本發(fā)明涉及射電望遠鏡焦距修正方法，尤其涉及一種射電望遠鏡焦距快速修正方法。

背景技術：

天文觀測時，受溫度、重力、天氣等時變因素的影響，射電望遠鏡的副反射面軸向位置會發(fā)生變化，引起焦距發(fā)生變化，導致射電望遠鏡的電性能下降，在高頻觀測時，性能下降愈加明顯，會極大降低觀測效率。為此本發(fā)明提出一種射電望遠鏡焦距快速修正方法，快速修正射電望遠鏡焦距，提高觀測效率。

現(xiàn)有技術中，公開號為CN101771188A，公開日為2010年7月7號，名稱為“射電望遠鏡的副面自適應調(diào)焦方法”的中國專利文獻公開了一種修正射電望遠鏡焦距的方法。然而，該方法主要針對溫度因素產(chǎn)生的焦距變化，沒有考慮其它時變因素對焦距變化的影響，并且該方法需要安裝大量的溫度傳感器，成本較高；此外，文獻《TM65m射電望遠鏡副面隨動模型及性能評估》(中國科學:物理學力學天文學)還提出一種修正射電望遠鏡焦距的方法。然而，該方法僅針對重力因素產(chǎn)生的焦距變化，并且該方法在方位和俯仰坐標系下進行掃描，導致在高仰角上時方位運行速度過快，從而影響焦距誤差計算，并且不支持快速調(diào)整。

為解決上述技術存在的問題，期望獲得一種射電望遠鏡焦距快速修正方法，以對射電望遠鏡焦距進行快速修正，同時克服以上缺點。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種射電望遠鏡焦距快速修正方法，該射電望遠鏡焦距快速修正方法可對射電望遠鏡焦距進行快速修正。

根據(jù)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出了一種射電望遠鏡焦距快速修正方法，其包括以下步驟：

控制射電望遠鏡對一射電源在赤經(jīng)方向或赤緯方向掃描N次，每次掃描時射電望遠鏡的副反射面置于不同的軸向位置上，以獲取N組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)或赤緯掃描數(shù)據(jù)，其中每組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)包括在赤經(jīng)方向掃描下的赤經(jīng)數(shù)據(jù)及其相應的射電源功率數(shù)據(jù)，每組赤緯掃描數(shù)據(jù)包括在赤緯方向掃描下的赤緯數(shù)據(jù)及其相應的射電源功率數(shù)據(jù)；

基于線性函數(shù)和高斯函數(shù)構建用于描述所述N組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)或赤緯掃描數(shù)據(jù)的第一參數(shù)化模型其中，x₁為所述赤經(jīng)數(shù)據(jù)或赤緯數(shù)據(jù)，y₁為x₁對應的射電源功率數(shù)據(jù)，參數(shù)k為基線斜率，參數(shù)b為基線常數(shù)，參數(shù)a為高斯函數(shù)幅度，參數(shù)m為赤經(jīng)方向或赤緯方向的指向誤差，參數(shù)n為高斯函數(shù)半功率波束寬度；

將所述N組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)或赤緯掃描數(shù)據(jù)代入所述第一參數(shù)化模型，并指定k、b、a、n以及m的初值；分別采用最小二乘擬合算法計算得到所述N次掃描分別對應的a的數(shù)值；

基于二次多項式構建第二參數(shù)化模型y₂＝u×(x₂-v)²+w，其中，x₂為所述N次掃描分別對應的軸向位置，y₂為所述N次掃描分別對應的a的數(shù)值，u為射電望遠鏡副反射面共焦時測量的射電源功率數(shù)據(jù)的高斯函數(shù)幅度值，v為焦距偏差量，w為所述N組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)或赤緯掃描數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)基線；

將所述N次掃描分別對應的a的數(shù)值代入所述第二參數(shù)化模型，并指定u、v以及w的初值，再采用最小二乘擬合算法計算得到焦距偏差量v的數(shù)值；

基于所述焦距偏差量v調(diào)整所述副反射面的軸向位置，以快速修正射電望遠鏡的焦距。

本發(fā)明所述的射電望遠鏡焦距快速修正方法，其可用于射電望遠鏡焦距的快速修正。本發(fā)明通過在N個不同軸向位置上獲取相應的N組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)或赤緯掃描數(shù)據(jù)，再通過所述第一參數(shù)化模型基于最小二乘擬合算法求取對應的N個高斯函數(shù)幅度值，然后將該N個高斯函數(shù)幅度值代入所述第二參數(shù)化模型基于最小二乘擬合算法求取焦距偏差量，從而基于該焦距偏差量調(diào)整所述副反射面的軸向位置，以快速修正射電望遠鏡的焦距。

進一步地，本發(fā)明所述的射電望遠鏡焦距快速修正方法中，在獲取所述N組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)或赤緯掃描數(shù)據(jù)之后還對其進行數(shù)據(jù)預處理。

上述方案中，通過數(shù)據(jù)預處理，可以提高最終求取的焦距偏差量的準確度和精確度。

更進一步地，上述射電望遠鏡焦距快速修正方法中，所述數(shù)據(jù)預處理包括去背景、定標、校準、插值中的一種或多種處理。

進一步地，本發(fā)明所述的射電望遠鏡焦距快速修正方法中，參數(shù)n采用估計的半功率波束寬度，其計算方法如下式：

其中，λ為所述射電源的波長，D為所述射電望遠鏡的直徑。

進一步地，本發(fā)明所述的射電望遠鏡焦距快速修正方法中，N的取值范圍為至少5。

更進一步地，上述射電望遠鏡焦距快速修正方法中，N的取值范圍為奇數(shù)。

優(yōu)選地，上述射電望遠鏡焦距快速修正方法中，N的取值范圍不超過7。

上述方案中，N為掃描次數(shù)，至少5次，可以是多于5次的奇數(shù)次，最多7次，掃描次數(shù)越多所需的測量時間越長。

進一步地，本發(fā)明所述或上述的射電望遠鏡焦距快速修正方法中，N取值5，所述N次掃描分別對應的軸向位置分別為-10mm、-5mm、0mm、+5mm以及10mm。

更進一步地，上述射電望遠鏡焦距快速修正方法中，所述赤經(jīng)方向或赤緯方向上的掃描長度為300角秒，掃描速度為10角秒/秒。

上述方案中，可以同時考慮掃描長度和掃描速度，掃描速度不宜過快，也不宜過慢。

本發(fā)明所述的射電望遠鏡焦距快速修正方法具有以下優(yōu)點和有益效果：

(1)可實現(xiàn)焦距快速修正。

(2)成本低。

(3)可修正各種動態(tài)因素引起的焦距變化。

(4)由于赤經(jīng)和赤緯構成的天球坐標系與射電望遠鏡方位和俯仰的地平坐標系存在一個旋轉角度，因此在赤經(jīng)和赤緯方向的掃描可以解決在方位和俯仰坐標系下的高仰角掃描時，方位運行速度過快問題，提高射電望遠鏡在高俯仰角上的焦距修正精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的射電望遠鏡焦距快速修正方法在一種實施方式下的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的射電望遠鏡焦距快速修正方法在一種實施方式下的修正焦距前的分別對應五次掃描的五個高斯函數(shù)幅度示意圖。

圖3為本發(fā)明所述的射電望遠鏡焦距快速修正方法在一種實施方式下的修正焦距后的分別對應五次掃描的五個高斯函數(shù)幅度示意圖。

具體實施方式

下面將結合說明書附圖和具體的實施例對本發(fā)明所述的射電望遠鏡焦距快速修正方法做進一步的詳細說明。

圖1示意了本發(fā)明所述的射電望遠鏡焦距快速修正方法在一種實施方式下的流程。圖2示意了本發(fā)明所述的射電望遠鏡焦距快速修正方法在一種實施方式下的修正焦距前的分別對應五次掃描的五個高斯函數(shù)幅度，其中，橫坐標Sub-surface Z/mm表示副反射面軸向位置，單位毫米，縱坐標Ta/K表示射電源功率數(shù)據(jù)，單位開爾文。圖3示意了本發(fā)明所述的射電望遠鏡焦距快速修正方法在一種實施方式下的修正焦距后的分別對應五次掃描的五個高斯函數(shù)幅度，其中，橫坐標Sub-surface Z/mm表示副反射面軸向位置，單位毫米，縱坐標Ta/K表示射電源功率數(shù)據(jù)，單位開爾文。

如圖1所示，結合參考圖2-圖3，該實施方式下的射電望遠鏡焦距快速修正方法包括以下步驟：

步驟110：實施該步驟需要準備Ku波段接收機以及連續(xù)譜天文終端(通常射電望遠鏡均配備高性能Ku波段接收機和連續(xù)譜終端)。為消除接收機的增益波動和系統(tǒng)溫度變化，該步驟中的Ku波段接收機具備周期性定標信號注入功能。選擇流量強(大于3央斯基)、致密的連續(xù)譜點源作為射電源，在天氣晴好的條件下，開啟Ku波段接收機的周期性定標信號，控制射電望遠鏡對一射電源在赤經(jīng)方向進行一次掃描觀測并記錄掃描的赤經(jīng)數(shù)據(jù)，同時采用Ku波段接收機接收掃描到的射電信號，并由天文終端記錄射電信號的功率值，這樣就獲取了五組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)，其中每組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)包括在赤經(jīng)方向掃描下的赤經(jīng)數(shù)據(jù)及其相應的射電源功率數(shù)據(jù)。該步驟中，赤經(jīng)方向上的掃描長度為300角秒，掃描速度為10角秒/秒，連續(xù)譜終端積分時間為0.2秒，上述掃描過程共進行五次，每次掃描時副反射面分別位于-10mm、-5mm、0mm、+5mm、10mm的軸向位置(該軸向位置具有對稱性)上，掃描全部完成需約3分鐘。該步驟中的觀測頻率為16GHz，觀測帶寬為500MHz。

步驟120：在獲取五組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)后，分別對該五組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理，該數(shù)據(jù)預處理包括去背景、定標、校準以及插值處理等。

步驟130：基于線性函數(shù)和高斯函數(shù)構建用于描述上述五組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)的第一參數(shù)化模型其中，x₁為赤經(jīng)數(shù)據(jù)，y₁為x₁對應的射電源功率數(shù)據(jù)，參數(shù)k為基線斜率，參數(shù)b為基線常數(shù)，參數(shù)a為高斯函數(shù)幅度，參數(shù)m為赤經(jīng)方向的指向誤差，參數(shù)n為高斯函數(shù)半功率波束寬度；將上述五組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)代入上述第一參數(shù)化模型，并指定k、b、a、n以及m的初值；對五組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)分別采用最小二乘擬合算法計算得到五次掃描分別對應的a的數(shù)值；

該步驟中，k的初值為1，b的初值為0，a的初值為對應的射電源功率數(shù)據(jù)的最大值，m的初值為0，n的初值采用估計的半功率波束寬度，其計算方法如下式：

其中，λ為所述射電源的波長，D為所述射電望遠鏡的直徑。

理想情況下，由于所述軸向位置具有對稱性，相應的高斯函數(shù)幅度a也應該具有對稱性。但從圖2可以看出，由于射電望遠鏡焦距存在誤差，導致高斯函數(shù)幅度a(圖中的五個點)存在不對稱性。

步驟140：基于二次多項式構建第二參數(shù)化模型y₂＝u×(x₂-v)²+w，其中，x₂為上述五次掃描分別對應的軸向位置，y₂為上述五次掃描分別對應的a的數(shù)值，u為射電望遠鏡副反射面共焦時測量的射電源功率數(shù)據(jù)的高斯函數(shù)幅度值，v為焦距偏差量，w為上述五組赤經(jīng)掃描數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)基線；

將上述五次掃描分別對應的a的數(shù)值代入上述第二參數(shù)化模型，并指定u、v以及w的初值，再采用最小二乘擬合算法計算得到焦距偏差量v的數(shù)值；

該步驟中，u的初值為五次掃描對應的a數(shù)值的最大值，v的初值為0，w的初值為0。

基于上述焦距偏差量v調(diào)整上述副反射面的軸向位置，以快速修正射電望遠鏡的焦距。焦距修正時間的總耗時約為3分鐘。

至此上述實施方式下的射電望遠鏡焦距快速修正方法的步驟結束。在上述步驟完成后，控制射電望遠鏡重復步驟110-步驟130，以檢驗焦距調(diào)整效果。從圖3可以看出，修正焦距后的高斯函數(shù)幅度a(圖中的五個點)存在對稱性，表明射電望遠鏡焦距已得到修正。

本發(fā)明的另一種實施方式可以是在上述實施方式的基礎上，將方案中的“赤經(jīng)”替換為“赤緯”，其它內(nèi)容保持一致。

要注意的是，以上列舉的僅為本發(fā)明的具體實施例，顯然本發(fā)明不限于以上實施例，隨之有著許多的類似變化。本領域的技術人員如果從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。