中國天眼模型結構的技術探究

張文勇，徐杰，王安志，楊太明

（1.貴州民族大學工程實訓中心，貴州 貴陽 500025；2.貴州民族大學機械電子工程學院，貴州 貴陽 500025）

一、引言

中國天眼（全稱500 米口徑球面射電望遠鏡）是目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡[1]，由我國著名天文學家南仁東博士于1994 年提出初步構想，經過長達十幾年的選址，最終從幾百個候選位置中選擇貴州省平塘縣大窩凼作為天眼最后的建設地點，2016 年9 月25 日落成啟用，其表面積相當于30 個標準足球場大小[2], 頻率接收范圍在70GHz-3GHz 之間，作為世界上最大的單口徑射電望遠鏡，其技術性能在未來20-30 年間將保持世界一流地位。天眼主要用于研究脈沖星同時建立脈沖星計時陣、重現(xiàn)宇宙早期圖像、黑洞吞噬小天體、星體演化、搜尋外星文明、探測引力波等[3]。自建成啟用后，國內外無數游客都樂此不疲的去參觀天眼，由于天眼主要用于接收宇宙中人眼不能看到的電磁波信號，因此，大部分游客去參觀天眼時只是簡單的在觀景臺上觀看天眼的外觀結構，而不能真正了解天眼接收和處理信號的原理。天眼模型主要解決此問題，其目的是能讓非專業(yè)人士能夠簡單明了的觀看天眼處理信息的整個過程。

二、總體結構

圖1 為實際天眼結構圖，圖2 為天眼模型圖，天眼結構從外觀上看大體由主動反射面板系統(tǒng)、測量與控制系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、饋源與接收機系統(tǒng)及觀測基地等幾大部分組成；圖2 為模擬圖1 設計的模型，主要由模擬反射面板系統(tǒng)、模擬測量與控制系統(tǒng)、模擬饋源與接收機系統(tǒng)、模擬饋源支撐塔系統(tǒng)、模擬數據處理中心、星體信號發(fā)生模擬器組成；模型用可見光模擬星體產生的電磁波信號。

圖1 天眼結構圖

圖2 天眼模型圖

（一）模擬反射面板系統(tǒng)

圖3 為天眼主動反射面系統(tǒng)，圖4 為模擬反射面板系統(tǒng)。主動反射面板系統(tǒng)由4450 塊邊長為11米左右的反射面拼接而成，面積總和相當于30 個標準足球場大小，外形像一口巨大的鍋，據中科院國家天文臺臺長嚴俊介紹：“主動式反射面板系統(tǒng)采用輕型索拖動機構和并聯(lián)機器人實現(xiàn)接收機高精度定位，這是天眼的三大自主創(chuàng)新之一”。模擬反射系統(tǒng)用1.5KW 太陽灶改裝而成，太陽灶具有很好的光線反射和匯聚效果，主要用于模擬主動反射面板系統(tǒng)將電磁波信號匯聚到饋源倉位置的過程，利用可見光能夠很好的觀察匯聚效果。

圖3 天眼主動反射面系統(tǒng)

圖4 模擬反射面板系統(tǒng)

（二）模擬測量與控制系統(tǒng)

圖5 為模擬測量與控制系統(tǒng)模塊，饋源與接收機系統(tǒng)在接收電磁波信號的過程中，為了能夠讓接收電磁波的信息量最大化，需要在特定時刻調整饋源倉的位置，饋源倉由饋源支撐系統(tǒng)通過六根特制鋼索牽引，能在主動反射面系統(tǒng)上方高140 米至180 米，直徑207 米的球冠面上運動，因此饋源倉的實時位置的準確性顯得非常重要；測量與控制系統(tǒng)的工作主要是確定饋源倉的實時位置。測量與控制系統(tǒng)為十余個高精度基準站組成的測量網絡，利用激光跟蹤系統(tǒng)實時跟蹤饋源倉的位置。模擬測量與控制系統(tǒng)使用STM32 微處理器作為每個饋源支撐塔上模擬卷揚機的控制器，通過紅外遙控技術可以單個或多個控制模擬卷揚機拖動饋源倉運動到想要的位置上。

圖5 模擬測量與控制系統(tǒng)模塊

（三）模擬饋源與接收機系統(tǒng)

饋源與接收機系統(tǒng)主要用于接收反射面板匯聚來的電磁波信號，并將信號預處理后發(fā)送到模擬數據處理中心，其接收頻率范圍在70MHz-3GHz 之間。如圖6 所示，模擬饋源與接收機系統(tǒng)采用3D 打印機打印的饋源倉作為外部結構；如圖7 所示，使用光敏電阻作為模擬接收機，光敏電阻被恒定光照射時電阻值恒定在某個值保持不變，當光照突變時光敏電阻阻值迅速變化，利用光敏電阻這個特性，即可設計相應處理電路來實現(xiàn)光信號的采集。

圖7 光敏電阻作為模擬接收機

（四）模擬饋源支撐塔系統(tǒng)

圖8 為饋源支撐塔，圖9 為模擬饋源支撐塔。饋源支撐系統(tǒng)由六個支撐塔、卷揚機、導索、精密調節(jié)機器人構成；支撐塔、卷揚機、導索用于空間位置調節(jié)，精密調節(jié)機器人用于微調。模擬饋源支撐塔系統(tǒng)采用萬能角剛搭建六個支撐塔、使用減速電機制作卷揚機、采用3D 打印機打印的饋源倉結構。

圖8 饋源支撐塔

圖9 模擬饋源支撐塔

（五）模擬數據處理中心

數據處理中心主要用于處理饋源與接收機系統(tǒng)實時采集來的宇宙電磁波數據，并通過超級計算機分析計算龐大的電磁波數據，提取其中有用的信息。模擬數據處理中心主要由光敏電阻處理電路、示波器兩部分組成；圖10 為光敏電阻處理電路，其作用是將光敏電阻接收到的光信號轉換成標準數字信號，并通過STM32 微處理器處理后送入示波器顯示；圖11 為示波器顯示實時信息。

圖10 光敏電阻處理電路

圖11 示波器顯示實時信息

（六）星體信號發(fā)生模擬器

宇宙空間中具有無數顆能產生人眼不能看到的電磁波的星體，地球處于宇宙中，時時刻刻都有無數的電磁波達到地球，因此，天眼能夠全天候接收處理宇宙電磁波信號。天眼模型主要用于給非專業(yè)人員講解從電磁波產生開始直到數據到達數據處理中心被處理的整個流程，使用可見光來代替人眼不能看到的電磁波信號具有很好的顯示效果。天眼模型使用能夠閃爍的高強光手電筒作為星體信號發(fā)生模擬器，它能夠讓信號在傳輸和觀察上更為直觀方便。圖12 為星體信號發(fā)生模擬器。

圖12 星體信號發(fā)生模擬器

三、已取得成果

中國天眼模型具有很好的演示效果，得到了貴州科學技術館、貴州造夢工場教育文化發(fā)展有限公司等單位的一致認可，并多次參與相關單位的科普宣傳活動，并在2017 年12 月參加由中國科協(xié)科普部和共青團中央學校部共同主辦的“2017 年全國青年科普創(chuàng)新實驗暨作品大賽”中榮獲貴州賽區(qū)一等獎，全國總決賽三等獎。圖13 為與貴州造夢工場教育文化發(fā)展有限公司合作組織學生實際參觀天眼時利用天眼模型講解天眼原理，圖14 為獲獎情況。

圖13 學生參觀天眼模型

圖14 獲獎情況