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日像仪天线阵系统设计研究

王书振  
【摘要】:本文紧密围绕由国家天文台首席研究员颜毅华教授负责的国家重点基础研究项目《厘米-分米波高分辨频谱日像仪》的研制展开。日像仪是一个对太阳进行射电成像的大规模天线阵系统,其成功研制将填补目前国际上分米波段高分辨率太阳射电成像观测的空白,在国内属于首创,在国际上也具有绝对竞争力。因此,本文所述工作均具有开创意义,我对能够成为项目组一员而深感自豪。 论文根据日像仪的工作原理,综合运用了制造系统工程、虚拟设计方法、计算机仿真、拓扑优化设计、误差分析、数值分析方法和图像恢复等多学科协同交叉研究方法,集中研究了天线阵系统的设计,具体包括天线阵单元天线设计、天线阵拓扑优化设计、天线阵定标和误差校准以及日像仪成像性能仿真(在探究日像仪成像性能的同时,也用以检验天线阵拓扑结构的优劣)等内容。 本文创造性的工作主要有: (1)在天线阵的单元天线设计中,明确了日像仪天线阵单元天线的性能指标;确定了马蹄式结构的座架型式;提出了闭式蜗轮加螺旋推杆结构的传动方案;采用虚拟设计方法对单元天线的机械结构进行了详细设计,其中首次使用了双壳背架结构方案;并对反射体做了结构变形分析和动力学分析。 (2)在天线阵的拓扑优化设计中,综合考虑地形限制、性能指标和施工难度,本文研制的日像仪拟建成“螺旋型”轮廓的天线阵。Boone的压力算法只能得到不规则的天线阵拓扑,通过对压力算法改进,本文提出的加速压力算法不但可以得到满足要求的天线阵拓扑结构,而且有更好的优化结果和更高的计算效率。利用此算法所获得的天线阵拓扑方向图在工作频率为1GHz时,自然加权下的最高分辨率为20.5角秒,最大旁瓣为0.15,此性能明显优于标准螺旋阵。 (3)在天线阵的误差校准部分,自校准是保证精确定标的关键过程,其中主要涉及复可见度函数逼近模型的建立和求解问题。针对最小二乘逼近模型处理粗差数据并不理想的现状,假定各种误差服从高斯分布,建立了最大似然估计的复可见度函数逼近模型。模型显示,最小二乘逼近模型只是其增益误差较大时的一个特例。而对于模型的求解,一般采用矩阵求逆的迭代法。由于本文所研制的日像仪约束方程规模大,该方法存在求逆不稳定的弊端。故本文提出了嫁接遗传算法来求解新模型,该算法不但可以稳定快速收敛,而且可以抗早熟。仿真结果表明:在自校准过程中,利用嫁接遗传算法求解最大似然估计逼近模型所获得的脏图优于利用矩阵求逆迭代法求解最小二乘逼近模型所获得的脏图。


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