7), учитывающих априорную информацию о характере восстанавливаемого распределения поля (ограниченность размеров апертуры, возможность скачков фазы на границах элементов зеркала), позволяют повысить точность восстановленного изображения в 1,5-2 раза.

Затем выполняется вторичная обработка измерений (9-15). Прежде всего, определяются крупномасштабные фазовые ошибки фокусировки (9) и соответствующие им значения коэффициентов аберрационной функции. Удаление крупномасштабной составляющей фазового распределения осуществляется следующим образом: в восстановленное фазовое распределение в плоскости апертуры методом наименьших квадратов вписывается полином 3-ей степени:

Г(.г, 3') = Са + С, х+ С,у+ С, х2 + Слху+ СУ +С6х1 + С,/ + С,х'у+ С, х/.

Затем этот полином вычитается из фазового распределения и, таким образом, остается только мелкомасштабная компонента фазового распределения на апертуре (11, 12). Полученное фазовое распределение используется далее для вычисления поправок на юстировочные винты отражающей поверхности (14, 15). При этом используются программы для вычисления координат юстировочных

винтов в проекции на плоскость апертуры для обычной или модифицированной параболической поверхности (13).

Предлагается два варианта вычисления поправок: с применением сплайн-интерполяции и с применением специального вида интерполяции, учитывающей априорную информацию о характере фазового распределения в плоскости апертуры. Во втором случае фазовое распределение аппроксимируется ступенчатой функцией, учитывающей возможные разрывы (скачки) фазы в местах стыков между щитами. Результаты представляются в виде таблиц необходимых смещений в мм и в оборотах установочных винтов.

В процессе обработки выполняется статистический анализ сеансов радиоголографических измерений:

-вычисляется среднее по всем сеансам распределение фазы на апертуре и среднеквадратичное отклонение фазы от синфазной поверхности;

-вычисляется среднее по всем сеансам распределение амплитуды на апертуре и апертурный коэффициент использования поверхности;

-вычисляются среднеквадратичные величины отклонений результатов измерений в каждом сеансе от средних значений и коэффициенты корреляции флуктуации фазы и амплитуды между сеансами;

-оценивается точность измерений.

Результаты измерений, расчетов и статистического анализа представляются в виде таблиц, графиков, трехмерных диаграмм и двумерных цветных карт.

В пакете "Орион" имеются следующие программы моделирования:

-задание исходного амплитудно-фазового распределения поля в плоскости апертуры основной антенны (16);

-расчет диаграмм направленности основной и опорной антенн (17); -вычисление комплексной интерференционной диаграммы направленности (радиоголограммы), вещественная и мнимая части которой соответствуют данным двух каналов на низкочастотном выходе аппаратуры радиоголографической юстировки (18);

-внесение шумовых ошибок в полученную интерференционную диаграмму направленности (19);

-моделирование различных ошибок аппаратуры (учет неидеальности СВЧ-модулятора и др.) (20);

-моделирование ошибок наведения антенны (21);

При помощи математической модели отлаживалась также программа внесения в ДН поправки за смещение спутника, оптимизировалось отношение опорного и измеряемого сигналов и др.

Глава 4. Пакет программ "Орион" для обработки и моделирования радиоголографических измерений

Пакет программ "Орион" включает в себя 35 вычислительных программ, 3 графические программы для построения цветных карт-изображений, а также несколько вспомогательных программ. Все программы написаны автором на языке Fortran и построены по принципу модульности, т.е. имеют многоуровневую структуру: каждая программа обращается к целому ряду подпрограмм, те, в свою очередь, - к следующим и т.д., до простейших подпрограмм самого низшего уровня.

При создании программного обеспечения использовались стандартные программы библиотеки Microsoft Fortran 5.1 (Microsoft Fortran Power Station), а также несколько прикладных программ из библиотеки Numerical Recipes (преобразование Фурье и сплайн-интерполяция). В оригинальную библиотеку включены программы, написанные автором, а также подпрограммы графического пакета Sientific Graphics (SGRAPH), которые используются графическими подпрограммами построения графиков-сечений и программами построения цветных карт-изображений.

Для построения трехмерных изображений (30-графика) используется пакет инженерной графики Boing Graph, который вызывается при помощи специальных файлов-макрокоманд.

Для удобства использования пакета "Орион" написана программа-оболочка, представляющая собой совокупность командных файлов, которые определяют последовательность действий пользователя при обработке и моделировании радиоголографических измерений.

Глава 5. Обработка радиоголографических измерений

Опробование методики обработки радиоголографических измерений и первой версии пакета программ "Орион" производилось в 1997 г. на 64-метровом радиотелескопе ТНА-1500 в г.Калязине.

Было проведено 3 радиоголографических сеанса с разрешением по апертуре 1,3 м. Эти измерения показали, что крупномасштабные ошибки формы зеркала, отсутствуют. Мелкомасштабные ошибки имеют среднеквадратичную величину 0,60±0,15 мм.

При обработке результатов наблюдений обнаружены следующие ошибки системы наведения: ошибки типа "люфта" (3'—4') и неравномерность движения антенны (4"-6" по азимуту, 10"-14" по углу

места). При сильных порывах ветра наблюдались отклонения антенны до 10" по азимуту и до 30" по углу места.

Измерения на ТНА-1500 позволили отладить программное обеспечение, а также разработать программы обнаружения и коррекции ошибок системы наведения. -----------------------------

Дальнейшее усовершенствование методики обработки проводилось на 32-метровом радиотелескопе ТНА-400-1 в обсерватории Светлое. Основные измерения были проведены в феврале, июне и августе 1999 г. Основные сеансы измерений проводились с разрешением 0,8 м. Общий объем массива обрабатываемых данных в одном сеансе измерений составил 594000 отсчетов, матрица радиоголограммы после первичной обработки -128x128.

На основании обработки этих измерений улучшена методика учета неравномерности движения антенны, введены подпрограммы обнаружения и компенсации сбоев в системе наведения, расширен диапазон однозначного определения фазовых ошибок на апертуре с ± Я /4 до ± Л12, путем дополнительной интерполяции, а именно, за счет расширения области интегрирования, увеличено количество отсчетов, приходящихся на один элемент поверхности зеркала.

В результате радиоголографических измерений в феврале получена среднеквадратичная ошибка поверхности 1,20±0,19 мм. Близкие результаты получены из июньских измерений: 1,18±0,22 мм. Среднее фазовое распределение в плоскости апертуры, полученное в июньских измерениях, приведено на рис. 2а.

По результатам июньских измерений была проведена корректировка поверхности главного зеркала. Проведенные после этого в августе 1999 г. радиоголографические измерения показали повышение точности поверхности: среднеквадратичная ошибка поверхности составила величину 0,71+0.20 мм. На рис. 26 приведено среднее фазовое распределение в апертуре радиотелескопа, полученное из августовской серии измерений.

В процессе обработки радиоголографических сеансов производилась оценка точности измерений путем сравнения следующих друг за другом коротких (а20 мин) сеансов измерений и некоррелированной части длительных («3 час) сеансов. Полученная величина среднеквадратичной ошибки составляет 0,1-0,2 мм. Эта величина согласуется с величинами расчетной ошибки, обусловленной шумами (0,096 мм), и мультипликативной ошибки, полученной на основе измерения флуктуации амплитуды сигнала (0,05 мм).

В результате обработки получены амплитудные распределения в плоскости апертуры. Измеренное усредненное распределение близко к

расчетному и дает примерно такой же КИП (0,91). Это свидетельствует о том, что в среднем форма поверхности контррефлектора соответствует расчетной. Ошибка амплитудных измерений не превышала 5 %.

Анализ записи координат в летних сеансах измерений показал, что среднеквадратичная ошибка наведения антенны по углу места не превышала 6", по азимуту - 8".

Результаты, выносимые на защиту.

1. Методика обработки радиоголографических измерений, реализованная в виде пакета программ "Орион".

2. Методы коррекции экспериментальной радиоголограммы, учитывающие смещение источника сигнала, неравномерность движения антенны, сбои системы наведения и регистрации.

3. Метод разделения ошибок фокусировки и ошибок эффективной отражающей поверхности.

4. Методы расчета необходимых смещений элементов главного зеркала в точках крепления по данным фазовых ошибок на апертуре.

5. Математическая модель радиоголографического процесса, учитывающая особенности радиоголографической измерительной системы, созданной в ИПА РАН, и результаты математического моделирования.

6. Результаты экспериментальной проверки разработанной методики на радиотелескопе ТНА-400-1.

б)

Рис. 2. Средине фазовые распределения в апертуре радиотелескопа ТНЛ-400-1 (обсерватория Светлое), полученные в июне (а) ив августе (б) 1999 г.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Генералова Ю.Е. Пакет программ для радиоголографической юстировки радиотелескопов ТНА-400-1. //XXV радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов. Пущино, 1993,226-227.

2. Генералова ¡O.E., Горбачев И.В., Стоцкий A.A. Радиоголографические исследования на 64-метровом радиотелескопе в Калязине. //XXVI радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов. С.-Петербург, 1995, 377.

3. Генералова Ю.Е. Пакет программ Орион для обработки и моделирования радиоголографических измерений. //Сообщения ИПА РАН, 68, 1995.

4. Генералова Ю.Е., Горбачев И.В., Ильичев Е.А. Стоцкий A.A. Радиоголографическая юстировка 64-м радиотелескопа в Калязине. //XXVII радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов. С.Петербург, 1997,3,24-25.

5. Генералова Ю.Е., Горбачев И.В., Стоцкий A.A. Радиоголографические измерения на 64-метровом радиотелескопе ТНА-1500Ц в Калязине. Апрель 1997 г. Отчет. С.-Петербург, ИПА РАН, 1997.

6. Генералова Ю.Е. Математическая обработка и моделирование радиоголографических измерений полноповоротных антенн. //Труды ИПА РАН, Вып.2. Техника радиоинтерферометрии. С.Петербург, 1997,184-212.

7. Генералова Ю.Е., Горбачев И.В. Радиоголографическая система для юстировки больших радиотелескопов. Экспериментальные результаты. //Школа-семинар молодых радиоастрономов. Тезисы докладов. Пущино, АКЦ ФИАН, 1998.

8. Генералова Ю.Е., Горбачев Я.В., Стоцкий A.A. Радиоголографические измерения на 32-метровом радиотелескопе ТНА-400 в Светлом (февраль 1999 г.). Отчет РГ-99-1. С.-Петербург, ИПА РАН, 1999.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

КРУПНЫХ РАДИОТЕЛЕСКОПОВ

1 I Интегральные методы измерения антенных характеристик

12 Связь между распределением поля в апертуре антенны и ее диаграммой направленности

13 Радиоголографический метод диагностики отражающей поверхности радиотелескопа 37 1.3.1. Общие принципы радиоголографических измерений

1 3 2 Связь фазовых ошибок на апертуре с ошибками поверхности зеркала ■

1.3.3. Схемы измерений в радиоголографии

1.3.4. Основные соотношения и параметры измерительной системы ИПА РАН

Выводы

ГЛАВА 2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОЛЯ В РАСКРЫВЕ АНТЕННЫ

В РАДИОГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ИПА РАН

2 1 Особенности выделения изображения при расположении опорной антенны на главном зеркале

2.2 Погрешности радиоголографических измерений

2 3 Учет размеров опорной антенны

2 4 Влияние ограниченности области измерений

2 5 Выбор частоты отсчетов в радиоголограмме 65 Выводы 66 1 'ЛАВА 3. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ РАДИОГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ. МОДЕЛИРОВАНИЕ

3 1. Задачи обработки и моделирования

3.2. Результаты моделирования радиоголографических измерений

3 3. Подготовка сеанса измерений и расчет целеуказаний 3 4 Первичная обработка радиоголографических измерений и ошибки систем наведения и регистрации 3 5. Внесение поправки за смещение источника 3.5.1. Движение источника сигнала

3 5.2. Моделирование искажения ДН из-за движения источника сигнала

3 5.3. Алгоритм внесения поправки за смещение источника 3.6. Системы координат в радиоголографических измерениях.

Преобразование Фурье 3 7. Использование априорной информации 3 8. Крупномасштабная компонента фазовой ошибки в плоскости апертуры 3.9. Расчет поправок на котировочные винты элементов отражающей поверхности главного зеркала 3.9.1. Расчет координат котировочных винтов 3 9.2. Расчет поправок на котировочные винты Выводы

ГЛАВА 4. ПАКЕТ ПРОГРАММ "ОРИОН" ДЛЯ ОБРАБОТКИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 4.1 Общие характеристики пакета программ "Орион" 4.2. Программа-оболочка пакета "Орион"

4.2.1. Структура пакета программ "Орион"

4.2.2. Начальное меню

4.2.3. Меню "Моделирование радиоголографических измерений"

4.2 .4. Меню "Подготовка и обработка измерений"

4.2.5. Меню "Подготовка измерений"

4.2.6. Меню "Первичная обработка"

4.2.7. Меню "Преобразование Фурье и итерации" 135 4.2 8. Меню "Вторичная обработка измерений"

В ы воды

ГЛАВА 5. ОБРАБОТКА РАДИОГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

5.1. Радиоголографические измерения на радиотелескопе ТНАв г. Калязине

5.2. Радиоголографические измерения на радиотелескопе ТНА-400в обсерватории Светлое

5.2 Г Общая характеристика измерений

5 2 2 Фазовые распределения

5.2.3. Изменения формы зеркала и точность измерений

5.2.4. Крупномасштабная компонента фазовой ошибки

5.2.5. Амплитудное распределение на апертуре радиотелескопа

5 2 6. Диаграмма направленности по мощности

5.2.7 Работа системы наведения

Выводы.

Необходимым завершающим этапом создания любого радиотелескопа является его юстировка. Можно выделить две основные задачи процесса юстировки больших рефлекторных радиотелескопов: получение заданного профиля отражающей поверхности с требуемой точностью и настройка облучающей системы антенны. Вторая задача для двухзеркальных радиотелескопов означает установку в оптимальное положение облучателя и вторичного зеркала. В некоторых, случаях юстировку радиотелескопа в процессе его эксплуатации требуется периодически повторять с целью поддержания его в рабочем состоянии.

Общей тенденцией в современной радиоастрономии стало увеличение размеров радиотелескопов с одновременным уменьшением рабочих длин волн X, т.е. увеличение отношения D/X, где D - линейный размер раскрыва, в частности, для параболических рефлекторов, диаметр главного зеркала. Следствиями этого явились, во-первых, повышение требуемой абсолютной точности юстировки, что в свою очередь привело к усложнению процесса юстировки и повышению его трудоемкости, во-вторых, - переход от механических и геодезических методов юстировки к методам с применением радио- и оптических дальномеров, и радиофизическим (интегральным) методам (к ним можно отнести радиоголографические и амплитудные методы измерений).

Актуальность темы. Разработанные к настоящему времени механические, геодезические и оптико-механические методы определения качества отражающей поверхности позволяют производить измерение антенн больших размеров с относительной точностью порядка 1СГ4-1(Г5 (отношение точности измерений к размеру апертуры). Получение более высоких точностей этими методами связано с весьма большими затратами времени на измерения. Радиофизические методы определения профиля поверхности больших антенн позволяют достичь относительных точностей порядка 10~ь при высоком пространственном разрешении (до ОД м) за сравнительно небольшое время.

Радиоголография принадлежит к числу радиофизических методов антенных измерений и является на сегодняшний день одним из наиболее распространенных. Настоящая работа посвящена методам и алгоритмам обработки радиоголографических измерений больших полноповоротных радиотелескопов.

Следует отметить, что геодезические методы, а также методы измерений с применением радио- и оптических дальномеров являются точечными (дифференциальными) методами, т.е. позволяют измерить положение отдельных представительных точек поверхности, причем повышение пространственного разрешения связано с увеличением трудоемкости и большими затратами времени. В отличие от них, радиоголографический и ему подобные методы позволяют измерить форму непосредственно эффективной фокусирующей поверхности с достаточным пространственным разрешением (порядка нескольких точек на отражающую панель поверхности).

Другими важными достоинствами радиофизических методов юстировки радиотелескопов являются возможность практически полной автоматизации процесса измерений, а также близость этих измерений к основным режимам работы инструмента (наблюдениям). Кроме того, радиофизические методы юстировки позволяют измерить не только профиль отражающей поверхности, но и другие важные характеристики: смещение фокуса, амплитудное распределение поля в плоскости апертуры, кросс поляризационные характеристики антенны и др. Вследствие своей оперативности радиофизические методы позволяют также исследовать влияние температурных и гравитационных деформаций на параметры радиотелескопа. Так, проведение радиоголографических сеансов на различных углах места позволяет определить крупномасштабные деформации поверхности радиотелескопа и, в частности, осуществить проверку гомологичности зеркала. Обработка результатов радиоголографических измерений дает возможность получить информацию и о работе системы наведения. Таким образом, радиоголографическая система - это инструмент исследования больших антенн, который позволяет не просто скорректировать поверхность главного 1 зеркала, но и провести комплексное исследование радиотелескопа.

Необходимость разработки методики и программ для обработки радиоголографических измерений возникла в связи с созданием Институтом прикладной астрономии РАН радиоинтерферометрической сети "Квазар", включающей в себя три полноповоротных двухзеркальных антенны диаметром 32 метра с рабочим диапазоном длин волн 1,35-21 см. В ИПА РАН разработана измерительная система для радиоголографической юстировки больших полноповоротных антенн. Несмотря на то, что радиоголографический метод юстировки нашел широкое применение, создание радиоголографической системы потребовало разработки оригинального программного обеспечения. Это связано прежде всего с тем, что не существует универсального и доступного программного . обеспечения для обработки радиоголографических измерений, а также с особенностями разработанной измерительной системы.

Цель работы: развитие методов математической обработки радиоголографических измерений и создание эффективного программного обеспечения радиоголографической системы ИПА РАН, которое позволило бы проводить исследования и юстировку 32-метровых радиотелескопов ТНА-400-1 сети "Квазар" и других полноповоротных рефлекторных радиотелескопов.

Научная новизна работы:

1. Детально рассмотрен радиоголографический процесс восстановления распределения поля в плоскости апертуры антенны на основе измеренных комплексных диаграмм направленности (радиоголограмм) антенны и предложен алгоритм- полной обработки радиоголограмм. Алгоритм включает в себя первичную обработку измеренных данных, итерационные процедуры, учитывающие априорную информацию о характере амплитудно-фазового распределения поля в апертуре, процедуру разделения ошибок фокусировки и ошибок эффективной отражающей поверхности, расчет смещений элементов главного зеркала по данным фазовых ошибок на апертуре, статистическую обработку результатов измерений.

2. Построена математическая модель преобразований сигнала при радиоголографических измерениях, учитывающая особенности радиоголографической измерительной системы, созданной в ИЛА РАН. Модель использована для оптимизации параметров измерительной радиоголографической системы и анализа результатов измерений.

3. Предложен метод измерения и учета движения источника сигнала при радиоголографических измерениях по геостационарному ИСЗ.

4. Исследованы аппаратные эффекты, искажающие измеренную радиоголограмму (неравномерность движения антенны, сбои в системе наведения и регистрации) и предложены эффективные методы их устранения.

5. Разработанная методика экспериментально проверена на 32-метровом радиотелескопе в Светлом. Получены экспериментальные данные о фокусирующей системе радиотелескопа (качество эффективной отражающей поверхности, положение фокуса, влияние смещения вторичного зеркала, амплитудное распределение в плоскости апертуры).

Практическая ценность работы определяется применением разработанных методики и программ для исследования и юстировки радиоголографическим методом радиотелескопов сети "Квазар" и других пол н о поворота ы х антенн.

Результаты, выносимые на защиту

1. Методика обработки радиоголографических измерений, реализованная в виде пакета программ "Орион".

2. Методы коррекции экспериментальной радиоголограммы, учитывающие смещение источника сигнала, неравномерность движения антенны, сбои системы наведения и регистрации.

3. Метод разделения ошибок фокусировки и ошибок эффективной отражающей поверхности.

4. Методы расчета необходимых смещений элементов главного зеркала в точках крепления по данным фазовых ошибок на апертуре.

5. Математическая модель радиоголографического процесса, учитывающая особенности радиоголографической измерительной системы, созданной в ИПА РАН, и результаты математического моделирования.

6. Результаты экспериментальной проверки разработанной методики на радиотелескопе ТНА-400-1.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Она изложена на 180 страницах, включает 6 таблиц и 57 рисунков. Список литературы содержит 106 наименований.

Основные результаты выполненной автором работы можно сформулировать следующим образом.

Разработана единая методика обработки радиоголографических измерений, которая позволила быстро восстанавливать амплитудно-фазовое распределение поля в раскрыве из измеренной радиоголограммы.

В работе предложен метод измерения и учета движения источника сигнала при радиоголографических измерениях по геостационарному ИСЗ.

Исследованы аппаратные эффекты, искажающие измеренную радиоголограмму: неравномерность движения антенны, сбои в системе наведения и регистрации, и предложены эффективные методы их устранения.

Разработан метод разделения ошибок фокусировки и мелкомасштабных ошибок отражающей поверхности.

Предложены методы расчета необходимых смещений элементов главного зеркала в точках крепления по данным фазовых ошибок на апертуре.

Разработана методика и приведены результаты математического моделирования радиоголографического процесса, учитывающая особенности измерительной системы, созданной в ИПА РАН.

Все алгоритмы обработки и моделирования реализованы в виде пакета программ "Орион".

Разработанная методика и созданный на ее базе пакет программ "Орион" успешно опробованы на 64-метровом радиотелескопе ТНА-1500 в г. Калязине и 32-метровом радиотелескопе ТНА-400-1 сети "Квазар" в обсерватории Светлое.

В результате радиоголографических измерений на радиотелескопе ТНА-400-1 получена среднеквадратичная ошибка поверхности 1,20 ±0,19 мм. По результатам радиоголографических измерений на ТНА-400-1 была проведена корректировка поверхности главного зеркала, что привело к повышению ее точности: среднеквадратичная ошибка поверхности уменьшилась до величины 0,71 ±0,20 мм.

Получены также амплитудные распределения в плоскости апертуры. Измеренное усредненное распределение близко к расчетному и дает примерно такой же КИП. Это свидетельствует о том, что в среднем форма поверхности контррефлектора соответствует расчетной.

Анализ записей координат в радиоголографических сеансах измерений позволил получить полезную информацию о работе системы наведения радиотелескопа.

Разработанную методику обработки радиоголографических измерений, реализованную в пакете программ "Орион", планируется использовать при проведении антенных измерений и юстировочных работ на радиотелескопах сети "Квазар". Она может быть также применена на других крупных полноповоротных рефлекторных радиотелескопах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Кузьмин А.Л, Соломонович A.B. Радиоастрономические методы измерения параметров антенн. M.: Сов. радио, 1964.

2. Методы измерения характеристик СВЧ-антенн. Под ред. Цейтлина Н.М. М.: Радио и связь, 1985.

3. ХоджамухаммеОов И., Стоцкий A.A., Боровик В.Н. Автоколлимационный метод юстировки и контроля антенны переменного профиля. //Радиотехника и электроника, 1970, 15, N2, 257-262.

4. Стоцкий A.A., Ка.чихевич В.Н., Осина Т.Н., Пинчук В.А. Автоколлимационная юстировка и исследование стабильности радиотелескопа РАТАН-600. //Известия CAO, Астрофизические исследования, 25, Ленинград: Наука, 1987, 143-167.

5. Всепкгша H.A. Об одном методе измерения диаграмм направленности радиотелескопов с высокой разрешающей способностью. //ДАН СССР, 1957, 1 13, N1, 94-96.

6. Ченг Д. Испытание антенн сантиметрового диапазона при уменьшенных расстояниях. //Вопросы радиолокационной техники, 1957, N2, 82-88.

7. Захарьев Л.Н., Леманский A.A., Вурчин В.И., Цейтлин Н.М., Щеглов К.С. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. М:, Радио и связь, 1985.

8. Цейтлин Н.М. Применение методов радиоастрономии в антенной технике. М:, Сов. радио, 1966.

9. O.Baxpax Л.Д., Курочкин А.П. Голография в микроволновой технике. М:, Сов. радио, 1979.11.7урчин В.И., Цейтлин Н.М. Амплифазометрический метод антенных измерений: обзор. //Радиотехника и электроника, 1979, 24, N12, 2382-2413.

10. А.Турчъш В.И., Цейтлин Н.М. К вопросу об измерении диаграмм направленности в зоне Френеля. //ДАН СССР, 1972, 205, N4, 820-823.

11. Джонсон Р.К., Экер Х.А., Холлио Х.С. Определение диаграмм направленности антенн по результатам измерений в ближней зоне. //ТИИЭР, 1973, 61, N12, 5-37.

12. Геру ни Н.М. Автоматический комплекс аппаратуры для аттестации СВЧ антенн. В кн. Метрология и змерительная техника. М:, Стандарты, 1974, вып.9, 16-18.

13. Турчгш в.PL, Цейтлин Н.М., Чандаев А.К. Об измерении диаграммы направленности антенны по излучению источника в зоне Френеля припомощи голографии на СВЧ и обработки на ЭВМ. //Радиотехника и электроника, 1973, 18, N4, 725-734.

14. Ееруни П.М., Арутюнян Дж.С. Радиоголография и современные методы антенных измерений. В кн.: Радио- и акустическая голография. JI:, Наука, 1976, 85-98.

15. Прыг.хэм И.О., Морроу Р.Е. Быстрое преобразование Фурье. //ТИИЭР, 56, N10, 1968, 21-29.

16. Го/к) /)., Рейдер Ч. Цифровая обработка сигналов. М.: Сов. радио, 1973.2\.Рошаль А.С. Быстрое преобразование Фурье в вычислительной физике. //Изв. Вузов СССР, Радиофизика, 1976, 19, N10, 1425-1454.

17. Фельд Я.П., Вененсон Л.С. Антенны сантиметровых и дециметровых волн. М.: ВВИА им.Жуковского, 1955.

18. Векслер И.В., Калинин А.В., Короткое B.C., Турчин В.И. Измерения поляризационных и фазовых диаграмм направленности антенн и АФР корреляционным методом с использованием внеземных источников радиоизлучения. //Изв. Вузов СССР, Радиофизика, 1984, 27, N3.

19. Beimel J.С., Anderson A.P. Microwave holographic metrology of large reflector antennas. //Trans. IEEE, 1976, AP-24, N3, 295-303.

20. Napier P.J. Antenna-aperture distributions from holographic type of radiation pattern measurement. //IEEE Trans, on A. and P., 120, N1, January 1973.

21. Scot! P.P., Ryle M. A rapid method for measuring the figure of a radio telescope reflector. Monthly Not. of the Royal astr. Soc., 1977, 178, N3, 539-545.

22. Final report on X-band holographic tests on the DSS-15 34 metre antenna. Mmalloy House, England, Oct. 1988.

23. Final report on K-band and X-band holographic tests on the DSS-63 70 metre antenna. Mmalloy House, England, Sept. 1987.

24. Kesie.ven M.J., Wellington K.J. A holographic study of the Parkes 64 m reflector. //Proceedings of international workshop, Nizhniy Arkhyz, Sept. 10-13, 1990. Ленинград, Наука, 1991, 25-27.

25. James (/.( '., Poulion G.T. Successive projections and microwave holography of large reflector antennas. //Proceedings of international workshop, Nizhniy Arkhyz, Sept. 10-13, 1990. Ленинград, Наука, 1991, 93-95.

26. K4¡sell D.L. A method for the solution of the phase problem in electron microscopy. //J. Phys. D.,1973, 6, L6-L9.

27. Гуч)меи Длс. Введение в Фурье-оптику. М.: Мир, 1970.lA.Bopn А/., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970.

28. Rahmai-Samii Y. Microwave holographic metrology for antenna Diagnosis (review). //Proceedings of international workshop, Nizhniy Arkhyz, Sept. 10-13, 1990. Ленинград, Наука, 1991, 10-24.

29. Она R. Microwave holographic measurement of reflector surface accuracy. //HSA Journ., 1985, 9, 329-341.

30. Горбачев И. В. Радиоголографическая система для исследования и юстировки больших зеркальных антенн. //Труды ИПА РАН, Вып.2. Техника радиоинтерферометрии. С.-Петербург, 1997, 163-183.

31. Пипчук Г.А., Стоцкий A.A. Применение радиоголографии для исследования радиотелескопа РАТАН-600. //Астрофизические исследования. Изв. CAO, 1982, N16, 135-145.

32. Генералова Ю.Г., Горбачев И.В., Стоцкий A.A. Радиоголографические измерения на радиотелескопе ТНА-400-1 в Светлом. Февраль 1999 г. //С.Петербург. ИПА РАН, 1999 г.

33. С.иняиский В.11. Радиоголографический метод исследования и юстировки радиотелескопа РАТАН-600 на волне 8,8 мм. //Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. Ленинград, 1988.85 .¡\()мен Длс. Статистическая оптика. М.: Мир, 1988, 503.

34. Чернявский Г.М. Орбиты спутниковой связи. М.: Связь, 1978.87 .Гроньитейн И.И., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М.: Наука, 1986.

35. Лшкрофт )ж\, Элдридж Р., Полсон Р., Уилсон Г. Программирование на Фортране 77. М , Радио и связь, 1990.92.\'о/н) У., ГромхеО Э.Фортран и искусство программирования персональных ЭВМ. М„ Радио и связь, 1993.

36. Гартеньев О.В. Современный FORTRAN. М.: Диалог МИФИ, 1998.94 .Мик-Кракен Д, Лори У. Численные методы и программирование на Фортране. М., Мир, 1969.

37. Генералова Ю.Г., Горбачев И.В., Стоцкий A.A. Радиоголографические исследования на 64-метровом радиотелескопе в Калязине. //XXVI радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов. СПб, 1995, с.377.

38. Г jiioiik nil A.A. Генералова. Ю.Г., Горбачев И.В., Ильичев Е.А. Радиоголографическая юстировка 64-м радиотелескопа в Калязине. XXVII радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов. т.З, Спб, 1997, с.24-25.

39. Генералова Ю.Г., Горбачев И.В. Стоцкий A.A. Радиоголографические измерения на 64-метровом радиотелескопе ТНА-1500Ц в Калязине. Апрель 1997 г. //Отчет. С.-Петербург, И ПА РАН, 1997.

40. Генералова Ю.Г., Горбачев И.В., Стоцкий A.A. Радиоголографические исследования на 64-метровом радиотелескопе в Калязине. //XXVI радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов. СПб, 1995, с.377.

41. Кенаринов A.C. и др. Исследование ошибок щитов главного зеркала антенной системы ТНА-400-1 (РТФ-32) и оценка их влияния на параметры антенны. В кн.: Техника радиоинтерферометрии. //Труды ИПА. Вып.2. С.Петербург, 1997.

42. Акт о проведении юстировки отражающей поверхности контррефлектора РТФ-32 от 31 августа 1996 г. ИПА РАН.

43. Акт о проведении юстировки отражающей поверхности рефлектора РТФ-32 от 26 июля 1996 г. ИПА РАН.

44. Rahmat-Samii У. Microwave holography of large reflector antennas.-Simulation algorithms. IEEE Trans. A.P., 1983, 33, N11, 1194-1203.

45. Rahmai-Sanni Y. Surface diagnosis of large reflector antennas using microwave holographic metrology. An iterative approach. Radio Sci., 19, 5, 1205-1217, Sept.-Oct., 1984.