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天线系统

一. 天线系统简介

  新疆25米射电望远镜建成于1993年12月并投入使用,2005年5月对天线主面板进行了全息法测量,并对面板精度进行了调整,2005年9月对天线伺服控制系统进行了改造升级。

  南山站25米射电望远镜是国际、国内VLBI网的重要组成单元。射电望远镜通常要求具有尽可能高的角分辨率、以便研究射电源的精细结构,此外,作为射电望远镜天线系统还具有大口径、多频段、宽频带、低噪声、高效率、低旁瓣、指向跟踪精度高以及工作范围大等一系列非常高的性能特点。天线系统的主要任务就是在计算机的控制下准确对准所要观测的射电源(目标源),接收它发出的极其微弱的电磁信号。天线系统的主要用途是用来实现天文观测。

二. 天线系统组成

  25米射电望远镜天线系统由天线机械结构、天线馈电分系统、轴角编码分系统和天线伺服分系统组成。

  1) 天线机械结构

  天线机械结构由主反射面、副反射面、中心体、背架结构、副面支撑及其调整机构、天线座架结构、换馈机构、轨道等组成。

  25米射电望远镜天线机械结构,采用修正型卡塞格伦天线和全向可控的中心体对称方位——俯仰型轮轨式天线座。

  2) 天线馈电分系统

  25米射电望远镜天线系统高频段和低频段采用不同的馈电方式,高频段有1.3cm、3.6cm/13cm、6cm、18cm共5个波段,由四个圆锥波纹喇叭、变极化网络等部件组成,采用卡焦馈电,自动换馈;低频段有49cm和92cm两个波段,馈源采用交叉振子型式,主焦馈电,人工换馈。

  利用翻转副面来实现卡焦和主焦馈电的转换。

  3) 轴角编码分系统

  轴角编码分系统由轴角编码器和激光位置传感器等组成。

  轴角编码器实时完成天线轴位到数字编码输出,通过通讯板卡反馈给天线控制计算机,进行实时位置的比较和显示。

  激光位置传感器是换馈伺服系统测量馈源实际位置的装置。由激光测距仪测出位移增量送到换馈伺服控制系统,进行馈源位置的闭环控制。

  4) 天线伺服分系统

  天线伺服分系统包括天线控制系统和换馈控制系统。

  天线控制系统主要功能是接受天线控制计算机给出的天线位置控制指令,驱动天线使它精确地指向所要观测的射电源。

  天线伺服控制系统的主环路采用三环制,即电流环、速度环和位置环。其框图如图1.2-1:

1.2-1  天线伺服控制方框图 

    天线伺服系统采用SCR双直流电机电消隙驱动II型系统控制,由速度环、电流环组成了双闭环控制。天线方位和俯仰均使用2台稀土永磁直流电机(178SYXC)驱动,每台电机额定功率为12KW。每个直流电机及其功率放大部分构成一个独立的电流环,便于双电机的力矩均分,从而实现电消隙。调速系统作为伺服位置调节的内环,必须具有良好的动态性能。天线驱动单元(ADU)除了接收天线控制单元(ACU)的控制指令外,其本身具有独立的速度操控功能和完善的控制保护逻辑,同时系统本身具有完善的状态、故障检测并通过接口板与ACU进行通讯。

  换馈控制系统完成不同频段接收机切换的控制系统,它采用单直流马达驱动直流控制系统,主要包含了驱动柜、控制计算机、直流电机、激光位置测距仪和各限位保护装置。控制单元内部包含数字位置控制环路,它采集来自驱动单元的工作状态并根据跟踪和控制算法产生位置控制指令,并与安装在馈源轴上的位置传感器(激光测距仪)检测到的馈源实际位置进行比较,比较后产生的误差信号经过数字调节器校正后经D/A向驱动单元发送速度命令信号,控制馈源上下移动。

  5) 系统工作原理

  主控计算机(上位机)把射电源的赤道坐标(赤经、赤纬)转换成地平坐标(A、H)送给天线控制计算机(下位机),控制计算机按实时钟信号对主控计算机给的指令信号进行实时插值,得到要跟踪的射电源的实时指令位置并与来自轴角编码器的天线实际位置进行比较,得到数字误差信号,经数字放大校正后送入驱动系统使天线运转。从而使天线波束在任何时候都能准确的跟踪射电源运动,始终天线以波束最大值对准射电源,使接收的信号保持最大值。

三. 天线主要性能指标

  天线型式:修正型卡塞格伦天线

  天线座架:轮轨式方位——俯仰座架

  主 面:直径25米,精度≤0.40mm(rms)

  副 面:直径3米,精度≤0.25mm(rms)

  指向精度:≤15〃

  工作范围:方位±270°(相对正南) ,俯仰5°—88°(相对水平)

  最大旋转速度及加速度:方位1。/s ;0.5。/s2

  俯仰0.5。/s ;0.25。/s2

  保精度旋转速度及加速度:方位(0.001-0.12)。/s ;0.01。/s2

  俯仰(0.001-0.06)。/s ;0.01。/s2

  结构谐振频率:方位 2.5Hz, 俯仰 2.5Hz

 

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