中国天眼模型结构的技术探究

张文勇，徐杰，王安志，杨太明

（1.贵州民族大学工程实训中心，贵州 贵阳 500025；2.贵州民族大学机械电子工程学院，贵州 贵阳 500025）

一、引言

中国天眼（全称500 米口径球面射电望远镜）是目前世界上最大的单口径射电望远镜[1]，由我国著名天文学家南仁东博士于1994 年提出初步构想，经过长达十几年的选址，最终从几百个候选位置中选择贵州省平塘县大窝凼作为天眼最后的建设地点，2016 年9 月25 日落成启用，其表面积相当于30 个标准足球场大小[2], 频率接收范围在70GHz-3GHz 之间，作为世界上最大的单口径射电望远镜，其技术性能在未来20-30 年间将保持世界一流地位。天眼主要用于研究脉冲星同时建立脉冲星计时阵、重现宇宙早期图像、黑洞吞噬小天体、星体演化、搜寻外星文明、探测引力波等[3]。自建成启用后，国内外无数游客都乐此不疲的去参观天眼，由于天眼主要用于接收宇宙中人眼不能看到的电磁波信号，因此，大部分游客去参观天眼时只是简单的在观景台上观看天眼的外观结构，而不能真正了解天眼接收和处理信号的原理。天眼模型主要解决此问题，其目的是能让非专业人士能够简单明了的观看天眼处理信息的整个过程。

二、总体结构

图1 为实际天眼结构图，图2 为天眼模型图，天眼结构从外观上看大体由主动反射面板系统、测量与控制系统、馈源支撑系统、馈源与接收机系统及观测基地等几大部分组成；图2 为模拟图1 设计的模型，主要由模拟反射面板系统、模拟测量与控制系统、模拟馈源与接收机系统、模拟馈源支撑塔系统、模拟数据处理中心、星体信号发生模拟器组成；模型用可见光模拟星体产生的电磁波信号。

图1 天眼结构图

图2 天眼模型图

（一）模拟反射面板系统

图3 为天眼主动反射面系统，图4 为模拟反射面板系统。主动反射面板系统由4450 块边长为11米左右的反射面拼接而成，面积总和相当于30 个标准足球场大小，外形像一口巨大的锅，据中科院国家天文台台长严俊介绍：“主动式反射面板系统采用轻型索拖动机构和并联机器人实现接收机高精度定位，这是天眼的三大自主创新之一”。模拟反射系统用1.5KW 太阳灶改装而成，太阳灶具有很好的光线反射和汇聚效果，主要用于模拟主动反射面板系统将电磁波信号汇聚到馈源仓位置的过程，利用可见光能够很好的观察汇聚效果。

图3 天眼主动反射面系统

图4 模拟反射面板系统

（二）模拟测量与控制系统

图5 为模拟测量与控制系统模块，馈源与接收机系统在接收电磁波信号的过程中，为了能够让接收电磁波的信息量最大化，需要在特定时刻调整馈源仓的位置，馈源仓由馈源支撑系统通过六根特制钢索牵引，能在主动反射面系统上方高140 米至180 米，直径207 米的球冠面上运动，因此馈源仓的实时位置的准确性显得非常重要；测量与控制系统的工作主要是确定馈源仓的实时位置。测量与控制系统为十余个高精度基准站组成的测量网络，利用激光跟踪系统实时跟踪馈源仓的位置。模拟测量与控制系统使用STM32 微处理器作为每个馈源支撑塔上模拟卷扬机的控制器，通过红外遥控技术可以单个或多个控制模拟卷扬机拖动馈源仓运动到想要的位置上。

图5 模拟测量与控制系统模块

（三）模拟馈源与接收机系统

馈源与接收机系统主要用于接收反射面板汇聚来的电磁波信号，并将信号预处理后发送到模拟数据处理中心，其接收频率范围在70MHz-3GHz 之间。如图6 所示，模拟馈源与接收机系统采用3D 打印机打印的馈源仓作为外部结构；如图7 所示，使用光敏电阻作为模拟接收机，光敏电阻被恒定光照射时电阻值恒定在某个值保持不变，当光照突变时光敏电阻阻值迅速变化，利用光敏电阻这个特性，即可设计相应处理电路来实现光信号的采集。

图7 光敏电阻作为模拟接收机

（四）模拟馈源支撑塔系统

图8 为馈源支撑塔，图9 为模拟馈源支撑塔。馈源支撑系统由六个支撑塔、卷扬机、导索、精密调节机器人构成；支撑塔、卷扬机、导索用于空间位置调节，精密调节机器人用于微调。模拟馈源支撑塔系统采用万能角刚搭建六个支撑塔、使用减速电机制作卷扬机、采用3D 打印机打印的馈源仓结构。

图8 馈源支撑塔

图9 模拟馈源支撑塔

（五）模拟数据处理中心

数据处理中心主要用于处理馈源与接收机系统实时采集来的宇宙电磁波数据，并通过超级计算机分析计算庞大的电磁波数据，提取其中有用的信息。模拟数据处理中心主要由光敏电阻处理电路、示波器两部分组成；图10 为光敏电阻处理电路，其作用是将光敏电阻接收到的光信号转换成标准数字信号，并通过STM32 微处理器处理后送入示波器显示；图11 为示波器显示实时信息。

图10 光敏电阻处理电路

图11 示波器显示实时信息

（六）星体信号发生模拟器

宇宙空间中具有无数颗能产生人眼不能看到的电磁波的星体，地球处于宇宙中，时时刻刻都有无数的电磁波达到地球，因此，天眼能够全天候接收处理宇宙电磁波信号。天眼模型主要用于给非专业人员讲解从电磁波产生开始直到数据到达数据处理中心被处理的整个流程，使用可见光来代替人眼不能看到的电磁波信号具有很好的显示效果。天眼模型使用能够闪烁的高强光手电筒作为星体信号发生模拟器，它能够让信号在传输和观察上更为直观方便。图12 为星体信号发生模拟器。

图12 星体信号发生模拟器

三、已取得成果

中国天眼模型具有很好的演示效果，得到了贵州科学技术馆、贵州造梦工场教育文化发展有限公司等单位的一致认可，并多次参与相关单位的科普宣传活动，并在2017 年12 月参加由中国科协科普部和共青团中央学校部共同主办的“2017 年全国青年科普创新实验暨作品大赛”中荣获贵州赛区一等奖，全国总决赛三等奖。图13 为与贵州造梦工场教育文化发展有限公司合作组织学生实际参观天眼时利用天眼模型讲解天眼原理，图14 为获奖情况。

图13 学生参观天眼模型

图14 获奖情况