基于无人机平台的射电望远镜方向图测量系统研究
发布时间：2021-03-01 03:06
方向图是射电望远镜的重要性能参数。针对传统射电天文源测量方向图中信号源强度和频段有限等局限,本文开发了基于无人机平台的射电望远镜方向图测量系统,并对天籁射电望远镜开展了实验分析研究。从射电天文源测量原理出发,研究了基于无人机平台的方向图测量原理和方法,分析了电磁兼容、无人机位姿高精度测量、位姿测量数据与接收数据匹配等关键技术问题,并设计了测量系统总体方案。硬件系统由无人机平台、机载信号发射系统、无人机位姿测量系统和接收机系统组成,软件系统包含无人机位姿测量软件、轨迹规划软件及测量数据处理软件。根据天籁射电望远镜馈源极化方式,设计并制作了极化匹配的半波振子机载发射天线;通过链路分析计算,结合天籁射电望远镜接收机动态范围,设计了由信号源、滤波器、衰减器等组成的信号发射前端;二次开发了无人机平台的位姿数据采集系统,解决了位姿测量数据与信号接收数据的匹配问题;开发了无人机飞行轨迹规划和方向图测量数据处理系统;开展了方向图测量系统的电磁兼容分析与实验。结果表明所设计与开发的测量系统满足射电望远镜方向图测量需求。应用电磁场仿真软件CST,分别开展了天籁射电望远镜接收馈源、单架射电望远镜及阵列环境下...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国内外
杭州电子科技大学硕士学位论文2图1.2归一化方向图射电望远镜的其他特性参数如半功率波束宽度、波束范围、增益等都可以从完整的方向图中导出，因此方向图是辐射特性中最基本、最重要的性能参数。数值分析计算、软件仿真只是方向图的理论模拟，其结果只能作为射电望远镜实际工作性能的参考。由于射电望远镜安装误差、射电望远镜结构变形、工作现场环境反射等原因[4]，仿真结果与实际性能难免存在差异。因此，只有在射电望远镜工作现场进行测量，才能得到实际方向图参数，确定射电望远镜观测性能，为后续射电望远镜的改进与优化提供依据。常规测量方法中，微波暗室难以针对工作现场的射电望远镜进行测量；搭建天线测试场则受到射电望远镜周边地理环境限制，且存在工程复杂、造价昂贵等问题。目前，应用最广泛的方法是利用人造卫星或者宇宙中的射电天文源，借助卫星或天文源发射的信号进行方向图测量。但由于人造卫星信号频段较窄，射电天文源分布不均，其数量和信号强度有限，只能作为部分射电望远镜的测量信号源。针对新疆“天籁计划”中的碟形射电望远镜，缺少符合测量要求的人造卫星；同时，由于天籁碟形射电望远镜口径较小，也难以找到信号频段与强度都合适的射电天文源。因此，天籁碟形射电望远镜无法采用上述常规方法进行方向图测量。近年来无人机技术发展迅速，市面上已经出现了各类中小型无人机。用户通过轨迹规划功能创建飞行任务，可以自定义无人机的飞行路线和飞行状态。利用无人机搭载人工信号源代替射电天文源，并控制无人机沿预定轨迹扫描待测射电望远镜，可以实现待测射电望远镜的远场方向图测量。本文研究基于无人机平台的射电望远镜方向图测量系统，用于解决目前天籁碟形射电望远镜难以采用常规方法测量方向图的问题，同时也为?
杭州电子科技大学硕士学位论文3科学解释。为探测暗物质与暗能量，中国科学院国家天文台提出了“天籁”观测计划：通过射电天文方法对宇宙中性氢辐射的21cm信号巡天观测，结合重子声波震荡方法，获得物质的大尺度结构分布，间接探测暗能量[5]。2016年，天籁计划先导射电望远镜阵列施工完毕并投入使用，观测站位于中国新疆大红柳峡乡，坐标为北纬44.152683，东经91.806867。图1.3为天籁计划观测站的射电望远镜阵列，其中左侧为3组东西宽15m，南北长40m的抛物柱面阵列，右侧为16架呈同心圆分布的6m口径碟形阵列。图1.3天籁计划观测站天籁射电望远镜阵列设计工作频段为400MHz~1400MHz，对应于红移范围0~3的21cm信号。根据当前观测要求，目前射电望远镜观测频段为700MHz~800MHz，对应于0.78~1.03的红移范围[6]。由于射电天文源在天区的不均匀分布，目前缺少能够测出碟形射电望远镜方向图的合适射电源。因此，本文针对6m口径的天籁碟形射电望远镜开展方向图测量系统研究。1.3国内外研究现状1.3.1射电望远镜方向图测量研究现状天线测量最早出现于1905年，发展至今已经产生了许多成熟的理论和方法。完整的天线方向图包含了方向性、增益、相位等辐射特性[7]，因此通常把方向图作为天线最重要的测量参数。根据待测天线在测量中是否转动，天线测量分为旋转天线法和固定天线法，后者主要适用于大中型天线或固定天线等不方便转动的天线[8]；根据测试场地不同，天线测量又可分为近场测量[9-11]、紧缩场测量[12,13]、室内远场测量[14-17]和室外远场测量[18]等，天线测量的典型仪器设备如图1.4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]天线阵方向图无人机测试系统研究[J]. 索炜,宋旸. 宇航计测技术. 2018(01)
[2]TM65 m射电望远镜Ku、K、Ka和Q频段天线性能测量[J]. 王锦清,虞林峰,蒋甬斌,赵融冰,孙正雄,李斌,仲伟业,董健,MICHAEL Kesteven,夏博,左秀婷,苟伟,郭文,陆雪江,刘庆会,范庆元,蒋栋荣,钱志瀚. 天文学报. 2017(04)
[3]500米口径球面射电望远镜工程[J]. 科学. 2016(04)
[4]大口径反射面天线技术综述[J]. 杜彪,伍洋,张一凡,刘国玺. 无线电通信技术. 2016(01)
[5]雷达目标特性的毫米波紧缩场测量方法[J]. 张乐锋,吴建辉,胡卫东. 系统工程与电子技术. 2014(07)
[6]天线室外远场测试系统改造与升级[J]. 安少赓,韩烽,陈林,李国庆,邹东屹. 安全与电磁兼容. 2012(05)
[7]射电阵列天线和接收机性能综合测试方法[J]. 姬国枢,王威,刘东浩,李沙. 天文研究与技术. 2012(04)
[8]厘米—分米波射电日像仪天线阵基线测量[J]. 刘东浩,颜毅华,李沙,王威. 天文研究与技术. 2013(02)
[9]暗能量的射电探测——天籁计划简介[J]. 陈学雷. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(12)
[10]利用仙后座A测量16m天线G/T值及误差分析[J]. 王小强,秦顺友. 无线电工程. 2009(11)
博士论文
[1]大射电望远镜指向误差建模分析与设计研究[D]. 赵彦.西安电子科技大学 2008
硕士论文
[1]基于无人机平台的天线测量系统设计与实验研究[D]. 双巧玲.杭州电子科技大学 2019
[2]天线近远场变换算法及相关技术研究[D]. 韩香子.中国科学技术大学 2016
[3]天线远场测量系统的分析与研究[D]. 王思昊.西安电子科技大学 2014
[4]天线远场测量系统的设计与分析[D]. 刘龙.西安电子科技大学 2014
[5]暗能量探测专用宽带馈源研制[D]. 刘涛.杭州电子科技大学 2014
[6]天线远场测量系统的研究[D]. 丁恒.北京交通大学 2013
[7]基于太阳噪声的雷达天线测量方法研究[D]. 徐鹏.哈尔滨工业大学 2013
[8]天线远场自动测量系统的开发与应用[D]. 李晶晶.苏州大学 2012
[9]天线近远场测量及应用[D]. 欧杰.西安电子科技大学 2011
[10]等高场与地面反射场组合式天线测试场设计[D]. 张译芡.上海交通大学 2011
本文编号：3056872
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国内外
杭州电子科技大学硕士学位论文2图1.2归一化方向图射电望远镜的其他特性参数如半功率波束宽度、波束范围、增益等都可以从完整的方向图中导出，因此方向图是辐射特性中最基本、最重要的性能参数。数值分析计算、软件仿真只是方向图的理论模拟，其结果只能作为射电望远镜实际工作性能的参考。由于射电望远镜安装误差、射电望远镜结构变形、工作现场环境反射等原因[4]，仿真结果与实际性能难免存在差异。因此，只有在射电望远镜工作现场进行测量，才能得到实际方向图参数，确定射电望远镜观测性能，为后续射电望远镜的改进与优化提供依据。常规测量方法中，微波暗室难以针对工作现场的射电望远镜进行测量；搭建天线测试场则受到射电望远镜周边地理环境限制，且存在工程复杂、造价昂贵等问题。目前，应用最广泛的方法是利用人造卫星或者宇宙中的射电天文源，借助卫星或天文源发射的信号进行方向图测量。但由于人造卫星信号频段较窄，射电天文源分布不均，其数量和信号强度有限，只能作为部分射电望远镜的测量信号源。针对新疆“天籁计划”中的碟形射电望远镜，缺少符合测量要求的人造卫星；同时，由于天籁碟形射电望远镜口径较小，也难以找到信号频段与强度都合适的射电天文源。因此，天籁碟形射电望远镜无法采用上述常规方法进行方向图测量。近年来无人机技术发展迅速，市面上已经出现了各类中小型无人机。用户通过轨迹规划功能创建飞行任务，可以自定义无人机的飞行路线和飞行状态。利用无人机搭载人工信号源代替射电天文源，并控制无人机沿预定轨迹扫描待测射电望远镜，可以实现待测射电望远镜的远场方向图测量。本文研究基于无人机平台的射电望远镜方向图测量系统，用于解决目前天籁碟形射电望远镜难以采用常规方法测量方向图的问题，同时也为?
杭州电子科技大学硕士学位论文3科学解释。为探测暗物质与暗能量，中国科学院国家天文台提出了“天籁”观测计划：通过射电天文方法对宇宙中性氢辐射的21cm信号巡天观测，结合重子声波震荡方法，获得物质的大尺度结构分布，间接探测暗能量[5]。2016年，天籁计划先导射电望远镜阵列施工完毕并投入使用，观测站位于中国新疆大红柳峡乡，坐标为北纬44.152683，东经91.806867。图1.3为天籁计划观测站的射电望远镜阵列，其中左侧为3组东西宽15m，南北长40m的抛物柱面阵列，右侧为16架呈同心圆分布的6m口径碟形阵列。图1.3天籁计划观测站天籁射电望远镜阵列设计工作频段为400MHz~1400MHz，对应于红移范围0~3的21cm信号。根据当前观测要求，目前射电望远镜观测频段为700MHz~800MHz，对应于0.78~1.03的红移范围[6]。由于射电天文源在天区的不均匀分布，目前缺少能够测出碟形射电望远镜方向图的合适射电源。因此，本文针对6m口径的天籁碟形射电望远镜开展方向图测量系统研究。1.3国内外研究现状1.3.1射电望远镜方向图测量研究现状天线测量最早出现于1905年，发展至今已经产生了许多成熟的理论和方法。完整的天线方向图包含了方向性、增益、相位等辐射特性[7]，因此通常把方向图作为天线最重要的测量参数。根据待测天线在测量中是否转动，天线测量分为旋转天线法和固定天线法，后者主要适用于大中型天线或固定天线等不方便转动的天线[8]；根据测试场地不同，天线测量又可分为近场测量[9-11]、紧缩场测量[12,13]、室内远场测量[14-17]和室外远场测量[18]等，天线测量的典型仪器设备如图1.4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]天线阵方向图无人机测试系统研究[J]. 索炜,宋旸. 宇航计测技术. 2018(01)
[2]TM65 m射电望远镜Ku、K、Ka和Q频段天线性能测量[J]. 王锦清,虞林峰,蒋甬斌,赵融冰,孙正雄,李斌,仲伟业,董健,MICHAEL Kesteven,夏博,左秀婷,苟伟,郭文,陆雪江,刘庆会,范庆元,蒋栋荣,钱志瀚. 天文学报. 2017(04)
[3]500米口径球面射电望远镜工程[J]. 科学. 2016(04)
[4]大口径反射面天线技术综述[J]. 杜彪,伍洋,张一凡,刘国玺. 无线电通信技术. 2016(01)
[5]雷达目标特性的毫米波紧缩场测量方法[J]. 张乐锋,吴建辉,胡卫东. 系统工程与电子技术. 2014(07)
[6]天线室外远场测试系统改造与升级[J]. 安少赓,韩烽,陈林,李国庆,邹东屹. 安全与电磁兼容. 2012(05)
[7]射电阵列天线和接收机性能综合测试方法[J]. 姬国枢,王威,刘东浩,李沙. 天文研究与技术. 2012(04)
[8]厘米—分米波射电日像仪天线阵基线测量[J]. 刘东浩,颜毅华,李沙,王威. 天文研究与技术. 2013(02)
[9]暗能量的射电探测——天籁计划简介[J]. 陈学雷. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(12)
[10]利用仙后座A测量16m天线G/T值及误差分析[J]. 王小强,秦顺友. 无线电工程. 2009(11)
博士论文
[1]大射电望远镜指向误差建模分析与设计研究[D]. 赵彦.西安电子科技大学 2008
硕士论文
[1]基于无人机平台的天线测量系统设计与实验研究[D]. 双巧玲.杭州电子科技大学 2019
[2]天线近远场变换算法及相关技术研究[D]. 韩香子.中国科学技术大学 2016
[3]天线远场测量系统的分析与研究[D]. 王思昊.西安电子科技大学 2014
[4]天线远场测量系统的设计与分析[D]. 刘龙.西安电子科技大学 2014
[5]暗能量探测专用宽带馈源研制[D]. 刘涛.杭州电子科技大学 2014
[6]天线远场测量系统的研究[D]. 丁恒.北京交通大学 2013
[7]基于太阳噪声的雷达天线测量方法研究[D]. 徐鹏.哈尔滨工业大学 2013
[8]天线远场自动测量系统的开发与应用[D]. 李晶晶.苏州大学 2012
[9]天线近远场测量及应用[D]. 欧杰.西安电子科技大学 2011
[10]等高场与地面反射场组合式天线测试场设计[D]. 张译芡.上海交通大学 2011
本文编号：3056872
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