張文勇，徐杰，王安志，楊太明

（1.貴州民族大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，貴州 貴陽 500025；2.貴州民族大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)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(yuǎn)鏡）是目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡[1]，由我國著名天文學(xué)家南仁東博士于1994 年提出初步構(gòu)想，經(jīng)過長達(dá)十幾年的選址，最終從幾百個(gè)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(shè)地點(diǎn)，2016 年9 月25 日落成啟用，其表面積相當(dāng)于30 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)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(yuǎn)鏡，其技術(shù)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(shí)建立脈沖星計(jì)時(shí)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(cè)引力波等[3]。自建成啟用后，國內(nèi)外無數(shù)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(hào)，因此，大部分游客去參觀天眼時(shí)只是簡單的在觀景臺(tái)上觀看天眼的外觀結(jié)構(gòu)，而不能真正了解天眼接收和處理信號(hào)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(gè)過程。

二、總體結(jié)構(gòu)

圖1 為實(shí)際天眼結(jié)構(gòu)圖，圖2 為天眼模型圖，天眼結(jié)構(gòu)從外觀上看大體由主動(dòng)反射面板系統(tǒng)、測(cè)量與控制系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、饋源與接收機(jī)系統(tǒng)及觀測(cè)基地等幾大部分組成；圖2 為模擬圖1 設(shè)計(jì)的模型，主要由模擬反射面板系統(tǒng)、模擬測(cè)量與控制系統(tǒng)、模擬饋源與接收機(jī)系統(tǒng)、模擬饋源支撐塔系統(tǒng)、模擬數(shù)據(jù)處理中心、星體信號(hào)發(fā)生模擬器組成；模型用可見光模擬星體產(chǎn)生的電磁波信號(hào)。

圖1 天眼結(jié)構(gòu)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(dòng)反射面系統(tǒng)，圖4 為模擬反射面板系統(tǒng)。主動(dòng)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(dāng)于30 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)大小，外形像一口巨大的鍋，據(jù)中科院國家天文臺(tái)臺(tái)長嚴(yán)俊介紹：“主動(dòng)式反射面板系統(tǒng)采用輕型索拖動(dòng)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)接收機(jī)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(dòng)反射面板系統(tǒng)將電磁波信號(hào)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(dòng)反射面系統(tǒng)

圖4 模擬反射面板系統(tǒng)

（二）模擬測(cè)量與控制系統(tǒng)

圖5 為模擬測(cè)量與控制系統(tǒng)模塊，饋源與接收機(jī)系統(tǒng)在接收電磁波信號(hào)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(shí)刻調(diào)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(dòng)反射面系統(tǒng)上方高140 米至180 米，直徑207 米的球冠面上運(yùn)動(dòng)，因此饋源倉的實(shí)時(shí)位置的準(zhǔn)確性顯得非常重要；測(cè)量與控制系統(tǒng)的工作主要是確定饋源倉的實(shí)時(shí)位置。測(cè)量與控制系統(tǒng)為十余個(gè)高精度基準(zhǔn)站組成的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，利用激光跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤饋源倉的位置。模擬測(cè)量與控制系統(tǒng)使用STM32 微處理器作為每個(gè)饋源支撐塔上模擬卷揚(yáng)機(jī)的控制器，通過紅外遙控技術(shù)可以單個(gè)或多個(gè)控制模擬卷揚(yáng)機(jī)拖動(dòng)饋源倉運(yùn)動(dòng)到想要的位置上。

圖5 模擬測(cè)量與控制系統(tǒng)模塊

（三）模擬饋源與接收機(jī)系統(tǒng)

饋源與接收機(jī)系統(tǒng)主要用于接收反射面板匯聚來的電磁波信號(hào)，并將信號(hào)預(yù)處理后發(fā)送到模擬數(shù)據(jù)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(jī)系統(tǒng)采用3D 打印機(jī)打印的饋源倉作為外部結(jié)構(gòu)；如圖7 所示，使用光敏電阻作為模擬接收機(jī)，光敏電阻被恒定光照射時(shí)電阻值恒定在某個(gè)值保持不變，當(dāng)光照突變時(shí)光敏電阻阻值迅速變化，利用光敏電阻這個(gè)特性，即可設(shè)計(jì)相應(yīng)處理電路來實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的采集。

圖7 光敏電阻作為模擬接收機(jī)

（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(gè)支撐塔、卷揚(yáng)機(jī)、導(dǎo)索、精密調(diào)節(jié)機(jī)器人構(gòu)成；支撐塔、卷揚(yáng)機(jī)、導(dǎo)索用于空間位置調(diào)節(jié)，精密調(diào)節(jié)機(jī)器人用于微調(diào)。模擬饋源支撐塔系統(tǒng)采用萬能角剛搭建六個(gè)支撐塔、使用減速電機(jī)制作卷揚(yáng)機(jī)、采用3D 打印機(jī)打印的饋源倉結(jié)構(gòu)。

圖8 饋源支撐塔

圖9 模擬饋源支撐塔

（五）模擬數(shù)據(jù)處理中心

數(shù)據(jù)處理中心主要用于處理饋源與接收機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集來的宇宙電磁波數(shù)據(jù)，并通過超級(jí)計(jì)算機(jī)分析計(jì)算龐大的電磁波數(shù)據(jù)，提取其中有用的信息。模擬數(shù)據(jù)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(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，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(shí)時(shí)信息。

圖10 光敏電阻處理電路

圖11 示波器顯示實(shí)時(shí)信息

（六）星體信號(hào)發(fā)生模擬器

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

圖12 星體信號(hào)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(xué)技術(shù)館、貴州造夢(mèng)工場(chǎng)教育文化發(fā)展有限公司等單位的一致認(rèn)可，并多次參與相關(guān)單位的科普宣傳活動(dòng)，并在2017 年12 月參加由中國科協(xié)科普部和共青團(tuán)中央學(xué)校部共同主辦的“2017 年全國青年科普創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)暨作品大賽”中榮獲貴州賽區(qū)一等獎(jiǎng)，全國總決賽三等獎(jiǎng)。圖13 為與貴州造夢(mèng)工場(chǎng)教育文化發(fā)展有限公司合作組織學(xué)生實(shí)際參觀天眼時(shí)利用天眼模型講解天眼原理，圖14 為獲獎(jiǎng)情況。

圖13 學(xué)生參觀天眼模型

圖14 獲獎(jiǎng)情況