射電望遠鏡的波束方向圖反映了望遠鏡對不同方向的天文信號的響應強度，對校準望遠鏡數據、產生準確天文圖像極為重要，但精確測量射電望遠鏡的波束頗具挑戰性。用無人機進行天線波束方向圖測量是近年來出現的一項新技術，國際上有多個團隊正在嘗試這一技術。國家天文臺天籟實驗團隊與杭州電子科技大學光機電實驗室成功聯合開展了測量射電望遠鏡波束無人機測量實驗，其首項測量成果已于近日發表。
傳統的天線波束測量方法往往使用熱氣球、衛星、天文源等。與熱氣球方法相比，無人機控制方便、機動快速靈活；與衛星方法相比，無人機可在任意選定時間攜帶所需頻率的信號源開展實驗，可控性高；與天文源方法相比，人工信號源強度高，可測量到微弱的多級旁瓣。實驗過程中，研究團隊利用無人機搭載測量設備，在飛行高度300多米的遠場條件下對天籟碟形射電望遠鏡的波束進行了精確測量和分析。結果表明，主瓣的測量結果與傳統天文源測量結果一致，且無人機測量波束的方法可以精確地測量到微弱的旁瓣結構，并與電磁仿真吻合度好。
圖1. 無人機與天籟碟形望遠鏡
圖2. 左：無人機與實驗裝置；右：用銅箔包裹的信號源與下方的耦極子天線
在該系列實驗中，研究人員自制了高穩定度寬帶信號源和偶極子天線，將其掛載于大疆Matrice 600 Pro無人機底部。通過編程控制，無人機可按預先設計好的飛行路線自主完成起飛、移動、懸停、降落等動作。通過分析無人機記錄的GPS信息和天籟數字相關器觀測到的信號強度數據，研究人員可測定望遠鏡波束。數據分析過程中，研究人員還考慮了無人機自身電磁干擾、RTK電磁干擾、無人機偏航誤差、極化方向誤差等可能影響精確測量的多種因素。研究人員還對比了長時間跨度時測量結果的差異性，發現無人機的測量結果保持了很好的穩定性和一致性，表明該方法的測量結果是高度可信的。
圖3. 不同時期、不同飛行高度測量到的望遠鏡波束呈現很好地一致性
天籟實驗項目是由國家天文臺建設與運行的一個中性氫巡天試驗項目，站址位于新疆哈密地區巴里坤縣大紅柳峽鄉境內。通過對紅移的中性氫進行巡天觀測，天籟項目可以利用強度映射方法獲取宇宙大尺度結構中的重子聲波振蕩，進而測量宇宙膨脹歷史，確定暗能量狀態方程。
該研究工作是由杭州電子科技大學機械電子工程研究所和國家天文臺天籟項目團隊共同完成的，主要作者包括杭州電子科技大學張巨勇、劉靖鑫，國家天文臺吳鋒泉、李吉夏等。該項研究工作得到了國家自然科學基金委天文聯合基金、重點基金、中科院前沿科學基金等支持。論文現已發表于《IEEE天線與傳播雜志》（IEEE Antennas and Propagation Magazine）。
論文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9638547。
文稿編輯：趙宇豪
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