日像儀天線陣系統(tǒng)設計研究.pdf

1、本文緊密圍繞由國家天文臺首席研究員顏毅華教授負責的國家重點基礎研究項目《厘米-分米波高分辨頻譜日像儀》的研制展開。日像儀是一個對太陽進行射電成像的大規(guī)模天線陣系統(tǒng)，其成功研制將填補目前國際上分米波段高分辨率太陽射電成像觀測的空白，在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，在國際上也具有絕對競爭力。因此，本文所述工作均具有開創(chuàng)意義，我對能夠成為項目組一員而深感自豪。 論文根據(jù)日像儀的工作原理，綜合運用了制造系統(tǒng)工程、虛擬設計方法、計算機仿真、拓撲優(yōu)化設計、

2、誤差分析、數(shù)值分析方法和圖像恢復等多學科協(xié)同交叉研究方法，集中研究了天線陣系統(tǒng)的設計，具體包括天線陣單元天線設計、天線陣拓撲優(yōu)化設計、天線陣定標和誤差校準以及日像儀成像性能仿真(在探究日像儀成像性能的同時，也用以檢驗天線陣拓撲結構的優(yōu)劣)等內(nèi)容。 本文創(chuàng)造性的工作主要有：(1)在天線陣的單元天線設計中，明確了日像儀天線陣單元天線的性能指標；確定了馬蹄式結構的座架型式；提出了閉式蝸輪加螺旋推桿結構的傳動方案；采用虛擬設計方法對單元

3、天線的機械結構進行了詳細設計，其中首次使用了雙殼背架結構方案；并對反射體做了結構變形分析和動力學分析。 (2)在天線陣的拓撲優(yōu)化設計中，綜合考慮地形限制、性能指標和施工難度，本文研制的日像儀擬建成“螺旋型”輪廓的天線陣。Boone的壓力算法只能得到不規(guī)則的天線陣拓撲，通過對壓力算法改進，本文提出的加速壓力算法不但可以得到滿足要求的天線陣拓撲結構，而且有更好的優(yōu)化結果和更高的計算效率。利用此算法所獲得的天線陣拓撲方向圖在工作頻率為

4、1GHz時，自然加權下的最高分辨率為20.5角秒，最大旁瓣為0.15，此性能明顯優(yōu)于標準螺旋陣。 (3)在天線陣的誤差校準部分，自校準是保證精確定標的關鍵過程，其中主要涉及復可見度函數(shù)逼近模型的建立和求解問題。針對最小二乘逼近模型處理粗差數(shù)據(jù)并不理想的現(xiàn)狀，假定各種誤差服從高斯分布，建立了最大似然估計的復可見度函數(shù)逼近模型。模型顯示，最小二乘逼近模型只是其增益誤差較大時的一個特例。而對于模型的求解，一般采用矩陣求逆的迭代法。由于

5、本文所研制的日像儀約束方程規(guī)模大，該方法存在求逆不穩(wěn)定的弊端。故本文提出了嫁接遺傳算法來求解新模型，該算法不但可以穩(wěn)定快速收斂，而且可以抗早熟。仿真結果表明：在自校準過程中，利用嫁接遺傳算法求解最大似然估計逼近模型所獲得的臟圖優(yōu)于利用矩陣求逆迭代法求解最小二乘逼近模型所獲得的臟圖。 (4)在日像儀成像性能仿真部分，為了解決clean算法處理展源時存在的迭代抖動、收斂不穩(wěn)定的弊端，借鑒最大熵算法的平滑約束概念，通過修正clean算

6、法迭代過程中的臟束，提出了帶有平滑約束的clean算法。通過對日像儀工作頻段低端頻率的圖像恢復仿真，例證了該算法在圖像恢復質(zhì)量和分辨率兩個方面的性能均有提高。對于高端頻率的圖像恢復，文章改進了Skilling最大熵算法，旨在自動校正在原算法中由于近似而產(chǎn)生的較大誤差，以使其具有更高的速度與準確性；改進主要集中在搜索方向上，一個方向源于大量仿真經(jīng)驗，另一個方向源于Newton-Raphson算法的理論推導。該算法經(jīng)仿真測試獲得了滿意的結果