射电望远镜的波束方向图反映了望远镜对不同方向的天文信号的响应强度，对校准望远镜数据、产生准确天文图像极为重要，但精确测量射电望远镜的波束颇具挑战性。用无人机进行天线波束方向图测量是近年来出现的一项新技术，国际上有多个团队正在尝试这一技术。国家天文台天籁实验团队与杭州电子科技大学光机电实验室成功联合开展了测量射电望远镜波束无人机测量实验，其首项测量成果已于近日发表。
传统的天线波束测量方法往往使用热气球、卫星、天文源等。与热气球方法相比，无人机控制方便、机动快速灵活；与卫星方法相比，无人机可在任意选定时间携带所需频率的信号源开展实验，可控性高；与天文源方法相比，人工信号源强度高，可测量到微弱的多级旁瓣。实验过程中，研究团队利用无人机搭载测量设备，在飞行高度300多米的远场条件下对天籁碟形射电望远镜的波束进行了精确测量和分析。结果表明，主瓣的测量结果与传统天文源测量结果一致，且无人机测量波束的方法可以精确地测量到微弱的旁瓣结构，并与电磁仿真吻合度好。
无人机与天籁碟形望远镜
左：无人机与实验装置；右：用铜箔包裹的信号源与下方的耦极子天线
在该系列实验中，研究人员自制了高稳定度宽带信号源和偶极子天线，将其挂载于大疆Matrice 600 Pro无人机底部。通过编程控制，无人机可按预先设计好的飞行路线自主完成起飞、移动、悬停、降落等动作。通过分析无人机记录的GPS信息和天籁数字相关器观测到的信号强度数据，研究人员可测定望远镜波束。数据分析过程中，研究人员还考虑了无人机自身电磁干扰、RTK电磁干扰、无人机偏航误差、极化方向误差等可能影响精确测量的多种因素。研究人员还对比了长时间跨度时测量结果的差异性，发现无人机的测量结果保持了很好的稳定性和一致性，表明该方法的测量结果是高度可信的。
不同时期、不同飞行高度测量到的望远镜波束呈现很好地一致性
天籁实验项目是由国家天文台建设与运行的一个中性氢巡天试验项目，站址位于新疆哈密地区巴里坤县大红柳峡乡境内。通过对红移的中性氢进行巡天观测，天籁项目可以利用强度映射方法获取宇宙大尺度结构中的重子声波振荡，进而测量宇宙膨胀历史，确定暗能量状态方程。
该研究工作是由杭州电子科技大学机械电子工程研究所和国家天文台天籁项目团队共同完成的，主要作者包括杭州电子科技大学张巨勇、刘靖鑫，国家天文台吴锋泉、李吉夏等。该项研究工作得到了国家自然科学基金委天文联合基金、重点基金、中科院前沿科学基金等支持。论文现已发表于《IEEE天线与传播杂志》（IEEE Antennas and Propagation Magazine）。
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