Статья: Контроль характеристик радиотелескопа Ратан-600 по геостационарным спутникам Земли

Несмотря на существенный вклад одного щита на фоне всей антенны и меньший, но вполне заметный вклад одного щита на фоне одного опорного щита, измерение относительного КПД (вклада) всех щитов сектора затруднено из-за собственного движения ГСЗ.

Таблица 1

Процедура измерений вклада всех ОЭ занимает более 3 часов и фазировка антенны в целом относительно ГСЗ за это время может нарушаться, даже если подслеживать максимум отклика сигнала кареткой. Это же касается измерения КПД (вклада) по отношению к неподвижному опорному щиту, поскольку база между щитами может быть значительной и отклонение ГСЗ от исходного положения по азимуту может быстро (за час или менее) нарушить фазировку щитов относительно источника сигнала. Опорный и измеряемый щит образуют двухэлементный интерферометр, из-за отклонения ГСЗ от оси которого возникает дополнительная разность хода, которую нужно компенсировать, чтобы сохранить фазировку. Поэтому нами был предложен способ измерения КПД (вклада) щитов с использованием скользящей опорной группы, состоящей из четырех щитов, относительно которых измеряется КПД (вклад) последующего пятого щита. В этом случае база между опорной группой и измеряемым щитом минимальна и постоянна, что обеспечивает устойчивую фазировку интерферометра при азимутальном смещении ГСЗ. Такой способ измерений предполагает, что все щиты изначально удовлетворительно сфазированы или могут встречаться отдельные плохо сфазированные со всей антенной щиты, которые не нарушают фазировку в целом четырех щитов, взятых в качестве опорных. В случае, если указанное условие не соблюдается, необходимо провести предварительную юстировку четырех первых опорных щитов. Измеряемый таким способом КПД можно назвать фактическим или реальным. Другой предложенный нами способ измерения КПД щитов включает измерение амплитуды (размаха) синусоиды в процессе движения измеряемого щита по радиальной координате относительно одного опорного в диапазоне нескольких длин волны, на которой ведутся измерения. В этом случае фазировка щита относительно опорного достигается в процессе движения щита, даже если она нарушается в исходном состоянии из-за ошибок юстировки или смещения ГСЗ относительно оси АС. Измеряемый таким способом КПД (вклад щита) можно назвать достижимым или потенциальным КПД по радиусу.

Выполнение юстировки щитов сектора по ГСЗ также возможно обоими способами, такие попытки выполнены в работе [3], однако в первом способе неизбежно накопление случайной ошибки в процессе выполнения измерений, а во втором -- систематической ошибки по радиусу, вызванной собственным движением ГСЗ. С целью уменьшения эффекта накопления систематической ошибки кроме подслеживания кареткой максимума отклика от ГСЗ можно использовать контрольные щиты, юстируемые в начале и конце процесса юстировки на краях и в середине сектора.

Относительный КПД (вклад) всех щитов сектора, измеренный первым способом в течение трех дней (ночей) в автоматическом режиме без участия оператора, представлен на рис. 7 вверху. В процессе измерений относительного КПД (вклада) щиты последовательно наводятся по углу места на ГСЗ на фоне четырех опорных щитов, наведенных на ГСЗ. После измерений КПД данный щит становится четвертым опорным, а первый опорный отводится. Рис. 7, а демонстрирует хорошую повторяемость измерений КПД в разные дни и в различных погодных условиях. Провал в центре распределения вклада щитов связан с затенением главного зеркала вторичным зеркалом и наличием дырки в плоском отражателе -- любой из этих факторов приводит к появлению дырки в раскрыве АС «Юг+Плоский». Результат измерения потенциального КПД по радиусу относительно опорного щита приведен на рис. 7, б.

а

б

в

Рис. 6. а -- реальный КПД (вклад) всех щитов сектора в течение трех ночей; б -- потенциальный КПД щитов по радиусу, в -- расчетное распределение мощности поля на апертуре без дырки.

Как видно из рисунка, вклад крайних щитов сектора вполне различим, несколько щитов в западной и восточной частях сектора с малым вкладом предположительно имеют значительные ошибки по угловым координатам. Для сохранения фазировки щитов относительно опорного нами выполнялась подстройка каретки на максимум отклика АС на ГСЗ в начале процесса измерений и после измерения КПД половины щитов АС «Юг+Плоский».

Рис. 7 демонстрирует значительную неравномерность реального и потенциального вклада щитов, что требует дальнейшего исследования. Кроме того, видна некоторая асимметрия вклада щитов (крайние щиты западной части сектора дают больший вклад).

Разделение факторов, уменьшающих КПД (вклад) щита, требует индивидуальной работы с каждым щитом, его юстировки и оценки качества отражающей поверхности. Измерение качества отражающей поверхности щита по его отклику на ГСЗ на волне 2.7 см не даcт высокой точности, поэтому для оценки СКО поверхности нами было предложено измерять отклик щита по протяженному источнику (Солнцу) на волне 10 мм, что позволяет легко выделить рассеянный фон щита. На рис. 8 приведен отклик щитов № 135 и № 136 по Солнцу при неподвижном и движущимся облучателе на волне 1 см, 1.9 см и 3.5 см. На рис. 9 показан результат моделирования отклика по Солнцу для аналогичной конфигурации АС. На волне 1 см и 1.9 см видна подложка (особенно у щита № 136), вызванная диффузным рассеянием, обусловленным случайными ошибками поверхности щита. Оценки интеграла по всему отклику и подложке дают СКО поверхности щита не хуже 0.45 мм, т. е. менее на волне 2.7 см, что не может быть причиной заметного уменьшения КПД (вклада) щитов на волне 2.7 см. Попытки юстировки щитов по трем координатам улучшают их КПД (вклад), но полностью избавиться от неравномерности вклада щитов не удается, что говорит о возможном влиянии других (внешних) причин, среди которых могут быть щели между щитами Плоского отражателя и качество юстировки его панелей, щели между панелями вторичного зеркала и качество поверхности его панелей. На рис. 10 приведен результат измерения топографии вторичного зеркала облучателя тип 2 c помощью лазерного сканера Surphaser [7] и вид панелей плоского отражателя. Дальнейшее изучение и разделение всех факторов влияющих на относительный КПД (вклад) щитов позволит повысить эффективность работы отдельных щитов и АС в целом.

Рис. 7 Отклик по Солнцу для щита № 136 (а) и № 135 (б) на волне 1 см (Вверху), 1,9 см (в середине) и 3,5 см (внизу)

Рис. 8. Результаты моделирования отклика от одного щита по Солнцу на разных волнах

а б

Рис. 9. Результат измерения топографии вторичного зеркала облучателя тип 2 c помощью лазерного сканера Surphaser СКО=0.45 мм (а), вид щитовплоского отражателя (б).

Измерение отклика АС «Юг+Плоский» в ее рабочем положении по ГСЗ позволяет найти оптимальный продольный и поперечный фокус АС за несколько минут измерений смещением продольного фокуса расчетной параболы и перемещением каретки облучателя, в то время как поиск оптимального фокуса в режиме прохождения космических источников занимает несколько дней. Результаты измерения положения фокуса АС «Юг+Плоский» по ГСЗ приведены в [3,11]. Предложенный способ позволил найти оптимальное положение продольного фокуса АС «Юг+Плоский» на облучателе тип 3, которое на 5 мм - 15 мм отличается от расчетного в зависимости от азимута наблюдений [11].

3. Оценка параметров антенной эффективности по измеренной двумерной диаграмме направленности РАТАН-600

По одному из определений эффективной площади антенны [8],

(1)

где элемент телесного угла dЩ в декартовых и сферических координатах равен:

().

Тогда в сферических координатах

(2)

где -- нормированная ДН, -- излучательная эффективность или КПД антенны, которая отражает отличие реальной антенны от идеальной, -- доля энергии, собираемой антенной, поглощенная самой антенной; как правило, отражает внутренние омические потери в самой антенне: потери на отражение от металлической поверхности, потери в облучающем рупоре и антенном тракте, потери на разогрев элементов конструкции, грунта. Активная часть сопротивления антенны состоит из сопротивления излучения и сопротивления потерь. В режиме работы антенны на передачу -- отношение мощности, излучаемой антенной, к подводимой к ней мощности. В наше случае характеризует потери, которые не отражаются в нормированной ДН, имеющей как дифракционные лепестки, так и рассеянный фон. Нередко КПД антенны понимают в более широком смысле, включая в него переоблучение главного и вторичного зеркал, с которым связаны безвозвратные потери энергии [9]. Поскольку измеренная и модельная ДН отражают характер облучения и переоблучения раскрыва, в значительной степени определяющего уровень боковых лепестков и связанные с ними потери энергии, мы будем понимать КПД антенны в узком смысле омических потерь в облучателе и самой антенне. обычно падает из-за потерь на отражение только в мм и субмм диапазонах волн, но и там потери на отражение в металле обычно составляют доли процента. Омические потери в первичном рупоре и антенном тракте радиотелескопа в см диапазоне волн обычно также незначительны. Оценить величину радиотелескопа практически сложно, но в интересующем нас диапазоне волн (2.7 см) потери обычно не превышают нескольких процентов и мы можем ими пренебречь, поскольку точность метода оценки эффективной площади по ДН не может быть выше 10% из-за ограниченности области измерения и погрешностей счета или аппроксимации характеристик антенны.

Находя отношение измеренной S_{eff meas} к расчетной S_{eff calc}, полученной по той же формуле (1), можно найти эффективность, связанную со случайной ошибкой поверхности

и саму ошибку поверхности. Согласно [10],

где -- апертурная эффективность идеального рефлектора (без ошибок поверхности), c -- радиус корреляции ошибок поверхности, -- среднеквадратичная фазовая ошибка в апертуре:

-- СКО отражающей поверхности.

Первый член в соответствует случайной мелкомасштабной ошибке, второй член существенен при крупномасштабной фазовой ошибке в раскрыве и большом радиусе корреляции ошибок. При c << D вторым членом выражения можно пренебречь.

Выясним возможность достижения приемлемой точности оценки S_{eff meas} по формуле (1) при ограниченности области измерений ї_exp << 4р. По этой причине мы можем получить меньшее значение интеграла по ДН и следовательно завышенную S_{eff meas.}

Где

Оценим эффективный телесный угол , где на волне 2.7 см с помощью расчетной ДН, задавая при расчете ДН максимально возможную случайную ошибку отражающей поверхности 1 мм (СКО) с характерным масштабом существенно меньше горизонтального размера щита. Двумерная ДН АС «Юг+Плоский» может быть измерена по ГСЗ с помощью наклона Плоского отражателя и перемещения каретки облучателя, область движения которой ограничена диапазоном см в наилучшем случае при расположении источника сигнала на оси. Именно здесь возникают ограничение области измерения и потому задача оценки связанных с этим потерь энергии ДН сводится к одномерной. Расчет ДН выполнялся апертурным методом, причем распределение поля на апертуре определялось методами геометрической оптики. Данный метод позволяет рассчитать ДН в ограниченном диапазоне углов вблизи главного лепестка, в то время как для оценки параметров антенной эффективности необходимо знать ДН во всем возможном диапазоне углов. Но рассчитанные нами ДН позволяют подобрать подходящую аппроксимирующую функцию ДН и далее работать с ней. Результаты расчета ДН приведены на рис. 11.

а б

в

Рис. 10. Расчетные ДН АС «Юг+Плоский» без учета (а) и с учетом (б, в)наличия дырки в плоском (а); б --без ошибок поверхности, в -- СКО поверхности 1 мм

Из рис. 10, б видно, что дырка в раскрыве существенно изменяет уровень боковых лепестков. Оценки показывают, что условие достигается в первом случае (рис. 11, а) в диапазоне , что меньше пределов перемещения каретки облучателя ( см). Время измерений одного сечения двумерной ДН составляет не более 1 минуты. При необходимом числе сечений 40-50 полное время измерений двумерной ДН не превышает 40-50 минут, что вполне допустимо в периоды медленного смещения спутника по азимуту (см. рис. 1).

Более сложная ситуация возникает в случае, показанном на рис. 11, б, в, где уровень далеких боковых лепестков возрастает на 20 дБ. Поскольку рост уровня боковых лепестков ДН связан с наличием дырки в раскрыве, найдем ДН дырки и попробуем ее аппроксимировать какой-либо известной функцией. На рис. 12 вверху показана ДН дырки, полученная как разность ДН антенны без дырки и с дыркой. Нами были получены оценки сверху и снизу для ДН дырки по характеру спадания уровня лепестков в области, в которой производится расчет (рис. 12, а). Более близкой известной аппроксимирующей функции сверху нам найти не удалось. Далее мы предположили, что справедливость найденных оценок сохраняется и за пределами области расчета. Вид и графики аппроксимирующих функций, использованных для оценки ДН дырки сверху и снизу в более широких пределах приведены на рис. 12, б.

Чтобы оценить качество предложенной аппроксимации, вычислим интегралы от функций оценок сверху и снизу по координате х, соответствующей координате на небе, вне пределов области, в которой выполняется расчет (0?-30?), и сравним их со значением интеграла от расчетной функции ДН внутри этой области.

Рис. 11 ДН дырки и аппрксимирующие функции для оценок ДН сверху и снизу

Как видно из полученных оценок, основной вклад в результат интегрирования дает интеграл от расчетной функции ДН в области 0?-30?. Проведенные нами расчеты показывают, что при аппроксимации ДН дырки функцией оценки снизу необходимая область измерений ДН АС «Юг+Плоский» составляет и находится в пределах области перемещения каретки. При аппроксимации ДН дырки функцией оценки сверху требуемая область измерений () лежит за пределами области перемещения каретки. Таким образом, можно сделать вывод о том, чтоточность измерений параметров эффективности не хуже 10% вслучае АС «Юг+Плоский» при предложенной нами аппроксимации недостижима и решение задачи требует применения более точных методов расчета ДН АС «Юг+Плоский» радиотелескопа РАТАН-600 [14] или нахождения более точной аппроксимации ДН сверху. Возможность выполнения оценок параметров антенной эффективности c точностью 10% по измеренной ДН Северного сектора на низких углах наблюдений, где нет дырки в раскрыве, но ДН близка к ножевой, сомнений не вызывает, случай средних и высоких углов наблюдений на Северном секторе также требует дополнительных исследований.

4. Результаты измерений и моделирования двемерных характеристик радиотелескопа РАТАН-600