一種基於光波紅移的天文觀測望遠鏡的製作方法

2023-09-19 21:01:20

本發明涉及一種基於光波紅移的天文觀測望遠鏡。
背景技術：
：光波的產生、傳播、接收理論與技術經過近百年的發展，特別是資訊時代，探測領域研究熱點問題。目前人們對河外星系距離的觀測，僅有光學或光波強度來間接度量恆星的距離。接收星系或星星的光線亮度，來判定測量目標的距離。實際上就是測量光波的振幅，功率強度，達到測量距離的目的。但是振幅衰減快，波振幅有疊加屬性，受幹擾大。又由於光源自身有強弱之分，造成測量、估算誤差很大。目前使用的光學望遠鏡，都是採用光波功率強度的方法、射電望遠鏡接收光波功率強度的方法，根據接收信號的強度，判斷被測目標的距離，都存在測量誤差大的原理性問題。技術實現要素：為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種基於光波紅移的天文觀測望遠鏡。本發明的一種基於光波紅移的天文觀測望遠鏡，包括：微處理器，其分別與光信號接收模塊、信號調理模塊、比較跟隨模塊和顯示模塊相連；所述微處理器還與信號發生器相連，所述信號發生器還與比較跟隨模塊相連；所述光信號接收模塊用於接收天文星體的光信號並傳送至信號調理模塊，在經所述信號調理模塊的調理後傳送至比較跟隨模塊，再經與信號發生器傳送至比較跟隨模塊的信號比較後對測量點相位積累的檢測；最後在顯示模塊中顯示檢測結果。進一步的，所述光信號接收模塊為光信號接收天線。進一步的，所述信號發生器與比較跟隨模塊之間還串接有第一放大器。進一步的，所述信號調理模塊包括串聯連接的濾波器和第二放大器。進一步的，所述信號發生器包括波源調節單元，所述波源調節單元用於對信號發生器所產生的信號進行調節。進一步的，所述波源調節單元包括波源功率調節器和波源頻率調節器，分別用於調節光波的初始功率和初始頻率。進一步的，所述比較跟隨模塊包括相位角積累器，所述相位角積累器用於將光波頻率的衰減轉化為對相位角的積累測量。進一步的，所述微處理器還與存儲器相連。進一步的，所述存儲器為ram或rom。進一步的，所述顯示模塊為液晶顯示屏。與現有技術相比，本發明的有益效果是：該望遠鏡觀測原理：光波傳播過程中，波能能量強度衰減，引起振幅衰減，頻率降低，從而導致波長變長，形成所謂的宇宙紅移。根據頻率衰減的關係式，有頻率衰減值，換算出星系的距離。宇宙紅移較小時，它與距離有近似線性關係，側到遙遠恆星光的紅移量，來換算出的恆星實際距離。紅移量較大時，紅移量與距離成指數關係，根據該關係，根據光波紅移量測算出恆星到地球的距離，最終提高了測量準確性。附圖說明構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。圖1是基於光波紅移的天文觀測望遠鏡的結構示意圖。具體實施方式應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬
技術領域：
的普通技術人員通常理解的相同含義。需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。本發明的基於光波紅移的天文觀測望遠鏡，該望遠鏡觀測原理：光波傳播過程中，波能能量強度衰減，引起振幅衰減，頻率降低，從而導致波長變長，形成所謂的宇宙紅移。根據頻率衰減的關係式，有頻率衰減值，換算出星系的距離。宇宙紅移較小時，它與距離有近似線性關係，側到遙遠恆星光的紅移量，來換算出的恆星實際距離。紅移量較大時，紅移量與距離成指數關係，根據該關係，根據光波紅移量測算出恆星到地球的距離。由於恆星發光的頻率已知，接收端頻率測量到的，衰減係數α已被測定。根據上指數表達式，換算出被測目標的距離x：技術原理：光波在太空中傳播，波能量存在擴散、色散、損耗等因素，致使光信號功率損失，強度降低。導致振幅衰減，頻率也有微弱的減小。實驗證明：波信號功率降低，引起的振幅衰減快，而頻率衰減很慢。並且頻率不符合疊加原理，而振幅是符合疊加原理的；如：y1,y2在傳播到接收點，信號y1在t1時刻瞬時值3伏，而y2在t1時刻瞬時值2伏，接收到信號的幅度是y1、y2的疊加值5伏。值就是所說振幅符合疊加原理。所謂的幹擾：就是y1傳播信號，y2是幹擾信號，接收到5伏的信號值，在5伏信號中，分不清y1的值是多少，y2的值是多少。頻率不符合疊加原理：y1,y2在傳播到接收點，信號y1頻率是3赫茲，y2頻率值2赫茲，接收到信號y3，其頻率值並不是y1、y2的頻率疊加值，3赫茲加2赫茲，等於5赫茲。y3頻率值仍然含有y1頻率值3赫茲，y2頻率值2赫茲。因此說頻率傳輸不符合疊加原理。所謂的幹擾：就是y1傳播信號，y2是幹擾信號，接收到信號y3中，分得清y1的頻率值是3赫茲，y2的頻率值值是2赫茲。不少幹擾信號的影響。一種基於光波紅移的天文觀測望遠鏡，該方法根據宇宙紅移較小時，它與距離有近似線性關係，側到遙遠恆星光的紅移量，來換算出的恆星實際距離。紅移量較大時，紅移量與距離成指數關係，根據該關係，根據光波紅移量測算出恆星到地球的距離。該測量方法可光波隨傳播距離，波長變化(紅移)關係式測量恆星距離，用波源功率對光波紅移傳播的關係式、波源頻率對光波紅移關聯式對測量結果進行修正。實驗原理：現在理論認為光波頻率或波長微小變化由波源與觀測者之間的距離變化引起的(為都卜勒效應)。本發明提供的光波頻率衰減的原因是聲波在傳播過程，由于波能損耗及擴散、色散等，是能量強度降低。波能量的兩個因子振幅和頻率，在信號強，振幅衰減為主，頻率衰減為輔。信號很弱時，振幅、頻率都快速衰減。光波，並光波信號經過長距離媒質傳輸後，測量其頻率衰減量，轉換成波長變化，即波長相對變化量—紅移量。首先保證該測量效應(1)排除都卜勒效應---光源位置、測量點位置、及它們的相對距離固定不變。(2)讓傳輸媒質沒有運動。排除媒質運動引起波長變化—賽克尼克效應；(3)所有的傳輸通道沒有空間漂移。紅移原理分析：現有的理論認為光波頻率微小變化是由于波源與觀測者之間的距離變化引起的(為都卜勒效應)。本發明提供的光波頻率的變化的原因是光波在傳播過程，由于波能損耗及擴散、色散等，是能量強度降低。波能量的兩個因子振幅和頻率，在信號強，振幅衰減為主，頻率衰減為輔。信號很弱時，振幅、頻率都快速衰減。陳壽元效應：波動在傳播過程中，自然存在波能量的擴散、色散、損耗，使得波能量損失，又導致波的振幅降低(該部分內容是現有理論所證明的)、頻率衰減(基於陳壽元效應的發現)，引起波長增加，形成所謂的宇宙紅移。下面是對陳壽元效應的理論分析：紅移量，波長相對變化量z：其中，x—波的傳播距離，α—損耗係數；λ0---入射端的波長；λ---波傳播到x處的波長。c—光速；ω(0)---入射端波的角速度；k—波損耗過程中，頻率衰減的對波能量損耗的貢獻因子。下面針對陳壽元效應進行理論分析：(1)波能損耗用能位函數表示波動從a處傳送到b處，也要受到萬有阻力的作用，損失振動能量。假定：1個單位質量的質點，振動具有的振動能量，稱為振動能量位函數，簡稱振動能位函數。a處振動能位函數用表示，b處振動能位函數用表示，則有：(1)式中：e—能場強度，克服萬有阻力而做功。波動從a點傳遞到b點的必要條件：a點的能場強度ea：1.1、波源的振動能位函數能位函數：q能量荷(具有能量為q，不佔用空間，為理想的點。在坐標系r′，在場點r產生能位函數：式中：∈--媒質的介能常數，∈0–真空介能常數。e—能場強度：可用能位函數的負梯度來表示：1.1.1、質點的無阻尼自由振動如果能荷q由質點的無阻尼自有振動產生，沿y軸方向振動，符合餘弦方式：y＝acos(ωt+θ)(5)式中：a–為振幅；ω—振動角速度。質點振動的速度：質點振動的加速度：質點的振動能：單位質點的振動能稱為振動能位函數：(8)和(9)式表明質點的振動能ek、振動能位函數與振動的頻率平方成正比。1.1.2、交流發電機產生的功率發電機一旦製作完成，它的轉子尺寸，轉子的面積s是固定值，發電機內部磁場的磁感應強度b基本上是固定值。即通過轉子的最大磁通量就是一個固定值：轉子轉動時，通過它的磁通量是按餘弦變化：根據法拉第電磁感應定律：感應電動勢(12)式表明感應電動勢與發電機的轉速平方成正比發電機提供的瞬時實功率：(13)式發電機提供的功率與發電機的轉速(頻率)的平方成正比。1.1.3、振蕩電偶極子產生的電磁波能振蕩電偶極矩：p＝gl＝glcosωt(14)在遠處產生的電場、磁場：(15)、(16)式表明，振蕩電偶極子在遠處產生電場、磁場強度與振蕩頻率平方成正比。能流密度：坡印廷矢量s：(17)式表明電偶極子輻射電磁波的能流密度與偶極子振蕩頻率四次方成正比。1.2波動的能位函數波動是振動狀態的傳播，相位傳播。振源的能量以波速向外傳遞。假定介質中每個質量元彼此通過彈性力相聯繫，沿y軸方向振動，沿x軸向傳播。波函數的一般表達式：y(x，t)＝a(x)cos(ω(x)t-kx)(18)(18)式中：a(x)--波的振幅，通常隨傳播距離而衰減,是x的函數。ω(x)角速度，目前認為它不隨傳播距離變化，是不變量。但是前面的分析，振源能量與頻率平方成正比。能量是要消耗，散開。能量在空間上的散開，表現佔用更大面積或更大的體積空間,使波長變長。在時域上，能量散開意味著佔用更多的時間段,使振動的周期有延長的趨勢。波函數中每個質點沿y方向振動的速度：波動函數的能位函數(20)式表明波動的能位函數與波動的頻率平方成正比。在一個波長範圍內對取均值，因為a(x)，ω(x)在一個波長範圍內變化很小，認為是暫穩態值。均值只是對sin2(ω(x)t--kx)進行，波動能位函數的均值為：假定波函數在信道媒質內傳播的功率與能位函數成正比。在一般的條件下，功率p隨距離x變化，可用下式表示式中，α是損耗係數，p(0)為信道入射端x＝0處，入射功率，p(x)為信道x處輸出功率。根據上面的假定，波函數在信道裡傳輸，其能位函數受損耗的影響而衰減，設長度為x信道媒質，入射端x0振動能位函數根據式(22)式，輸出端x振動能位函數把(21)式帶入(23)式，得：a2(x)ωw(x)＝a2(0)ω2(0)e-ax(24)對(24)式兩邊開方，得：對(25)式進行討論：若信號傳輸過程中，頻率不變，即：ω(x)＝ω(0)則有：波函數：y(x，t)＝a(x)cos(ω(x)t-kx)的振幅a(x)隨距離x按(26)式衰減。雷同於調幅廣播。若信號傳輸過程中，振幅保持不變，即：a(x)＝a(0)則有：波函數：y(x，t)＝a(x)cos(ω(x)t-kx)的頻率ω(x)隨距離x按(27)式衰減。雷同於調頻廣播信號傳輸。頻率降低，波長變長，形成信道紅移。a(x)，ω(x)共同分擔信號的衰減量：若信號振幅按(30)式快速衰減，信號的能量積累到頻率上。則有ω(x)＞ω(0)若信號頻率按(31)式快速衰減，信號的能量積累到振幅上。則有a(x)＞a(0)更一般情況，a(x)、ω(x)衰減速率：從-到-之間變化。1.3信道紅移表1各種通信技術對電磁波頻率的應用頻率範圍傳輸媒質典型應用3hz～30khz電纜、長波無線電長波電臺30khz～300khz電纜、長波無線電電話、長波電臺300khz～3mhz同軸電纜、中波無線電調幅廣播電臺3mhz～30mhz同軸電纜、短波無線電有線電視用戶線路30mhz～300mhz同軸電纜、米波無線電調頻廣播電臺300mhz～3ghz分米波無線電公共移動通信3ghz～30ghz釐米波無線電微波、衛星通信30ghz～300ghz毫米波無線電衛星通信、超寬帶通信105ghz～107ghz光纖、可見光、紅外光光纖通信、短距紅外通信信道容量的香農公式：(32)式：c---信道容量；w---頻帶寬度；---信號與噪聲的比值。由表1和公式(3.1)說明：載波頻率越高，信道容量越大，攜帶信號的能力越強。假定電磁波傳播方向沿著z軸，電場僅沿x軸向振動，磁場強度僅沿y軸方向振動。其平面電磁波的電場、磁場表達式：hy(z，t)＝h(z)cos(ωt-kz)(33)ex(z，t)＝e(z)cos(ωt-kz)(34)法拉第電磁感應定律：總的感應電動勢用表示，單位面積感應電動勢用表示。旋度代表單位面積的環量，電場強度的旋度就是單位面積的感應電動勢把(34)式代入到(36)中，則有：(37)式表明，當z的磁場變化時，在該點感應產生的感應電動勢。單位面積感應電動勢產生的電功率p(z,t)：(38)式中，r—波阻抗的實數部分。電功率p(z,t)的均值p(z):在一般的條件下，功率p隨距離z變化，可用下式表示式中，α是損耗係數，p(0)為信道入射端z＝0處，入射功率，p(z)為信道z處輸出功率。把(39)式帶入(40)式，得：對(41)式兩邊開方，得：對(42)式進行討論(1)若電磁波傳輸過程中，頻率不變，即：ω(x)＝ω(0)則有：其平面電磁波變化為振幅衰減:(44)、(45)式與目前理論一致。雷同於調幅廣播。若電磁波傳輸過程中，振幅保持不變，即：h(z)＝h(0)；e(z)＝e(0)(46)電磁波損失的電磁能，只有頻率降低，振動能減少。則有：電磁波的電場強度、磁場強度衰減表達式：k—波數。把(50)代入(48)、(49)，得：波長的變化：(53)式，當電磁波振幅不變，能量損耗僅有振動頻率提供，電磁波在傳播過程中，波長變長，頻率變低，出現信道紅移現象。(54)式λ0—發射端波長，λ—輸出端、接收端的波長。天文學上習慣用紅移z來表示波長的變化：本實施例通過信號發生模塊產生不同頻率的光波，經長距離傳播媒質後到達檢測模塊，所述距離至少在一萬米以上，具體的可以選擇同軸電纜作為傳輸媒介。通過檢測模塊、濾波、比較、放大、相位角積累處理後，可以將對光波頻率衰減的測量轉化為相位角積累的測量，具體的測點可以在長距離傳播媒質上的選取若干個信號測量點，每個測量點的位置不同，在各測量點之間採用緊密跟隨的測量技術，得到光波信號光波頻率的衰減值。宇宙紅移的測量方法：頻率變化需要實驗來測量—即宇宙紅移效應，頻率降低—波長增長測量實驗技術路線：實驗上採用三項關鍵性技術，達到在實驗室測量到宇宙紅移效應的系統精度要求。根據哈勃關係式估算1米空間距離波長相對變化量根據哈勃關係式:哈勃觀測圖:d＝2mpc＝2×106pcd＝2×106×3.086×1013km＝6.172×1022m；給出的退行速度v＝cz＝1000kms-1h0＝500kms-1mpc-1計算出每一米太空距離產生的宇宙紅移(波長相對變化量)：d＝1m代入(4.1)得：取h0＝75kms-1mpc-1時，計算每一米的太空宇宙紅移：z＝0.81×10-26由(4.1)計算得到，光波傳輸一米距離產生的宇宙紅移量約為10-26。1萬米太空距離產生波長相對變化量約為：z＝0.81×10-22測量光波長相對變化量轉化為測量光頻率變化量由(4.1)式得由(3.2)式可知，光的波長非常短，在納米量級，很難測量。波長的微小變化就更難測量。由(3.1)得而光的頻率非常高，達到1015赫茲/s，甚至更高，頻率容易測量，由(4.3)式可知，頻率微小變化與頻率成正比，也是一個很大的數值。因此它的微小變化量更容易測量到。由(4.3)式估算，太陽光到達地球面，產生1.21赫茲/s頻率降低。向源跟蹤技術：光源的單色性、漂移性、穩定性很難達到測量宇宙紅移的精度要求，要求測量到的信號嚴格緊跟信號源變化，消除信號源自身產生的誤差。相位角累積--識別法：宇宙紅移效應非常小，引起的頻率變化極其微弱，對頻率變化產生的相位角進行長時間積累再把累積的相位角轉化成圖形旋轉角度或圖形形狀變化，進行識別、判斷。根據相位角的變化換算成頻率變化，折算成宇宙紅移量。實驗手段：針對―每一米太空距離產生的宇宙紅移量，即波長相對變化量約為10-26，從實驗上預估量級分配：(1)萬米傳輸媒質分配4到5個量級，即媒質長度從萬米到十萬米；(2)頻率變化量代替波長變化的測量方法，分配15個量級；(3)剩下留給相位角累積法。由宇宙紅移的哈勃關係式，哈勃常數h，取光的頻率1015赫茲/s，由於頻率衰減，引起的相位角差在24小時時段的積累值如下表所示：表3.1由哈勃宇宙紅移關係式估算實驗宇宙紅移量採用三項變換技術，宇宙紅移量已經達到實驗室可以觀測的程度。圖形在24小時，傳輸1萬米距離後，有2.52度的轉動，是可以分辨出來，也是可以測量到的。該研究認為：太空的物質密度非常低(每立方釐米，原子濃度小於100個)，能量損耗衰減很小，頻率衰減也很小。實驗室傳輸媒質密度比太空高1020，衰減應該比太空中大得多。宇宙紅移效應應該更明顯。把通信用的技術手段改造成測量頻率衰減的實驗專用技術方法，即把頻率隨距離緩慢衰減的微小變化量，變換成通信中被傳輸的信號，把信號源的單色波處理成攜帶信息的載波。這樣就可以用信號與載波的處理技術來處理頻率的衰減量：用檢波技術把信號與載波分離，用鎖相技術使載波相位不變，用到技術有：信號放大技術、濾波技術、採樣、存儲，計算機信號處理技術、再現相位角與顯示圖形對應關係等。理論上的精度預估：用光纖通信技術，載波頻率1015赫茲，信號0.1赫茲。信號載波分辨精度是：1016計算機處理技術1赫茲，變換成360度旋轉的圖形，加之圖形橢圓形狀的變化，解析度可以提高兩個數量級。光波的速度30萬公裡/s，宇宙紅移效應用光年作為單位，實驗採取的距離無法與太空比較。實驗上採用10萬米傳輸媒質，也是短空間距離。長時：計算光波頻率衰減量單位用每秒變化次數，我們用小時，用天、月為單位。1頻率在分割對應成空間的360分。如24小時，圖形轉動一度，這樣精度提高7個數量級。試驗中，選用10兆赫茲光波，加之長時—短空測量法及其他的技術手段。試驗中採用頻率相對跟蹤法，計量頻率衰減量，消除信號源頻率漂移、離散、溫漂等對測量精度的影響。相位角積分法：頻率衰減緩慢，對其相位角變化進行長時間積分，換算成頻率變化。實驗手段：針對―每一米太空距離產生的宇宙紅移量，即波長相對變化量約為10-26，從實驗上預估量級分配：(1)萬米傳輸媒質分配4個量級；(2)頻率代替波長測量，分配15個量級；(3)剩下留給相位角累積法。如圖1所示，本發明的一種典型實施例為利用光波頻率隨傳播距離衰減，測量距離的實驗裝置，包括微處理器、信號發生模塊、光波傳播通道和信號檢測模塊；信號發生模塊包括依次連接的信號發生器、第一放大器。信號發生器具有波源調節單元，波源調節單元分為波源功率調節器和波源頻率調節器，分別可以調節光波的初始功率和初始頻率。信號發生器通過第一放大器產生一定初始功率和初始頻率的光波。光波通過光波傳播通道到達信號檢測模塊，信號檢測模塊通過測量光波的頻率來觀測光波頻率隨傳播距離的衰減；信號檢測模塊包括依次連接的濾波器、第二放大器、相位角積累器和顯示模塊，光波信號通過光波傳播通道到達信號檢測模塊，採用相位角積累器將光波頻率的衰減轉化為對相位角的積累測量。其中，微處理器還與存儲器相連。存儲器為ram或rom。顯示模塊為液晶顯示屏。本實施例中採用測量點前後跟隨器，使得光波信號在媒質傳播後，採用緊密跟隨測量技術實現對測量點相位積累的檢測。本實施例中信號發生模塊產生光波的聲源位置、光波傳播通道和信號檢測模塊的測點位置保持相對靜止。藉此可以排除都卜勒效應，即聲源位置、測量點位置、及它們的相對距離固定不變；同時可以排除賽克尼克效應：即傳輸媒質沒有運動，排除媒質運動引起頻率變化；同時實驗裝置位於封閉空間內，封閉空間是基于振動相對隔絕設備、光照相對隔離設備、噪音相對隔絕設備以及溫度相對恆定設備構建的。這樣可以保證所有的光波源、傳輸通道、測量點探頭，都在封閉、隔音、防震的空間內，排除風吹、外部振動引起的影響。由於頻率隨傳播距離衰減非常緩慢，測量超遠距離的恆星，河外星系。需要設備不間斷運行，且本實施例中媒質的長度需達到數萬光年，甚至幾十萬光年；需要相對長時間的測量。本發明的再一實施例是基於光波頻率隨傳播距離而衰減，依據星體的紅移量測量星體離地球的距離。實驗方法，信號發生模塊產生光波的聲源位置、光波傳播通道和測點位置保持相對靜止。利用上述實施例進行實驗的具體原理以及過程如下所述：現有的理論認為光波頻率微小變化是由于波源與觀測者之間的距離變化引起的(為都卜勒效應)。本發明提供的光波頻率的變化的原因是光波在傳播過程，由于波能損耗及擴散、色散等，是能量強度降低。波能量的兩個因子振幅和頻率，在信號強，振幅衰減為主，頻率衰減為輔。信號很弱時，振幅、頻率都快速衰減。波動在傳播過程中，自然存在波能量的擴散、色散、損耗，使得波能量損失，又導致波的振幅降低(該部分內容是現有理論所證明的)、頻率衰減(基於陳壽元效應的發現)，引起波長增加，形成所謂的宇宙紅移。採用上述實施例在進行實驗過程中，首先根據實驗目的進行各模塊的組裝，然後再進行性能調試。經過調試後，根據不足和缺陷，各模塊修復存在的問題，再進行系統測試，保證個個環節都在良好運行的狀態下進行實驗，也就進入了測量階段。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。當前第1頁12