FAST

FAST（精选十篇）

FAST 篇1

射电望远镜,看你没商量!

每一个领域都有它自己的明星,在望远镜领域,哈勃太空望远镜无疑是一位名声显赫的大明星。自从1990年4月被成功发射到太空为地球服役以来,26年中,哈勃望远镜已绕地飞行十几万圈,执行任务达120多万次,为人类太空研究收集了大量资料,可谓劳苦功高。

不过,即使强大如哈勃,也有它的局限。与之相比,后来居上的射电望远镜,无论在探测精度还是灵敏度上,都要远超哈勃。

说起射电望远镜,它并不是一个新名词。事实上,早在1931年,当美国科学家卡尔·央斯基在新泽西州的贝尔实验室里,发现每隔23小时56分04秒就会出现最大值的宇宙无线干扰电波时,他使用的天线系统——也就是最原始的射电望远镜,就已经引起了人们的注意。而与射电望远镜密切相关的脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子这些20世纪60年代的4大天文学发现,更令射电望远镜在天文学领域大放异彩。

经过几十年的发展,如今的射电望远镜无疑更强大了。分布于美国夏威夷莫纳克亚山天文台、由10架射电望远镜组成的美国超长基线阵列(VLBA),对太空天体的测量精度,可以达到哈勃太空望远镜的500倍,人类肉眼的60万倍。这是什么概念呢?也就是说,它可以让一个在纽约的人清晰地看见一张洛杉矶报纸上的文字!

射电望远镜一般由天线、接收机、信息接收、处理和显示系统等几个主要部分构成。有趣的是,号称“天线”的部分其实并不是一根线,而是圆的,呈抛物面,看上去就像一口大锅。与照相机光圈越大、拍摄时快门速度越快的道理相似,射电望远镜的天线抛物面越大,接收外太空信号的性能就越强。而截至目前,世界上拥有最大抛物面的射电望远镜,就是坐落于中国贵州平塘山区的FAST。

FAST,射电望远镜中的“巨无霸”

FAST,是20世纪90年代中叶,由北京天文台和国内多所科研院校联合成立,并由大型射电望远镜中国推进委员会共同提出并推进的一个项目,建立的初衷,是为了争取世界最大的射电望远镜国际合作项目落户中国。从1994开始选址至今,FAST的项目研发和建造已历时22个年头,如今,它终于建成并可投入使用了。

不过,说起FAST这个英文名字,倒并非有意要取意为“快”,事实上,它是英文“Fivehundred-meter Aperture Spherical radio Telescope”的缩写,全名为“500米口径球面射电望远镜”。500米口径的球面天线,其面积相当于25个标准足球场那么大。就大小而言,FAST远远超过了号称“地面最大机器”的德国波恩100米口径望远镜,以及美国的Arecibo300米口径望远镜。这么大一个观测宇宙的“天眼”坐落在崇山峻岭间,不能不说霸气十足。

但大并非FAST令国人骄傲的关键。FAST真正令世界瞩目的,是它的三大自主技术创新。

首先,FAST是在世界上首次利用天然地貌建设的巨型望远镜。之所以选择贵州平塘县,是因为这里有一片四周高中间低的天然洼地,正好可以容纳500米口径的巨大天线,大大节省了射电望远镜基地建造的成本。另外,这里的熔岩地貌排水通畅,可减少流水对设备的腐蚀。而平塘的光污染和地面电磁波辐射相比其他地方较弱,这也保证了FAST在工作时不受干扰。

其次,FAST采用了主动反射面技术,整个球面由4 600多块可运动的等边球面三角形叶片组成,可以弯曲、活动,并连接着大量极具韧性的传输光缆。应用于FAST上的光缆,能够在5年内抗6.6万次拉伸,这远远超出了抗1 000次拉伸的国家标准。

再次,FAST采用轻型索拖动馈源技术,将千吨级别的馈源舱降至仅30万吨,它还可以通过机器人操控,观察到任意一个太空方位,覆盖天顶角达到了美国研发产品的两倍,并通过并联机器人二级调整,实现了毫米级的动态定位精度。

FAST所拥有的这些自主技术创新,使它在灵敏度、分辨率和巡星速度上都站在了世界射电望远镜的前沿,为我国进一步的宇宙探测打开了一扇天窗。

和外星人对话,不是没可能

对普通人来说,望远镜无非是登上高山、站在大海边看风景的工具,但对天文学家而言,他们透过望远镜看到的,是无穷无尽的宇宙奥秘及探索宇宙的乐趣。

宇宙的边界究竟在哪里?它究竟有多大?在漫无边际的宇宙中,究竟是否有地外文明存在?

为了探索这些疑问,科学家们从未停下脚步。阿波罗号登月,勇气号、好奇号等火星探测器相继登录火星,2013年6月,美国国家宇航局的科学家又通过“孤独信号”项目,借助詹姆斯堡通讯卫星地面站,主动连续地向距离地球18光年的红矮星发送了无线信号——所有这些行为都表明,人类是孤独的,也是好奇的,我们渴望探索宇宙,并希望能在宇宙中找到朋友。

然而,这一切可能实现吗?

目前,2013年人类发向太空的第一封“信”仍在途中,它的内容是:“来自美国奇点大学(一所致力于培养未来科学家的学校)的问候。当你收到这条信息时,科技已足以让我们互相了解和交流。”预计,这条简短的信息,要在太空中航行18年才能抵达目的地。如果红矮星上有地外文明,并及时破译了人类无线信号并给地球发送了回信,那么又将历时18年。

要闻速览FAST NEWS 篇2

纪念毛泽东同志诞辰120周年座谈会

2013年12月26日上午，中共中央在人民大会堂举行座谈会，纪念毛泽东同志诞辰120周年。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平发表重要讲话强调，我们要把党和人民90多年的实践及其经验，当作时刻不能忘、须臾不能丢的立身之本，毫不动摇走党和人民在长期实践探索中开辟出来的正确道路，勿忘昨天的苦难辉煌，无愧今天的使命担当，不负明天的伟大梦想，在中国特色社会主义伟大道路上，为实现中华民族伟大复兴的中国梦，前进。

要求领导干部带头在公共场所禁烟

中共中央办公厅、国务院办公厅近日印发了《关于领导干部带头在公共场所禁烟有关事项的通知》。

《通知》指出，各级领导干部不得在学校、医院、体育场馆、公共文化场馆、公共交通工具等禁止吸烟的公共场所吸烟，在其他有禁止吸烟标识的公共场所要带头不吸烟。同时，要积极做好禁烟控烟的宣传教育和引导工作，督促公共场所经营者设置醒目的禁止吸烟警语和标志，及时劝阻和制止他人违规在公共场所吸烟。

《通知》要求，各级党政机关公务活动中严禁吸烟。公务活动承办单位不得提供烟草制品，公务活动参加人员不得吸烟、敬烟、劝烟。要严格监督管理，严禁使用或变相使用公款支付烟草消费开支。

25855

截至2013年11月底，全国25855人因违反中央“八项规定”精神被处理。

3700万

中国社会科学院和社会科学文献出版社发布的《社会蓝皮书：2014年中国社会形势分析与预测》指出，2013年我国60岁及以上老年人口达2亿人，其中“失能老人”的总数已超3700万。

10

日前，北京市人力社保局发布《关于参保人员延长缴纳社会保险费有关问题的通知》，通知中明确，2014年起，外地人在北京市累计缴纳基本养老保险费满10年的可在京退休。

20万亿

审计署日前发布的全国政府性债务审计结果显示，截至2013年6月底，全国各级政府负有偿还责任的债务为206988.65亿元。这也是我国首次摸清政府债务底数。

7

250个地级市政府官网数据显示，250个地级市共有1750个副市长（不含挂职副市长），平均每个地级市配置有7名副市长。

4.64亿

互联网信息办公布，中国网民数量6.04亿，手机网民4.64亿，手机超越台式电脑成为第一大上网终端。

23.5万

美国教育机构最新报告称，全美高校2012至2013学年招收近82万名国际学生，约有23.5万来自中国，增加21%。

55

据美国彭博社发布的一份“世界最健康国家”报告，新加坡在145个排名国家中位列第一，而中国的健康水平仅列世界第55位。

中央农村工作会议召开

中央农村工作会议于2013年年底召开。会议深入贯彻党的十八大和十八届三中全会精神，全面分析“三农”工作面临的形势和任务，研究全面深化农村改革、加快农业现代化步伐的重要政策，部署2014年和今后一个时期的农业农村工作。习近平和李克强分别在会上作重要讲话。

会议强调，必须坚持把解决好“三农”问题作为全党工作重中之重。补齐“四化同步”中的农业短腿。

会议提出了坚持以我为主、立足国内、确保产能、适度进口、科技支撑的国家粮食安全战略。要确保谷物基本自给、口粮绝对安全。

会议提出，坚持农村土地农民集体所有，这是坚持农村基本经营制度的“魂”。不论承包经营权如何流转，集体土地承包权都属于农民家庭。

会议鲜明提出，用最严谨的标准、最严格的监管、最严厉的处罚、最严肃的问责，确保广大人民群众“舌尖上的安全”。

会议提出，要重视农村“三留守”和空心村问题，健全农村留守儿童、留守妇女、留守老年人关爱服务体系。

行政诉讼法23年来首次大修

2013年12月23日，十二届全国人大常委会第六次会议在北京人民大会堂举行第一次全体会议，审议国务院关于提请废止《国务院关于劳动教养问题的决定》和《国务院关于劳动教养的补充规定》的议案、关于调整完善生育政策的决议草案、关于行政诉讼法修正案的草案等。其中，行政诉讼法是实施23年来首次进行修改。

行政诉讼法1990年实施以来在解决行政争议、推进依法行政等方面发挥了重要作用。同时，行政诉讼制度与经济社会发展不协调、不适应的问题也日渐突出，为解决人民群众反映强烈的“立案难、审理难、执行难”等问题，修正案草案从保障当事人的诉讼权利、完善管辖制度、完善诉讼参加人制度、完善证据制度、进一步明确行政机关不执行法院判决的责任等方面作了修改。

严肃整治“会所中的歪风”

近日，中央纪委、中央教育实践活动领导小组发出《关于在党的群众路线教育实践活动中严肃整治“会所中的歪风”的通知》。《通知》指出，各地区各部门各单位党委（党组）要组织力量深入调研，依法加强监管，结合反“四风”活动采取有针对性的措施加以解决。要把整治“会所中的歪风”作为教育实践活动反“四风”的内容，严肃整治；在整改落实和建章立制中，提出明确要求，加强对党员干部的教育和管理，发现问题及时提醒、坚决纠正。各级纪检监察机关要加强监督执纪，盯住党员领导干部，严肃查处出入私人会所吃喝玩乐等违规违纪行为，严格责任追究，及时通报曝光，形成威慑。

《通知》要求，党员领导干部在教育实践活动整改落实、建章立制中要作出承诺：不出入私人会所、不接受和持有私人会所会员卡，自觉接受党组织和人民群众的监督。

观点速读VIEWPOINT

钟南山：应将治霾成果纳入官员政绩考核体系

2013年，从年初到年末，雾霾由北而南，持续不断，愈演愈烈。中国工程院院士钟南山直言雾霾更多的是人祸而不是天灾，他警示：雾霾比非典更可怕，治霾比抗击非典更持久更困难。

钟南山说，世界卫生组织检测中国500个大城市，世界上污染最严重的10个城市里有7个在中国。清洁的水与空气是人健康最基本之需，雾霾直接伤害的是呼吸道，但危害其实是多方面的，它会让人多器官发病，甚至直接导致死亡的发生。雾霾对人健康的影响不仅是我们这一代人，如果不马上治理，将危害后代。

治理雾霾，西方国家用了30年。钟南山说，应对雾霾，从政府到企业到公众个体，都应行动起来，现在治理雾霾，比发展GDP更重要。政府可否选部分污染严重的大城市，将治霾成果纳入官员政绩考核体系。企业更要有所作为，把减少污染放在追求产值之前。对公众来说，不仅是个人防护的小事，也要积极改变生活方式、出行方式，人人都应该有环保意识。

胡存智：宅基地改革方向并不是自由买卖

就宅基地这一热点话题，国土资源部副部长胡存智接受记者专访时明确表示，农村宅基地制度改革方向是进一步扩大权能，赋予农民更多财产权利，而不是指宅基地可以自由买卖。

包括农村宅基地在内的农村土地管理制度改革，必须坚持集体所有制、用途管制、城乡统筹、维护农民土地权益四个重要原则。胡存智表示，这是农地改革的基本逻辑和底线。

胡存智说，解决农村宅基地的问题，首先要切实保障宅基地用益物权，完善好宅基地管理制度，同时要探索宅基地上的农民住房的财产性收益的路子。因此，决定提出要选择若干试点，慎重稳妥地推动农民住房抵押担保转让。

宅基地转让是否意味着城里人可以去农村买宅基地？胡存智强调，这是方向性误解。按照我国法律制度，宅基地的取得与本集体经济组织成员密切关联，只有本集体经济组织的人才能使用这块宅基地。非本集体经济组织成员无论购买还是以其他方式使用占有农村宅基地，都是违反法律的。

任兴洲：打击群租“不能硬来”，应盘活租房市场，多渠道解决

日前，北京市朝阳区安立路8号院数百间群租房被拆除一事引起了极大关注。北京市曾下发文件提出要严厉打击“群租房”现象，对此，国务院发展研究中心市场经济研究所所长任兴洲表示，打击群租“不能硬来”，应盘活租房市场，多渠道解决租房难问题。

社科文献数据显示，2013年北京约有16万“蚁族”，生活在高校周边或综合人口流动聚集区。据分析，这些人工资不高，居住条件差，近7成人的居住面积在10平方米以下，有的居住面积还不到5平方米。

任兴洲建议，像北京这样的一线城市，应通过多种途径解决外来低收入人群的租房问题。一是利用公租房来解决，这需要有针对性地根据外来人口租房和支付能力的特点，设计公租房的户型和面积，提供适应市场需求的供给，价格上也尽可能使一部分人可以承受；二是在保障安全的前提下，应明确规定合租的单人居住面积最低标准，在打击群租同时，允许适当的合租；三是对符合住房保障标准的人群提供政府补贴；四是一些企业单位可以适当解决职工宿舍。总之，“解决群租问题必须多管齐下，多渠道解决”。

白景明：把税收优惠政策关进笼子

党的十八届三中全会提出，要清理规范税收优惠政策。财政部财政科学研究所副所长白景明指出，要把税收优惠政策关进笼子。

白景明说，目前，中国税收优惠政策较多，主要包括区域性政策、行业性政策、企业规模性政策、所有制性政策四大类。之所以清理规范税收优惠政策，主要是为了遏制无序减税。长期以来，舆论总认为减税是经济发展的发动机和助推器。因此无论政府部门还是企业，都积极争取税收优惠政策，地方更是把向中央争取税收优惠视为促进区域发展的关键。如果争取不到，就自定政策，导致越权减免税、以支出代减税等现象频出，令中国名义税负与实际税负差距不断扩大。

中国的结构性减税事实上成为优惠政策减税，受益主体是特定产业和区域，形成了为减税而减税的现象，减税本身难以发挥宏观调控作用。

今后清理规范税收优惠政策，就是要扭转这种无序减税格局，把部分有利于总体发展的税收优惠转换为一般条款，使所有符合条件的纳税人利益均沾，取消那些阶段性刺激意图明确的税收优惠政策。

张茉楠：当前最大的风险是金融与实体失衡

国家统计局最新数据显示，2013年前11个月全国规模以上工业企业利润增速回落。2013年1至11月规模以上工业企业实现利润增速比1至10月回落0.5个百分点。11月当月规模以上工业企业实现利润总额增速比10月回落5.4个百分点。

国家信息中心经济预测部世界经济研究室副研究员张茉楠指出，工业企业利润回落的原因很多，其中一个重要原因是当前金融和实体的失衡。实体经济是一国的“骨骼”和“肌肉”，实体不强健，就会“骨质疏松”和“肌无力”。可以说，这是当前中国经济的最大风险。

张茉楠说，“做实业”的确非常难。2013年以来，不断攀升的社会融资总量以及表外融资、债券融资的大幅增长，与持续下行的经济增速和宏观经济产出形成了极大反差，表现出明显的“避实就虚”倾向。一方面，实体经济的投入产出效率下降，周转率降低；而另一方面由于实体经济下滑，债务比率上升。

“可见，负债外币化，通过资本套利，企业轻易地从中获得显著收益，导致‘劣币驱逐良币。如果不彻底打破这个恶性循环，向实体回归，实体强健就可能越来越难。”张茉楠说。

顾云昌：中国地产将步入“三分化”时代

“分化”已经成为2014年中国楼市的关键词。在近日“地产中国红榜”发布会上，资深行业专家顾云昌直言：“有关房地产，有一点可能没有引起全社会高度关注，即2013年10月29日习近平总书记在中央政治局学习会上，强调加快推进住房保障和供应体系建设。”

顾云昌分析认为，中央讲住房保障体系和住房供应体系，没讲调控，是对房地产政策思路的转变，即以往房地产调控是以控房价为“牛鼻子”，现在中央抓房地产的“牛鼻子”变为了供应。

顾云昌指出，2014年中国房地产和房价将进入“分化时代”。即“城市分化”“企业分化”“产品分化”的“三分化”。其中，“城市分化”指的是大城市的一线城市市场和三四线城市将出现明显分化，一个火爆一个冷清；“企业分化”指企业将强者恒强，大者恒大，中小企业被淘汰或兼并；产品的分化，即住房产品更加细分，差别更明显，许多人开始从事商业地产、旅游地产，养老地产，市场在分化，产品、市场业态都不再单一，产品复合程度提高，产品之间差异化越来越大，产品从物质产品向服务产品转变。

FAST主反射面节点运动控制算法 篇3

500 m口径球反射面射电望远镜———Five-hundred-meter aperture spherical telescope(FAST)将是世界上最大的单口径射电望远镜。其结构与美国的Arecibo望远镜相似。FAST有别于Arecibo的创新点之一是其反射面是可动的[1]。FAST主反射面整体索网支撑,由4 400块三角形反射面单元铺设在整体索网上,整体索网有2 300个索网节点连接[2]。天文观测时,根据不同的观测源,在上位机的控制界面中输入不同的参数并发出命令给控制器,控制器通过自带的算法计算每一时刻节点的目标长度。目标长度与当前长度有变化时,控制器给出指令,电机运动带动索网节点下方的下拉索伸缩,使得反射面在照明区内由球面变成抛物面。为验证整体方案的可行性,在密云建造了30 m缩尺模型[3]。此模型中使用的控制算法是恒速控制,通过简单控制电机起停和运动方向完成控制。恒速控制优势是电机价格低,控制算法简单;代价是电机启停次数多、磨损大。在FAST原型反射面变形时,将有两千多台电机驱动节点运动,电机寿命成为影响望远镜可靠性的关键因素。由于球面各向同性,分析其中一个节点的运动特性可代表所有节点运动状态。本文目标是规划控制算法,优化下拉索出索速率。在满足控制精度的前提下电机的启停次数最小、减小磨损,为FAST反射面控制选择何种电机提供理论依据。

1 FAST主反射面节点控制要求及基础参数确定

按天文观测目的不同,天文观测分换源和跟踪观测两种工况[4]。

运动范围:节点沿径向运动最大行程1 200mm,实现抛物面变形时最大行程960 mm。

速度要求:为达到10 min换源的目标,抛物面与球面的径向最大偏移为960 mm,最大换源速度为960/600=1.6 mm/s。因此电机出索最大速率不小于1.6 mm/s,换源过程不要求节点高精度运行;观测时,地球自转每小时15°,节点运动速率比换源时低,最大速率约0.7 mm/s。

精度要求:变形抛物面的表面精度要求达到RMS 5 mm,分配给节点动态测量与控制误差RMS2 mm,促动器运动精度0.25 mm,节点测量频率0.02 Hz,由于节点测量频率低,基本处于半开环状态,节点运行精度主要靠控制和执行保证,控制算法的优劣直接影响望远镜总体性能,按分配指标节点测控达到RMS 2 mm,考虑到其他因素及三分之一原则节点控制理论误差限定为0.7 mm。

控制周期:任一节点从进入有效照明口径到离开经历的最长时间为60°/15°=4 h,双边对称,分析时长选为2 h即7 200 s。理论上控制周期越小带来的量化误差越小,但需付出其它代价,因此需优化控制周期,观测时节点运动最大速率0.7 mm/s,如果控制周期设定为2 s,一个周期运动带来的量化误差极限值为1.4 mm/s,控制周期为1 s时,极限误差为0.7 mm/s,因此将控制周期暂定为1 s。

2 FAST主反射面节点径向位置变化规律

时角坐标系{xt,yt,zt},其中zt指向北天极,yt指向西点,xt和yt满足左旋规则。地平直角坐标系{x,y,z},其中z指向天顶,x指向北点,y指向东点,O为地球球心也为地平直角坐标系的原点。

射电源的时角坐标表达式:

式(1)中rsky是天球半径,δ是赤纬,H是时角。

H=S0+(t-8)(1+μ)+λ-α (2)

式(2)中S0为当地时间为0(h)时所对应的恒星时,t是北京时,$\mu =\frac{1}{365.2422}‚\lambda$为观测站的地理经度,α为天体的赤经。

由图1及地平坐标系与时角坐标系的关系有:

设某时刻抛物面顶点Om的球面坐标为(rom,θom,βom),由于抛物面顶点始终在球面上,所以rom=-R。由式(3)及地平坐标与球坐标的关系得到抛物面顶点Om的球面坐标为:

$\left[\begin{array}{c}r{}_{om}\\ \theta {}_{om}\\ \beta {}_{om}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-R\\ \cos {}^{-1}\left(\frac{z}{r}\right)\\ tg{}^{-1}\left(\frac{y}{x}\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-R\\ \cos {}^{-1}(\cos \phi \cos {\rm H}\cos \delta +\sin \phi \sin \delta )\\ tg{}^{-1}\left(\frac{-\cos \delta \sin {\rm H}}{-\sin \phi \cos {\rm H}\cos \delta +\cos \phi \sin \delta }\right)\end{array}\right](4)$

在地平直角坐标系{x,y,z}中,抛物面顶点在球冠中心时,用球坐标表示的抛物面方程为:

r2sin2θ+4Frcosθ-4FR=0 (5)

式(5)中F为焦距等于0.467R,R是曲率半径为300 m[4]。

由式(5)可得以球冠中心为顶点的抛物面上任一点的球面坐标为:

$r=\frac{-2F\text{c}\text{o}\text{s}\theta +2\sqrt{F{}^2\cos {}^2\theta +FR\text{s}\text{i}\text{n}{}^2\theta }}{\sin {}^2\theta }(0\le \beta \le 2\pi )(6)$

图1中抛物面上任意节点Ni与抛物面顶点Om夹角为ω,ω为极角[5]。当抛物面顶点在偏离球冠中心的时,理想抛物面上任意节点Ni对应的径向半径为:

$r=\frac{-2F\text{c}\text{o}\text{s}\omega +2\sqrt{F{}^2\cos {}^2\omega +FR\text{s}\text{i}\text{n}{}^2\omega }}{\sin {}^2\omega }$ (7)

由图2可得,抛物面上的节点与抛物顶点最大夹角γ=sin-1(D/2/R)=30°,其中照明口径D=300 m。cos(ω)≤cos(γ),由公式(7)分母不为零,有ω=(0,30°]。

则节点Ni从球面沿径向移动到当前理想抛物面的距离为:

Δri=R-ri (8)

节点径向长度随时间的控制量为:

δt=rt-rt-T (9)

式(9)中T为控制周期,t为当前时刻。

由于地球自转每小时15°,在理想状态下,极角ω与时间t的关系为:

ω=15(°/h)t (10)

时间范围(0,7 200 s)

把式(10)代入式(7),可得抛物面上所有节点的径向长度随时间的变化关系,图3所示。

3FAST主反射面节点运动速率算法

反射面的节点速度由换源速度和跟踪速度组成。换源速度比跟踪速度大,当完成一次换源后,节点的运动速度由换源速度转为跟踪速度[4]。

由v=dr/dt(mm/s),对式(7)求导,得到抛物面上所有节点的跟踪速度随时间t的变化关系,图4所示。图4中可得抛物面节点最大跟踪速度为0.699 2 mm/s。

4节点控制速率及算法优化

4.1分析方法及处理流程

分析约定:设节点理论运行速率为V,节点调整时需要的运行速率为v_temp,控制周期为T,误差界Limit_dr,设定电机速率为set_v,电机起停次数break_n,控制误差RMS_R,电机停止周期数量k0,电机满周期运行数量k1,单周期内停止周期数kn。

分析方法:设定运行时长t=7 200 s、控制周期T=1 s和误差界Limit_dr=0.7 mm,计算出每个时刻i,节点的径向长度r(i)。优化电机输出速率,优化目标为满足误差要求的基础上电机起停次数最少。流程如图5。

4.2恒速控制速率优化

如前文所述,分析时长为7 200 s,Limit_dr=0.7 mm,本节对T=0.5 s、1 s、1.5 s及2 s进行初步考虑。前文分析得到最大换源运动速率为1.6 mm/s,观测时最大跟踪速率为0.7 mm/s,如恒定调整速率大于1.6 mm/s超出电机运行能力,小于0.7 mm/s,达不到运动精度,理论上恒速越接近瞬时速率起停次数会越少,因此观测运行时非零调整速率set_v,本文只分析0.7 mm/s和1.6 mm/s两种速率。经分析对比可确定如果采用恒速控制T=1 s,set_v=0.7 mm/s最优,相同条件下采用0.7 mm/s速率较1.6 mm/s速率电机起停次数降低29%。

4.33观测中变速控制分级优化

当分析时长为7 200 s,T=1 s时,对节点理论调整速率进行统计结果如表2所示。

从结果看,大部分电机速率小于0.3 mm/s,在进行变速控制时无需无级变速,通过归一化处理进行有级变速控制。经细分统计速率小于0.25的点数为5 956约6 000点,0.25—0.7之间约1 200点。初步规划电机速率分级为:0、0.25、0.7、1.6(用于换源),观测时非零电机运行速率为两级0.25、0.7,分析结果显示采用四级速率运动的启停次数相对于以0.7 mm/s恒速控制时,起停次数降低了38%。

4.4观测中变速控制分级优化基础上采用超调控制策略

由于主反射面控制中测量提供的反馈信息频率是0.02 Hz,基本处于开环控制状态,节点运行精度与运行状态与算法密切相关,为减少电机起停次数,调整过程中根据节点运行轨迹,可采用预测超调策略。控制周期为1 s,节点观测运动最大速率为0.7 mm/s,控制中可提前执行下一周期半周期的执行量,可能带来的极限误差为0.35 mm,由于大部分运行速率小于0.25 mm/s,因此超调带来的误差有限。分析结果表明,采用超调策略没有引入误差,对降低电机起停次数有一定的效果,起停次数降低了17%。

5总结与结论

(1) 在运行能力达到要求的基础上,节点运行精度仅与误差限相关,对控制周期及速率不敏感;

(2) 电机运行速率是电机起停频率的敏感参数,优化结果显示当采用恒速控制时,控制周期为1 s,电机运行速率为0.7 mm/s时起停次数最少,相对1.6 mm/s时电机起停次数降低了29%;

(3) 当观测时采用两级非零运行速率(0.25 mm/s,0.7 mm/s)时,可降低电机起停次数,相对于以0.7 mm/s恒速控制时,起停次数降低了38%;

(4) 在两级控制基础上采用超调算法进行控制,可继续降低起停频次,当运行速率为(0.25 mm/s,0.67 mm/s)时,电机起停频次相对常规两级调整降低17%;

通过优化控制算法,规划电机出索速率,可达到简化驱动和大大降低电机起停频次目的,优化后电机起停次数相对于开始1.6 mm/s恒速运行工况,起停频次降低了63%,为将来FAST反射面控制策略和电机选型提供了重要的参考意见。

参考文献

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[4] FAST系统.FAST初步设计报告.北京:中国科学院国家天文台,2006:6—21

fast的副词形式adj 篇4

你打字有多快?

Children grow up so fast these days.

如今孩子们长得真快。

There are no hard and fast rules about this.

这事没有什么硬性的规定。

Research indicates that eating habits are changing fast.

研究显示，饮食习惯正迅速改变。

Things are not moving as fast as we hoped.

FAST 篇5

“快时尚”标榜的是“快+时尚”——designs move from catwalk1 to store in the fastest time to catch current trends in the market。快时尚品牌的设计师不停穿梭在各大时装周（Fashion Week）秀场和世界各时尚城市，捕捉时尚信息来设计。一件快时尚小裙，从时装周初获灵感，到设计、制作、上架，时间不超过一个月。快时尚品牌店橱窗更是平均一周更新两次。

快时尚的另一张王牌是“平价”——尽管很多时尚中人不想和“平价”（或者说“廉价”）扯上关系——Fashion trends are designed and manufactured quickly and cheaply to allow the mainstream consumer to take advantage of current clothing styles at a lower price（时尚的新款服饰经过快速而廉价的设计和制作，使得大众消费者能以低廉的价格尝试流行的服饰风格）。快时尚店总是有那么一些打折款，价格就更是贴心啦。

快时尚品牌绝不吝惜广告投入，大牌模特如Kate Moss，都曾是快时尚的代言人。快时尚也绝不只是时装周的跟屁虫，代表品牌H&M在2004年起开始与大牌设计师联姻，Karl Lagerfeld、Stella McCartney、Madonna、川久保玲都曾与之合作。2 时尚老佛爷Lagerfeld给H&M设计的30款衣饰，在全球500多家店铺同一天上架，宣传册在一个小时之内散尽，衣饰在发售当天被疯抢一空。

据说时尚老佛爷Lagerfeld在宣布与H&M合作后不久，曾被一位灰白头发、穿紫色天鹅绒晚礼服的绅士在派对上拦下。对老佛爷的选择，绅士颇为不解：“How could you? They’re so cheap!（你为什么要这么做？它们多贱啊！）”老佛爷答道“Cheap？! What a depressing word! It’s all about taste. If you’re cheap...nothing helps.（贱？！这字眼太让人沮丧了！这（时尚）只与品位有关。但要是你人很贱……那才真没救儿了）”

单词卡片

1. catwalk: （时装表演时供模特用的）狭长表演台，T台。

2. Karl Lagerfeld: 卡尔·拉格菲尔德，是举世公认最具领导潮流能力的设计师之一，他具有源源不断的新创意，每一季都推出精彩绝伦的新作。因此被人尊称为时尚界的“老佛爷”；Stella McCartney: 斯特拉·麦卡特尼，英国著名新一代时装设计师，是甲壳虫乐队成员之一保罗·麦卡特尼的女儿。以她为时尚品牌Chloe所设计的时装而颇具名气。

Buzz off1! New Ways to Drive Mosquitoes Away!

Mosquito bites could become nothing more than a bad memory in the near future, because some scientists have found a way to make the insects buzz off. They’ve created a gas that deceives the mosquitoes’ senses, making it almost impossible for the insects to sniff out2 human blood.

The finding could be used to make new repellent3 lotions and sprays, as well as things used to keep rooms free of the biting insects.

The discovery would also help provide protection against malaria and other tropical illnesses. Mosquitoes transmit malaria to more than half a million people a year and cause millions of deaths around the world.

In one science magazine, scientists explain how the new gas can deceive mosquitoes. One chemical in the gas can confuse the tiny sensors mosquitoes use to sniff out the carbon dioxide breathed out by people.

But it is not known whether the gas is safe for people. It still needs to be tested before people can use it.

蚊虫叮咬可能在不久的将来就会变为一个不好的回忆而已，因为一些科学家已经找到了驱蚊的办法。他们研制出一种气体用来误导蚊子的嗅觉，可以使它们几乎无法再嗅出人体血液的气味。

这项发明会被用于研制新的驱蚊液和喷雾，还可用于房间中驱赶咬人昆虫的产品。

这项发现同样可以预防疟疾和其他热带疾病。蚊子（的叮咬）一年之中就会使超过五十万人染上疟疾，并导致全球不计其数的人死亡。

在一本科学杂志上，科学家们对这种新型气体如何干扰蚊子的嗅觉做出了解释。在此种气体中含有一种化学成分，可以扰乱蚊子体内用来嗅出人体呼出的二氧化碳的微小传感器。

不过，此种气体作用于人体是否安全仍不得而知。在投入使用前仍需试验。

单词卡片

1. buzz off: 走开！（非礼貌说法）

2. sniff out: 靠嗅觉发现，嗅出。

3.repellent: 驱蚊剂。

FAST 篇6

LOWE等人提出了SIFT算法[4,5],这种算法是一种鲁棒性好、尺度不变的特征描述方法,但是实时性不够。Bay等[6]提出的SURF算法,在特征点周围区域计算Harr小波,生成特征向量进行配准,是在一定程度上对SIFT算法进行的改进,最大特点就是快,并且在快的基础上还保持性能,能满足实时性的要求。Rosten和Drummondden等[7]提出FAST角点检测算法,一种快速寻找角点的算法。1996 年Ojala等在文献[8]中提出了一种基于局部二值模型的LBP描述子,但该描述子不具备旋转不变性。随后,Pietikainen等在文献[9]中对LBP描述子进行改进,提出了LBPROT描述子,该描述子具备旋转不变性。

本文提出了一种基于多尺度FAST和旋转不变LBP算子的算法。创新点在于:提出多尺度FAST特征点提取算法;提出用旋转不变的LBP算子来描述,生成相对短的51维向量。

1 特征点检测(Feature Points Detection)

针对FAST检测算法的不足,本文将FAST算法与尺度空间相结合,从而使FAST角点检测算法具有尺度不变性。因为FAST算法对于斑点噪声非常敏感,所以要对图像进行平滑处理来去掉影响。然后建立尺度空间金字塔。

尺度空间金字塔具有n个内层di和n层ci,i=0,1,…,n-1,实验中n=4。c0是原始图像,c0降采样1.5 倍得到d0,di-1隔半采样得到di,di位于ci+1和ci之间,ci-1隔半采样得到ci。比如尺度用来表示,那么ti(di)=2i*1.5,ti(ci)=2i。这样的方式去掉了SIFT那种的图像和高斯核卷积的步骤,而建立的金字塔,节省了很多时间。然后,在每层中找到FAST特征性点,并在其特征点的当前层和相邻层中,算出3*3领域的高斯差分值。

2 改进的LBP特征描述(The Improved LBP Feature Description)

2.1 LBP特征描述(LBPFeature Description)

假设中心像素点的灰度值为gc,8个采样的点的灰度值分别为g0, g1,… , g7,则中心点的LBP特征计算公式为:

改进之后, Ojala等人实现了具有旋转不变性的LBP特征.旋转不变的LBP特征( 记为LBPPri,R) 可以通过LBP特征数据的循环移位来实现,计算公式为

其中ROR ( x , k) 表示对P位二进制数x进行向右循环移位k次( | k | < P )。

2.2 改进的特征描述向量(The Characteristics of The Improved Description Vector)

假如提取到的特征点为p(x,y,θ,σ),σ是特征点的尺度,θ为特征点的主方向,(x,y)为特征点的坐标。然后把坐标轴转到特征点的主方向,以3σ、6σ 和10σ作为半径创建三个圆,并把这些圆进行八等分,算上圆心一起有25个点。对于中心像素点,计算、、、3 个旋转不变LBP值。最靠近中心点的圆上的8 个采样点,分别计算其、,对于次靠近的8 个点计算、,最远的8 个点,计算值。

3 特征向量匹配(Feature Matching Vector)

当特征点的描述向量生成后,利用BBF算法进行快速匹配,寻找最近邻特征点,采用欧式距离作为特征点匹配的判定标准,如果最近的距离与次近的距离比值小于一个阈值,则是一对匹配点,并使用RANSAC算法剔除误匹配点。

4 实验结果(Experiment Results)

文中使用多尺度FAST算法对两幅待配准图像进行特征点检测,用旋转不变LBP算子进行特征描述,通过BBF算法完成特征匹配,再用RANSAC算法剔除错误匹配点。软件环境是Windows 7 操作系统,Visual Studio2010,Open CV2.4.8。硬件环境是:CPU Intel(R) Core(TM) i5-4440,3.10GHz主频,4G内存。实验图像是标准图像库的四种图片。

由表可知虽然改进FAST算法在噪声干扰的情况下性能较差,但在缩放、旋转和光照变化情况下要优于FAST。

5 结束语(Conclusion)

针对FAST特征不具备尺度不变特性和图像匹配过程中消耗时间多的现象,提出了一种新的算法,通过FAST与尺度空间相结合检测特征点,使用旋转不变LBP算子生成51 维的特征描述向量。多尺度FAST算法能快速检测到特征点,旋转不变的LBP和SURF描述符的性能相当,在光照和旋转条件下效果更好,并且向量维数少,速度更快。实验证明文中提出的算法具有比较好的鲁棒性,可以实现快速的匹配图像。

参考文献

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FAST 篇7

风能是一种取之不尽、用之不竭的绿色可再生能源。风具有随机性, 表现为风速和风向随时间都在不断变化, 能量和功率也随之变化, 并且风力发电机在实际运行过程中还会遭遇阵风, 风切变, 塔影效应等, 怎样在风速快速变化与参数不确定的情况下使所设计的控制器具有较好的控制性能, 是风电领域的一个研究热点。由于风机受自身电气负荷的限制, 当风机处于额定风速以上时, 必须限制其转速, 使发电机功率维持在额定功率附近。变桨距控制技术就是通过调节叶片迎风角, 改变气流对叶片的攻角, 实现气动转矩的调节, 从而达到限制功率的目的。目前大型风电机组的变桨距控制器仍是以PID控制器为主流, 但是PID控制器参数的选取直接影响控制器的性能, 虽然人工参数整定的参数能满足工程设计要求, 但是它不一定是最佳的参数。针对这一问题, 本文首先介绍了风力发电机组的系统模型, 在此基础上, 以1.5MW水平轴风力发电机作为研究对象[1], 利用FAST建立整机模型, 并在Similink中设计了一种基于功率反馈的PID变桨控制器, 再利用粒子群寻优算法对PID的三个参数进行寻优。程序运行以及利用所得的参数进行仿真验证表明, 粒子群寻优算法能较快的寻得一组最佳参数, 为选取PID控制器的参数提供了一种可行的手段。

1 风力发电机组系统模型

风力发电机组是由风轮、动力传动系统、发电机和控制系统组成的有机整体。风机通过风轮捕捉风能, 再经动力传动系统带动发电机发电, 实现机械能到电能的转变。风力发电机组系统框图如图1 所示[2]:

1.1 风轮

风轮由叶片、轮毂、以及变桨机构组成, 风机捕获风能由叶片来实现, 由空气动力学及叶片的叶素理论可得风轮的气动功率P和气动转矩T分别为[2]:

式中P为风轮吸收的功率;ρ 为空气密度;R为风轮半径;Cp和CT分别为功率系数和转矩系数, 它们都是叶尖速比 λ 和桨距角 β 的非线性函数;v为风速。

变桨距执行机构可以用一阶惯性系统来表示:

其中, τβ为时间常数;β 为实际桨距角;βref为参考桨距角。

1.2 动力传动系统

传动系统一般由风轮侧低速轴、增速齿轮箱、发电机侧高速轴组成。将发电机组进行简化后, 风轮的运动方程可表示为:

发电机侧运动方程:

式中, Jr、Jg分别为风轮与发电机的转动惯量, kg · m2;ωr、ωg分别是风轮与发电机的角速度;Dg、Dr分别是风力机端和发电机端的阻尼系数;Tr、Tm、Tg分别是风轮转矩、发电机侧高速轴转矩和发电机电磁转矩, N · m。

1.3 发电机

变流器依据发电机转速的变化调节励磁电流的频率、相位以及幅值, 实现发电机的恒频输出。因为风轮的机械响应要比电机的电磁响应慢很多, 所以忽略其模型, 假设发电机的负荷转矩通过转矩设定值即可立刻传递到电机转轴上, 直接将发电机看作转矩源[3]。

式中, Tref为给定的发电机转矩。

2 控制系统

目前大多数变速变桨风力发电机的运行区域如图2 所示。在区域2, 风机在切入风速与额定风速之间运行, 此时桨距角一般保持安装角不变, 通过发电机转矩控制来控制发电机转速, 使机组以最佳叶尖速比运行, 最大限度地捕捉风能。在区域3, 风速高于额定风速, 此时需要通过变桨机构来调节叶片的桨距角以改变叶片攻角, 通过降低或增大叶片的空气动力效率来达到限制功率的目的[4]。

图3为基于功率反馈的桨距控制原理图:

PID控制器的传递函数为[5]:

其中Kp、Ti、Td为PID控制器的三个参数。

3 粒子群寻优算法

粒子群算法与蚁群算法、鱼群算法类似, 也是一种群体智能的优化算法[6]。算法中每个粒子都代表所求问题的一个潜在解, 每个粒子对应一个由适应度函数决定的适应度值。每个粒子都有相应的位置与速度, 粒子的速度决定了粒子移动的方向和距离, 速度随自身以及其他粒子的移动经验进行动态调整, 通过追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优。粒子在搜索空间中的速度和位置由以下2 个公式确定:

式中, x表示粒子的位置;v表示粒子的速度;w为惯性因子;c1、c2为加速常数;r1、r2为[0, 1]之间的随机数;pt是粒子迄今为止搜索到的最优位置;Gt是整个粒子群迄今为止搜索到的最优位置。

利用粒子群算法对PID控制器的参数进行优化设计, 其过程如图4所示[6]:

PSO的流程如下:

(1) 初始化粒子群, 随机产生所有粒子的位置和速度, 确定粒子的Pt、Gt。

(2) 对每个粒子, 将其适应值与该粒子所经历过的最优位置Pt的适应值进行比较, 如较好, 则将其作为当前的Pt。

(3) 对每个粒子, 将其适应值与整个粒子群所经历过的最优位置Gt的适应值进行比较, 如较好, 则将其作为当前的Gt。

(4) 按式 (8) 、 (9) 更新粒子的速度和位置。

(5) 如果没满足终止条件, 则返回步骤 (2) ;否则, 退出算法, 得到最优解。

4 程序运行结果与仿真分析

FAST有两种仿真方式[9]:一种是命令行仿真以及在MATLAB环境下与Simulink的联合仿真, 本文采用的是第2 种仿真方式。仿真前要准备好相应的主输入文件、塔基输入文件、塔架输入文件等。输出包含了各部件的载荷与形变的时序数据。这里以1.5MW变速变桨风力发电机为对象, 通过FAST得到整个机组的非线性气弹模型, 然后在Simulink中搭建桨距控制器与转矩控制器, 其仿真模型如图5 所示:

仿真所需的风输入信号由FAST软件包中的Turbsim[10]生成, 本文采用100s的IEC湍流风作为输入风信号, 其风速模型如图6 所示:

为了优化模型中PID控制器的三个参数, 而优化的目标是使得功率能限制在额定功率1500KW附近, 所以粒子群算法中将性能指标选用为ITAE指标, 其定义为:

式中, e (t) 为功率误差。

粒子群算法中几个相关参数选取如下:

粒子种群规模即粒子数n=30;最大迭代次数Max Iter=300;位置上限为Ub =[0, 0, 0] , 下限为Lb[=-0.1, -0.1, -0.1] 。运行程序得到的优化过程如图7所示。

从图中可看出整个粒子群在经过30 次左右的迭代寻优便可以较快收敛到最佳的适应值, 得到的最佳参数为zbest=[-1.28*10-3, -1.04*10-3, -0.186*10-3]。将此参数赋给Simulink模型中的PID控制器, 然后运行模型得到的发电机功率曲线如图8 所示。

图9 是桨距角与风速的变化曲线, 从图中可以清楚的看到, 尽管风速在剧烈变化, 但是桨距角的变化趋势基本与风速一致, 这说明控制器能很好的跟踪风速的变化, 达到稳定功率的目的。

图10 为根据经验进行人工调整得到的一组参数所对应的功率曲线。

从图8 与图10 的对比可以看出, 虽然它们的功率都能在额定功率附近上下波动, 但是经过粒子群寻优算法得出的参数所对应的功率曲线, 它的波动范围只有正负50, PID控制器性能得到了明显改善。

5 总结

本文介绍了大型风电机组的系统组成, 并简单介绍了粒子群优化算法, 然后利用FAST建立风电机组的整机模型, 并在Simulink中搭建PID功率控制器, 最后利用粒子群算法得到最佳参数并进行仿真验证。结果表明, 所搭建的模型正确, 粒子群算法所得到的PID的3 个参数确实改善了控制器的性能。但是, 由于该变桨控制器仅仅只是考虑了功率控制上的性能, 而没有顾及叶片以及机组各结构部件的载荷, 这对大型风力发电机来说是一个必须注意的问题, 所以该控制方法还具有一定的局限性。

摘要：风机受自身机械结构的承受能力与电气负载极限的影响, 需在其相应的工作状态限制其转速与功率。因此风电机组的控制主要分为额定风速以下的转速控制和额定风速以上的功率控制。本文主要针对额定风速以上对风机进行恒功率控制的研究。利用FAST软件建立风机的整机模型, 并在Simulink中设计了一种基于功率反馈的PID变桨控制器, 考虑到PID参数的选取对控制器的性能影响较大, 而人工参数整定不一定能得到最佳参数, 针对这一问题, 采用粒子群算法 (PSO) 进行参数寻优, 以此来优化功率曲线, 仿真结果验证了其有效性。

关键词：风电机组,FAST,功率反馈,粒子群

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FAST 篇8

在FAST馈源运动过程中，馈源舱的空间扫描轨迹是由六根悬索通过卷扬机进行收放实现的，每根悬索的跨度都在200 m以上。悬索-馈源舱子系统具有柔性大、阻尼低特点，导致其基频低和模态频率密集，因此，如果将包含各阶模态信息的测量数据直接用于粗调控制时，高频模态成分容易引起柔性低阻尼的舱索系统系统长时间振动，从而降低控制品质[3]。常规解决方法是对于柔性结构采用低通滤波，忽略柔性结构的高阶振动模态的影响，通过主动缩小测量数据的频谱带宽来保证系统运行的稳定性，但常规低通滤波固定了其截止频率值，多用于不变柔性结构，而FAST馈源舱在6根悬索牵引下作空间运动时，其悬索的长度和牵引力呈现大范围的变化，舱索拉力从30 kN到330 kN变化[4]，在不同的位姿下，舱索系统的结构基频也是不同的，文献[4]中选取某典型轨迹，其最大基频是最小基频的2倍，故而常规低通滤波器对于FAST馈源舱索系统不再适用。文献[5]提出具有时滞的目标状态运动学模型，应用H∞滤波算法对目标进行跟踪，然而该方法的控制效果依赖于其数学模型建立的准确性和扰动统计规律的合理性。文献[6]中提出了一种基于频率分析的实时滤波器的方法，该方法利用傅里叶变换对测量数据进行处理，然而傅里叶变换要求是连续均匀分布的时域序列，但实际测量数据在时域上是不均匀;而且在频率选择上，选择幅值最大的频点为预测频率，仅以该频点做傅里叶逆变换，会同时把测量数据中的部分有效成分去除掉。

针对FAST馈源舱的运动特征，提出了一种基于变结构基频的低通滤波方法，根据功率谱变换原理，利用测量数据实时计算出结构基频，以该基频值作为低通滤波器的截止频率对测量数据进行处理，因此该滤波方法具有自适应性。在FAST 5 m模型上进行验证，实验结果表明了该方法的有效性。

1 问题提出

在结构不变的柔性结构的振动控制中，可以采用低通滤波的方法，对振动进行主动控制。文献[7]中使用了一个二阶低通滤波器，其传递函数为

然而，其中截止频率frf是不变的，是可以由柔性结构的模态信息提前确定的。

在文献[8]中给出了FAST中悬索水平张力和外力之间的关系，当馈源舱在空间不同位置时，如图1所示，悬索的张力变化且变化范围大。对于具有低阻尼、低频率、模态密集等特点的舱索系统，随空间姿态不同结构基频也是变化的。在进行反馈控制时，舱索系统的位移量中就含有各阶模态信息，如果不加处理直接用于粗调控制，高阶模态信息会引起舱索的振动，将会影响控制性能。为此，对测量数据进行低通滤波，上文已经提到常规滤波方法并不适用于为变结构的FAST舱索系统，所以，需要设计一种可以实时在线确定截止频率的滤波方法。

2 基于频率分析的滤波方法

由于舱索系统具有变结构的特点，就需要在线实时获得结构基频，用于滤波器的设计。对于时域上非均匀分布的测量数据，离散傅里叶变换不再适用。FAST 5 m模型实验中利用API激光跟踪仪对其进行跟踪测量获得馈源舱的姿态，API跟踪仪的采样率为150 Hz，对于慢变运动的馈源舱，进行功率谱变换前首先需要对测量数据进行直线拟合，以去除掉其刚体运动成分，进行滤波处理后再将刚性运动成分加上。

下面将在线确定结构基频的计算步骤进行介绍。假设得到一组离散数据为xi(i=1，…，N)，相应的时间序列为ti，采用功率谱变换[9]。首先计算该离散数据的均值和方差

功率谱变换中频率f的计算范围为

式(4)中tr为离散数据序列总时间间隔，M取值可以为1,2,3，…是一个整数值，表示平均奈奎斯特频率的倍数。总的频率个数是由M决定的。

相邻两个频率值之间的间隔是

所以第j个频点值fj为

计算每一个频点的时间平移不变量τj

最后计算出该频点处能量幅值S(fj)

通过功率谱变换后，其中能量幅值最大值对应的频率点即为其结构基频值。

通过上面计算后，确定出结构基频值后，便可以在线用于滤波器的设计。根据上面章节的论述，为了将测量数据中基频成份和高频成份分离开来，可以选择以结构基频作为截止频率数字低通滤波器来实现该目的。

使用前文中介绍的二阶低通滤波器，然而，截止频率frf不再是一个定值，该值是通过上面章节中在线确定的结构基频，是变化的。由于可以实时计算出结构基频用于更新滤波器的截止频率，因而该滤波器具有自适应的功能。

3 实验验证

3.1 结构基频验证实验

为了验证上面章节中确定结构基频方法的准确性，在FAST 5 m模型上选择四个不同的姿态进行验证，四个姿态如表1所示。

在每个姿态时，API激光跟踪仪跟踪测量馈源舱振动，并且在每个姿态时都使用模态分析仪进行模态测量，如图2所示。

模态分析仪可测量得到馈源舱的模态，并得到相应的频谱图，如图3所示，(a,b,c,d分别为表1中四个姿态对应的模态分析仪频谱图)从频谱图中可以准确地找出其基频值。

将四个姿态的API测量数据进行不等间距功率谱计算并画出其频谱图，如图4所示:

将模态分析仪测量出的结构基频与不等间距功率谱变换后的基频对比，如表2。

通过表2的对比结果可以看出，通过对测量数据进行功率谱计算后，在姿态d位置时，计算结果与测量结果误差最大，最大差值为0.031 Hz，说明该方法可以准确的找到馈源舱在不同姿态时的结构基频。

3.2 低通滤波验证实验

在FAST 5 m模型实验中，理论上规划一条直线运动轨迹，该轨迹为从点(1 909.050 5,1 772.097,-984.558 23)运动到点(1 867.714 1,1 720.139 8,-875.805 42)，在运动过程中使用API进行跟踪测量，API激光跟踪仪的采样频率较高，对于使用功率谱进行变换处理要求的数据量是足够的。

对于慢变运动的FAST系统来说，选择每隔一秒钟对测量数据进行一次滤波处理是足够的。按上面章节中的介绍:首先对该秒中测量数据进行功率谱计算用以确定出结构基频，然后以计算出的结构基频更新低通滤波器的截止频率，最后以新设计的低通滤波器对该秒中的测量数据进行滤波处理。把原始测量数据和低通滤波处理后的数据各画出一条运动曲线，取其一个局部放大图，如图5所示。

选取其中一次滤波处理的结果，对比滤波处理前与滤波处理后的频率成分，如表3所示，对比可以看出，通过低通滤波处理后，很好的抑制了原始测量数据中的毛刺，将该数据传给粗调控制，可以有效的避免振动的产生，提高控制效果。

4 总结

在FAST试验中，针对大跨度悬索牵拉的馈源舱具有柔性大和阻尼低的特点，提出了一种利用舱索系统基频的低通滤波处理方法。通过实验结果可以看出，该方法可以有效的避免馈源舱系统振动的产生，有利于提高其控制效果。

参考文献

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[5]&nbsp;保宏,段宝岩,陈光达.具有慢速时滞机动目标三维跟踪.控制理论与应用,2006;23(4):526—530

[6]&nbsp;路英杰,朱文白,朱丽春.基于频率分析的实时滤波器研究.科学技术与工程,2007;7(11):2476—2483

[7]&nbsp;张逸群,段宝岩,李团结.基于滤波的柔性可展开天线展开过程控制方法.机械工程学报,2012;48(3):180—188

[8]&nbsp;Duan&nbsp;B&nbsp;Y.A&nbsp;new&nbsp;design&nbsp;project&nbsp;of&nbsp;the&nbsp;line&nbsp;feed&nbsp;structure&nbsp;for&nbsp;large&nbsp;spherical&nbsp;radio&nbsp;telescope&nbsp;and&nbsp;its&nbsp;nonlinear&nbsp;dynamic&nbsp;analysis.Mechatronics,1999;9(1):53—64

[9]&nbsp;徐斌,杨涛,谭保华,等.基于Lomb-Scargle算法的周期信号探测的模拟研究.核电子学与探测技术,2011;31(6):702—705&nbsp;

FAST 篇9

地质雷达(简称GPR)是近年来兴起的一种利用高频电磁波反射原理来探测目标体及地质构造的物探方法,比地震法分辨率高,比电阻率法探测深度大,能从线和面上充分区分覆盖层堆积物和基岩结构特征[1,2],由于其探测方便、处理快捷、图象直观、使用经济等优点而倍受工程界信赖和欢迎。自上世纪70年代开始应用至今将近40年来,GPR技术在考古、场地勘查、公路铁路选线、工程质量检测、管线探测、隧道超前预报等领域都有成功的应用。但在岩溶发育区及溶蚀破碎带的探测方面少见到成功的应用实例,笔者以FAST馈源支撑塔地基探测为实例,结合开挖验证,分析地质雷达技术在这种地形条件较差的环境中应用的可行性。

1 概况

拟建500m大射电望远镜(简称FAST)属国家重大科学项目,是为世界天文学界探索宇宙建设的工程台址。工程台址选在贵州省平塘县克度镇大窝凼,北东距平塘县城约85km,大窝凼地形剖面形态属于“U”型峰丛洼地(图1),洼底呈锅底状,为一相对闭合型峰丛洼地,形状比较规则,近圆型,高程960m处直径约550m,洼地底部较为平坦,直径大于250m。所在地区总体位于贵州高原向广西丘陵过渡的斜坡地带,地势总体上呈北高南低。洼地四周共有5个较大山峰,最高峰为洼地北东东侧的1号峰,峰顶高程1104.10 m,地形最大高差352.60 m。区域内碳酸盐岩广布,以岩溶溶蚀地貌类型为主,岩溶峰丛、峰丘、洼地、落水洞极其发育。岩层呈单斜产出,倾向北北东,倾角5～15 7),区内无大型断裂构造经过,洼地及其附近地层岩性有残坡积红粘土、古滑塌堆积物,下伏基岩为三叠系中统凉水井组(T2L)的厚层块状灰岩。

FAST台址为一溶蚀洼地,局部溶蚀比较发育,地质构造复杂,工程地质条件较差。根据FAST结构要求,其六个馈源支撑塔基为主要承重部位,位置分别等分在直径为600m圆周的1H-3H-5H-7H-9H-11H(H即Hour,类似于圆周表盘的钟点)上,钢塔为桅结构,高90～150m,最大压力5000kN,最大上拔力3500kN。由于钻探工作量有限,且只能揭示点上地质信息,为点面结合地有效评价塔基的稳定性,预防工程建设中地质病害的发生,采用GPR物探方法与钻探相结合进行塔基勘探。

2 工作方法选择及其原理

2.1 工作方法选择

由于FAST的6个馈源塔基分布的圆周所围面积较大,钻探工作有限,为了查明塔基位置基岩的完整破碎情况、岩溶及发育特征,为配合钻探评价塔基稳定性提供宏观依据,拟采用地质雷达(GPR)探测做进一步工作。

根据现场物性试验结果统计,较完整灰岩、基岩破碎带和岩溶的介电常数存在一定的差异(见表1),满足地质雷达探测的地球物理前提。所以采用GPR探测技术,能比较准确地探明台址区塔基范围内灰岩的完整破碎情况及岩溶发育特征,达到探测目的。

2.2 原理

GPR是一种高分辨勘探方法,主要探测地下岩土介质结构间的电磁性质差异。探地雷达将高频电磁波以宽频带短脉冲的形式由发射天线定向送入地下(见图2),电磁波在地下介质中传播,其传播速度v与所使用电磁波的圆频率ω、介质的介电常数ε、磁导率μ和导电率σ有关,当遇到不同电性介质交界面时,部分电磁波的能量被反射回地面,由接收天线接收。雷达记录反应接收的是地下介质界面的反射波时间序列,应用雷达处理解释软件可将地下界面反射波的双程走时Δt(ns)转换成深度h(m)剖面,通过分析深度剖面中反射波的形态、频谱、振幅等特征,确定异常区的位置、大小、形态,推断地下地质体(或结构)的空间位置、几何形态和性质等。当遇到隐伏岩溶或节理裂隙时,雷达深度剖面上的反射波同相轴呈双曲线形态,若溶洞或溶槽充水或有粘土充填,其反射波极性反向。

电磁波在不同介质中传播时,遇到不同的电磁波阻抗界面将会产生反射和透射。不同组合界面,反射波的极性和幅值变化,它取决于界面两侧介质的物理性质和相互差异。用反射系数来表征反射波的性质,它有极性和大小,当电磁波入射时,电场的反射系数为:

式中:E1、E2分别为反射和发射的电磁波场强;ε1,ε2分别为两种介质的介电常数;θ1、θ2分别为入射角和折射角。

当电磁波由光疏介质(ε小、波速低)进入光密介质(ε大、波速高)时,电磁波反射系数为负,发射极性相反;反之,当电磁波由光密介质进入光疏介质时,电磁波反射系数为正,发射极性相同。当混凝土衬砌与围岩之间以及衬砌内部存在空洞、不密实等缺陷时,它们之间介电常数的差异就会形成较强的反射波。在对雷达波进行处理和分析的基础上,根据雷达波形的极性、强度、双程走时等参数便可推断目标体的空间位置、结构、电性变化及几何形态,从而达到检测的目的。

3 工作布置

3.1 测量放点

测量点距为15m,沿圆周1H-3H-5H-7H-9H-11H-1H(H即Hour)分布,每两个Hour间各20个点(按顺时针编号),共120个点,加上6个馈源塔基座中心点共放点126个(图3)。

3.2 GPR探测

从1～3点+6m开始按逆时针方向进行(见图4),主剖面沿馈源塔圆周探测了1912m(地形起伏较大,剖面长度超过了馈源塔圆周平距),总体上探测点定位偏差不超过2m(见图5)。

本次GPR探测特采用美国“地球物理测量系统公司”(Geophysical Survey Systems Inc)先进的SIR20探地雷达,运用100MHz高频屏蔽天线,以20cm点测采集数据,连续剖面记录方式,见图6和图7。

4 探测成果及地质解释

4.1 典型地质雷达探测剖面

GPR沿馈源塔圆周探测,得到了一条圆周剖面。图8、图9和图10为圆周剖面中典型地质雷达探测剖面截图,图中显示有:第四系覆盖层界线,松散胶结、破碎基岩体,岩溶洞隙界线及完整基岩界线。

4.2 地质解释

(1)地质雷达探测剖面中点画线范围相对介电常数在(14～17)εr,推断为第四系覆盖层界线,实线范围相对介电常数在(10～14)εr,推断为胶结较差的崩塌堆积体或基岩破碎带界线,虚线范围相对介电常数在(16～20)εr,推断为岩溶溶蚀发育区界线。从探测成果看,松散覆盖层(或第四系)厚度不均,大致为1～2.2m;胶结较差的崩塌堆积体(局部为风化灰岩)厚度为0.2～12m;其下为胶结稍密实的崩塌堆积体和较完整灰岩。

(2)探测发现有8个较大的岩溶发育区,范围分别是1Hour11～16(即1点钟的第11至16测点之间,以下类同)、1Hour18～20、3Hour20～5Hour7、7Hour15～17、9Hour2～4、9Hour10～13、9Hour20～11Hour1、11Hour7～11。

4.3 探测范围

雷达天线发射和接收的是高频球面电磁波,其直径随探测深度的增加而加大,本次探测由于受地表第四系覆盖层和松散胶结层空隙的衰减作用影响,探测深度在16.5m左右,在探测深度范围内左右各2.5m范围的介质异常都会反映在GPR剖面上,所以GPR剖面是对以馈源塔园周为中心的宽5m左右的带状区域的综合反映。

5 工程验证

根据探测及推断结果,对出现的部分异常进行了钻探与施工开挖等验证工作,结果与推断的结论基本一致,规模及埋深与探测结果基本吻合。图11～14为部分验证图片。

(1)GPR探测发现的8个较大的岩溶发育区,除1Hour11～16为基岩破碎带而非岩溶外,其余7个均被发现证实,GPR探测岩溶的解释推断准确率为87.5%。

(2)误差分析:1Hour11～16实际为基岩破碎带,而GPR探测解释为岩溶,3Hour2～3和11Hour19～20实际为岩溶,而GPR探测解释为破碎带,分析原因是该三点处的岩溶与破碎带的相对介电常数相近之缘故。可见,精确划分现场介质的相对介电常数是提高探测解释精度的重要前提,工程范围大时应分区进行现场物性试验,从而得到介质更精确的相对介电常数。

6 结论

本次通过GPR探测基本查清了FAST的6个馈源塔基直径为600m的圆周覆盖层厚度,松散崩塌体、基岩破碎带与较完整灰岩的界线,配合钻探为评价塔基稳定性提供了宏观依据,达到了预期目的,为地质病害治理、解决了工程问题,提供了参考。

(1)地质雷达反射图像能明显地划分覆盖层与下伏灰岩的界线以及灰岩岩溶发育区及溶蚀破碎带和充填物的大致性质,是岩溶地区岩土工程勘察的有效手段,为岩溶地基稳定性评价提供重要依据。

(2)地质雷达是以复杂的电磁波理论为基础,实际应用中受到的影响因素较多,如地质环境、介质及目标体性质、设备及技术人员经验等,应从简单的异常反映开始识别、总结及归纳,并综合各种工程地质手段进行科学推断及判定,必要时采用多种方法相互验证。

(3)工程范围大时应分区进行现场物性试验,得到更精确的介质相对介电常数,这是提高探测解释精度的前提条件。

(4)由于地形条件较差,地表起伏不平,影响了GPR天线与探测体的耦合,另外由于松散覆盖层和胶结不密实崩塌堆积体对电磁波的吸收较强,对探测效果有一定的影响。

今后,随着物探方法研究的不断深入和雷达天线及信号处理技术的迅速发展,GPR将能更广泛地服务于工程建设领域。

参考文献

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[2]王秉中.计算电磁学[M].北京:科学出版社,2002.

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[4]古德曼.探地雷达正演用户手册[M].US:WoodlandHills,2001.

[5]陈仲候,王兴泰,杜世汉.工程与环境物探教程[M].北京:地质出版社,1993.

FAST 篇10

射电望远镜，看你没商量！

每一个领域都有它自己的明星，在望远镜领域，哈勃太空望远镜无疑是一位名声显赫的大明星。自从1990年4月被成功发射到太空为地球服役以来，26年中，哈勃望远镜已绕地飞行十几万圈，执行任务达120多万次，为人类太空研究收集了大量资料，可谓劳苦功高。

不过，即使强大如哈勃，也有它的局限。与之相比，后来居上的射电望远镜，无论在探测精度还是灵敏度上，都要远超哈勃。

说起射电望远镜，它并不是一个新名词。事实上，早在1931年，当美国科学家卡尔·央斯基在新泽西州的贝尔实验室里，发现每隔23小时56分04秒就会出现最大值的宇宙无线干扰电波时，他使用的天线系统——也就是最原始的射电望远镜，就已经引起了人们的注意。而与射电望远镜密切相关的脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子这些20世纪60年代的4大天文学发现，更令射电望远镜在天文学领域大放异彩。

经过几十年的发展，如今的射电望远镜无疑更强大了。分布于美国夏威夷莫纳克亚山天文台、由10架射电望远镜组成的美国超长基线阵列（VLBA），对太空天体的测量精度，可以达到哈勃太空望远镜的500倍，人类肉眼的60万倍。这是什么概念呢？也就是说，它可以让一个在纽约的人清晰地看见一张洛杉矶报纸上的文字！

射电望远镜一般由天线、接收机、信息接收、处理和显示系统等几个主要部分构成。有趣的是，号称“天线”的部分其实并不是一根线，而是圆的，呈抛物面，看上去就像一口大锅。与照相机光圈越大、拍摄时快门速度越快的道理相似，射电望远镜的天线抛物面越大，接收外太空信号的性能就越强。而截至目前，世界上拥有最大抛物面的射电望远镜，就是坐落于中国贵州平塘山区的FAST。

FAST，射电望远镜中的“巨无霸”

FAST，是20世纪90年代中叶，由北京天文台和国内多所科研院校联合成立，并由大型射电望远镜中国推进委员会共同提出并推进的一个项目，建立的初衷，是为了争取世界最大的射电望远镜国际合作项目落户中国。从1994开始选址至今，FAST的项目研发和建造已历时22个年头，如今，它终于建成并可投入使用了。

不过，说起FAST这个英文名字，倒并非有意要取意为“快”，事实上，它是英文“Fivehundred-meter Aperture Spherical radio Telescope”的缩写，全名为“500米口径球面射电望远镜”。500米口径的球面天线，其面积相当于25个标准足球场那么大。就大小而言，FAST远远超过了号称“地面最大机器”的德国波恩100米口径望远镜，以及美国的Arecibo 300米口径望远镜。这么大一个观测宇宙的“天眼”坐落在崇山峻岭间，不能不说霸气十足。

但大并非FAST令国人骄傲的关键。FAST真正令世界瞩目的，是它的三大自主技术创新。

首先，FAST是在世界上首次利用天然地貌建设的巨型望远镜。之所以选择贵州平塘县，是因为这里有一片四周高中间低的天然洼地，正好可以容纳500米口径的巨大天线，大大节省了射电望远镜基地建造的成本。另外，这里的熔岩地貌排水通畅，可减少流水对设备的腐蚀。而平塘的光污染和地面电磁波辐射相比其他地方较弱，这也保证了FAST在工作时不受干扰。

其次，FAST采用了主动反射面技术，整个球面由4 600多块可运动的等边球面三角形叶片组成，可以弯曲、活动，并连接着大量极具韧性的传输光缆。应用于FAST上的光缆，能够在5年内抗6.6万次拉伸，这远远超出了抗1 000次拉伸的国家标准。

再次，FAST采用轻型索拖动馈源技术，将千吨级别的馈源舱降至仅30万吨，它还可以通过机器人操控，观察到任意一个太空方位，覆盖天顶角达到了美国研发产品的两倍，并通过并联机器人二级调整，实现了毫米级的动态定位精度。

FAST所拥有的这些自主技术创新，使它在灵敏度、分辨率和巡星速度上都站在了世界射电望远镜的前沿，为我国进一步的宇宙探测打开了一扇天窗。

和外星人对话，不是没可能

对普通人来说，望远镜无非是登上高山、站在大海边看风景的工具，但对天文学家而言，他们透过望远镜看到的，是无穷无尽的宇宙奥秘及探索宇宙的乐趣。

宇宙的边界究竟在哪里？它究竟有多大？在漫无边际的宇宙中，究竟是否有地外文明存在？

为了探索这些疑问，科学家们从未停下脚步。阿波罗号登月，勇气号、好奇号等火星探测器相继登录火星，2013年6月，美国国家宇航局的科学家又通过“孤独信号”项目，借助詹姆斯堡通讯卫星地面站，主动连续地向距离地球18光年的红矮星发送了无线信号——所有这些行为都表明，人类是孤独的，也是好奇的，我们渴望探索宇宙，并希望能在宇宙中找到朋友。

然而，这一切可能实现吗？

目前，2013年人类发向太空的第一封“信”仍在途中，它的内容是：“来自美国奇点大学（一所致力于培养未来科学家的学校）的问候。当你收到这条信息时，科技已足以让我们互相了解和交流。”预计，这条简短的信息，要在太空中航行18年才能抵达目的地。如果红矮星上有地外文明，并及时破译了人类无线信号并给地球发送了回信，那么又将历时18年。