射电望远镜天线物理参数和校准省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

射电望远镜天线物理参数和校准郑兴武南京大学天文学系第1页目录引论两个基础知识射电天线基本理论和主要参数抛物面天线性质天线校准天线性质对天文观察影响第2页射电与光学不一样-1观察整个波段：光学：一架望远镜射电：多架望远镜

射电望远镜-引论

射电：0.1mm-30m

光学：0.3-0.7

第3页频率范围（GHz）近似波长（cm）波段代码0.30-0.3490P1.24-1.7020L2.65-3.3513S4.6-7.06C8.1-8.83.6X14.6-15.32U22.0-24.01.3K40.0-50.00.7Q

各个波长代码射电望远镜-引论

第4页射电与光学不一样-2相同口径，光学/射电PSF：

光学/射电：

射电望远镜：做得很大；但只是单像素观察射电望远镜-引论

第5页射电与光学不一样-3射电：发射，接收

光学/射电望远镜发展和应用：

射电望远镜：雷达发展早，许多概念来自发射雷达光学：单一接收

射电望远镜-引论

第6页

射电信号流程天线接收机计算机地球大气天体物理信息采集系统射电信号射电望远镜-引论

第7页两个基础知识辐射强度不变性辐射转移问题射电望远镜-基础

第8页射电辐射强度定义I

(p,l,t）

面元

dA发出落在d

内在频率

—

+d

发射功率

dW(p,l,

,t）

cos

dAd

d

dW(p,l,

,t）=I

(p,l,

,t)cos

dAd

d

物理意义：天体上p点，与辐射方向垂直单位面积，在单位频率间隔内，向单位立体角发射功率

射电望远镜-辐射

第9页辐射强度I

不变性-1地面上p

点，看天体所张立体角为d

天体上p点，dA平面，在l方向，向d

发射辐射，投射在dA上，dA与法线夹角为n

射线既经过dA,也经过dA,能流相等射电望远镜-辐射

第10页辐射强度I

不变性-2从立体角d,流过dA面积元能量

从立体角d,流过dA面积元能量

射电望远镜-辐射

第11页射电望远镜-辐射

辐射强度I

不变性-3第12页辐射强度和流量密度1Jy＝10-26

wm-2Hz-1称为流量密度射电天文里称为亮度单位：wm-2Hz-1st-1wm-2Hz-1射电望远镜-辐射

物理意义：在观察位置点，与入射方向垂直单位面积，在单位频率间隔内，向单位立体角发射功率

第13页天线接收到功率流量密度接收带宽几何面积射电望远镜-辐射

第14页射电亮温度构想一个温度为TB黑体，它在这个频率发射强度（或亮度）B

(TB

)等于这个辐射体发射强度I

设一个辐射体在频率

处发射强度为

I

亮温度射电望远镜-辐射

第15页体辐射系数百分比系数为j

射电望远镜-辐射

与·发射强度关系

辐射体单位体积，在频率

—

+d

之间，时间间隔dt内，向立体角元d

发射能量

dE

：频率

—

+d

，时间间隔dt内，向立体角元d

发射能量

dV=dAds

第16页吸收系数百分比系数为k

射电望远镜-辐射

单位长度辐射强度相对改变率发射强度改变dI

不但与ds相关，而且也与本身辐射I

相关

第17页辐射转移方程-1介质总光深

射电望远镜-辐射

源函数现有发射又有吸收

定义光深元

解：

注意单位和物理意义第18页辐射转移方程-2射电望远镜-辐射

讨论解：

第19页辐射转移方程-3射电望远镜-辐射

讨论解：

介质对初始入射辐射吸收表示介质有发射，又对其本身发射再吸收物理特征

第20页辐射转移方程-4射电望远镜-辐射

局部热动平衡条件下，是一个Plank函数介质对初始入射辐射吸收表示介质有发射，又对其本身发射再吸收物理特征

第21页辐射转移方程-5射电望远镜-辐射

T是常数注意物理意义Rayleigh－Jeans近似(h

<<kT)

第22页

射电天线基本理论和主要参数天线互易定律天线有效面积和天线效率天线功率方向图和方向性天线温度和亮温度关系天线增益和有效面积关系场方向图和孔径场分布天线灵敏度系统等效流量密度指向精度和跟踪精度射电望远镜-参数

第23页天线互易定律发射天线：P/P总接收天线：P

/P

总射电望远镜-参数

一架天线不论它是用来发射还是用来接收电磁波辐射，天线发射和接收工作特征是一样。第24页射电望远镜-参数

天线接收m偏振辐射天线实际搜集辐射

天线几何面积搜集辐射天线观察理论功率为P

为（W)天线有效面积与方向相关Aeff（l,m）不一样方向有不一样接收本事几何面积天线观察流量密度为F

为（Wm-2Hz-1)射电源天线有效面积-1第25页射电望远镜-参数

天线有效面积与方向相关Aeff（l,m）不一样方向有不一样接收本事天线有效面积-2第26页天线（孔径）效率Aeff,0:天线最大有效面积Ag:几何面积频率（MHz）0.073-0.07450.3-0.341.241.704.55.08.1-8.814.615.322.024.040.0-50.0近似波长(cm)400902063.621.30.7代号4PLCXUKQ天线效率(%)1540556963584035射电望远镜-参数

第27页天线（孔径）效率和有效面积射电望远镜-参数

第28页天线功率方向图光轴方向（l0

,m0），P

(l0,m0)，普通最大归一化功率方向图：天线功率方向图：在（l,m）方向，单位立体角里接收功率P

(l,m)射电望远镜-参数

第29页抛物面天线功率方向图-1射电望远镜-参数

第30页抛物面天线功率方向图-2射电望远镜-参数

第31页天线方向图立体角主波束立体角波束效率与天线效率关系？？？天线发射总功率里有多少是集中在主束之内

射电望远镜-参数

主波束效率德令哈～60%，乌站65%第32页天线方向性射电望远镜-参数

物理意义：天线在某一方向单位立体角发射功率与整个天线发出功率平均值比

在光轴方向：Ｐ(0,0)＝1方向性最大定义Ｐ(l,m)和它平均值之比为方向性

第33页射电源天线温度Nyquist定理一个负载电阻，在温度为T

时，在单位频率间隔，它输出功率为

设一个天线对向射电源，在单位频率间隔范围内，接收到功率为PA

天线温度电阻热噪声功率来表示天线输出功率

射电望远镜-参数

第34页天线温度和系统噪声温度射电望远镜-参数

天线温度TA=1K,PA=1.3810-23WHz-1经典射电源辐射天线输出功率天线指向天空背景时，有功率输出包含：天空背景Tbg;大气辐射Tsky;地面辐射Tspill

馈源和波导损失Tloss;接收机噪声TN

系统温度

天线温度仅仅是天线输出功率另一个表示

第35页射电天线温度和亮温度关系射电望远镜-参数

定义Ｐ(l,m)和它平均值之比

天线接收到总功率一个射电源辐射能够表示为TA，也能够表示为TB

TA和TB关系？？？按照定义天线在(l,m)接收到功率第36页主要关系式射电望远镜-参数

定义Ｐ(l,m)和它平均值之比

有效面积大：波长要长，方向图立体角要小

射电天线、负载电阻和黑体腔处于热平衡状态

第37页天线增益射电望远镜-参数

物理意义：比平均值大（或小）几倍

归一化增益：

输给天线总功率为PT

在(l,m)方向发射功率为P(l,m)

天线增益发射天线：无损耗雷达天线

第38页天线增益、方向性和功率方向图-1射电望远镜-参数

定义Ｐ(l,m)和它平均值之比

天线功率方向图：天线增益：

PSF

天线方向性：

天线有效面积：

天线效率：

第39页天线增益、方向性和功率方向图-2射电望远镜-参数

定义Ｐ(l,m)和它平均值之比

天线方向性没有考虑天线本身输入功率转换为辐射功率效率，强调是天线发射方向性；天线增益与天线方向性不一样，着眼点是输入给天线总功率它在各个方向发射能力。

无损耗天线第40页天线增益和有效面积关系射电望远镜-参数

定义Ｐ(l,m)和它平均值之比

天线没有损耗

天线增益和天线效率只差一个常数

负载电阻温度：T输给天线总功率：PT=kT

天线在范围内接收功率

天线在范围内发射功率

天线在黑体腔内发射总功率：kT

第41页照明函数射电望远镜-参数

关键：功率方向图决定什么原因？？？

第42页天线场方向图和孔径场分布射电望远镜-参数

平板天线孔径场分布（照明函数）

（

，

）

用惠更斯原理计算：远场分布E（l，m）

关键：功率方向图决定什么原因？？？

第43页均匀孔径场分布场方向图射电望远镜-参数

均匀实圆孔径均匀孔径场分布在远场平面形成是一幅衍射图场方向图（功率方向图）由孔径场分布决定为了取得所要求天线增益、分辩率、旁瓣电平改变孔径场分布孔径场分布＝照明函数第44页射电望远镜-参数

场方向图分布

注意相位相同

普通把孔径场分布

第45页射电望远镜-参数

第46页天线灵敏度射电望远镜-参数

等效天线温度TA：天线孔径面积Ag，效率:

A射电源流量密度:

FS天线接收到总功率：天线对单位流量射电源观察到源天线温度（DegreePerFluxUnit，简称DPFU）第47页系统等效流量密度射电望远镜-参数

SEFD(SystemEquivalentFluxDensity)：系统噪声温度：系统噪声对应流量密度

大小大测到天线1K对应射电流量密度?第48页射电望远镜最小可测流量射电望远镜-参数

带宽：SEFD(SystemEquivalentFluxDensity)：射电望远镜最小可测流量：积分时间：第49页射电望远镜空间分辩率射电望远镜-参数

射电望远镜能区分两个射电点源所对应天空最小张角称为角分辨率

射电天线对一颗射电源响应主瓣极大值处刚好与另一颗射电源紧邻主瓣第一极小值重合，即角分辩率值为主瓣宽度（BWFN）二分之一

瑞利判据：抛物面：第50页天线指向精度和跟踪精度射电望远镜-参数

100m,1cm，则要求指向精度<2

25米：300吨65米：2300吨100米：7300吨指向精度和跟踪精度是一项含有挑战性技术。

重复指向精度：系统误差：如蒙气差、轴系误差、蜗轮误差等随机误差：随机增益损失<=3%天线指向精度应小于HPBW/10抛物面天线，0.1

/D第51页抛物面天线结构形式射电望远镜-参数

第52页抛物面天线性质-1射电望远镜-参数

第一旁瓣高度：0.017均匀孔径场分布均匀孔径场功率方向图半功率束宽第53页抛物面天线性质-2射电望远镜-参数

天线口径越大工作波长越短增益越高，在射电天文里普通都用抛物面天线原因

方向图立体角最大有效面积最大天线增益第54页抛物面天线性质-3射电望远镜-参数

实际抛物面天线普通天线效率技术效率：天线面板随机误差、孔径遮挡、实际天线反射面偏离设计形状引发反射面相位误差、馈源相位误差等等辐射效率：天线发射总功率与输给天线总功率之比

削尖效率：天线孔径场分布普通总是中央比较高边缘比较小

溢出效率：馈源功率方向图总有一部分在反射天线外面

第55页抛物面天线功率方向图测定射电望远镜-参数

扫描法：指向强射电点源B高斯曲线拟合跟踪状态，偏离2HPWB，步长0.2HPWB

第56页抛物面天线指向精度测定-1射电望远镜-参数

五点法：包含指向强射电点源和附近五点天线温度极值方位和仰角方向偏离方位和仰角方向半功率束宽天线温度第57页射电望远镜-参数

抛物面天线指向精度测定-1第58页抛物面天线指向系统误差模型射电望远镜-参数

方位和仰角码盘零点误差俯仰轴与方位轴不正交引发误差天线电轴与俯仰轴不正交引发误差方位轴南北和东西向偏斜引发误差最终和分别表示对称和非对称重力变形引发误差系统误差模型第59页天线最正确状态射电望远镜-参数

天线主反射面、副面和馈源要放置在正确位置天线反射面精度要到达天线设计要求，即实际天线反射面与理论反射面偏离不能太大怎样精度反射面对天文观察是能够接收？？因为面板精度误差引发天线增益降低多少？？

第60页准确理论研究射电望远镜-参数

理想反射面反射面有误差第61页简单预计-1射电望远镜-参数

馈源发射球面波有瑕疵抛物反射面孔径平面：不是一个均匀平面电磁波

第62页简单预计-2射电望远镜-参数

面板误差均方根值（rms）为

实际波前与理想波前相位差为

孔径平面实际波前电场振幅

理想波前平面电磁波振幅

第63页天线面板精度射电望远镜-参数

天线面板误差均方根值为时，天线增益降低当代毫米波和亚毫米波天线要求天线面板误差均方根值天线增益只降低

第64页天线全息法测量原理-0射电望远镜-参数

要使一架射电望远镜天线要处于最正确工作状态，（1）要求构整天线全部光学组员，即天线主反射面、副面和馈源，应在设计正确位置上，并有很好准直；（2）可能比前者更主要是天线反射面精度要到达天线设计要求，即实际天线反射面与理想反射面偏离均方差（r.m.s.）好于

/40其中

为射电望远镜工作波长。是一项含有挑战性工作第65页天线全息法测量原理-1射电望远镜-参数

相位参考－小天线

微波全息技术（MicrowaveHolographyTechnique）

得到天线孔径上任一点电场振辐和相位

远场－同时卫星

第66页天线全息法测量原理-2射电望远镜-参数

同时卫星信号强

输入相关器信号

第67页天线全息法测量原理-3射电望远镜-参数

第68页天线全息法测量原理-4射电望远镜-参数

接收下来信号先进行Fourier变换，然后再相关得到待测天线在某个特定方向观察相位和振幅

带宽内平均

第69页天线全息法测量结果射电望远镜-参数

第70页射电望远镜天线校准地球大气校准接收机校准射电流量绝对校准射电望远镜天线效率测量射电流量相对校准射电望远镜-参数

第71页射电望远镜接收机校准-1

射电望远镜-参数

校准源2信号射电信号常温黑体校准源1信号液氮黑体第72页射电望远镜接收机校准-2

射电望远镜-参数

校准源2信号固体噪声信号常温黑体校准源1信号液氮黑体第73页地球大气对电磁波传输地影响

射电望远镜-参数

（1）介质对电磁波吸收；（2）介质大尺度分布引发射电波折射和延迟；（3）介质中湍动结构引发辐射散射,seeing，或叫闪烁

第74页中性大气吸收-1射电望远镜-辐射

介质有吸收一定有发射主要原因：中性大气中水汽、氧和臭氧共振吸收

要研究（1）吸收影响（2）发射影响第75页中性大气吸收-2射电望远镜-辐射

其它吸收来自线翼主要原因：中性大气中水汽、氧和臭氧共振吸收

线心吸收系数：

第76页不透明度和透射系数

射电望远镜-辐射

透射系数天顶方向不透明度假如

，

大气完全不透明；当，

即透射系数超出75%时,认为可进行天文观察

不考虑发射T=0大气质量：第77页不透明度测量-1射电望远镜-辐射

用一架小主焦反射面天线望远镜接收到系统噪声温度宇宙背景接收机噪声水汽标高2km在对流层，其温度从地面温度开始逐步下降，下降率约为6.5K(km)-1，于是在高度地方，大气温度为

平均值在h高度地球大气第78页不透明度预计-2射电望远镜-辐射

和这两个常数,海平面水汽密度表:从海平面水汽密度预计大气不透明度经验常数

频率(GHz)1.50.0