Radio-holografía de microondas para la optimización de la superficie de grandes antenas reflectoras

En el presente trabajo de tesis se afronta el problema de la optimización de la superficie de grandes antenas reflectoras. Es sabido que los grandes reflectores, formados por una superficie panelada, sufren deformaciones debidas al impacto del viento, a los cambios de temperatura y a los efectos gravitacionales derivados del gran peso de la estructura. Estos efectos hacen que los reflectores pierdan su forma ideal, generalmente de paraboloide, y se reduzca su eficiencia de apertura y, por tanto, se limite la máxima frecuencia de uso de los mismos. Es necesario, por tanto, disponer de técnicas que permitan medir el estado de la superficie de grandes reflectores, y derivar los ajustes necesarios a aplicar sobre los tornillos de soporte de cada uno de los paneles que conforman dicha superficie. De esta manera, se devolvería al reflector su forma óptima y aumentaría la eficiencia de apertura y el rango de frecuencias de uso. Hay que resaltar que el aumento de la eficiencia de un radiotelescopio supone una reducción en el tiempo de integración necesario para la detección de las debilísimas señales generadas por las radiofuentes naturales, ahorrando así valioso tiempo de observación. Además, el incremento en el rango de frecuencias permite la detección de nuevas líneas o especies moleculares en dichas radiofuentes. Tras un primer capítulo introductorio, se presenta, en el capítulo segundo, la geometría de estos grandes reflectores y la influencia de los distintos factores que afectan a la calidad de la superficie de los mismos, como la gravedad, el viento y la temperatura, particularizando para el caso del radiotelescopio de 40 metros del Centro Astronómico de Yebes. En el tercer capítulo, se presentan las diferentes técnicas metrológicas empleadas actualmente para abordar la determinación de estos ajustes, mostrándose las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. Actualmente, la técnica metrológica más precisa y rápida para llevar a cabo esta tarea de caracterización de la superficie de un gran reflector, es la radio-holografía de microondas presentada en el capítulo cuarto. A partir de las medidas proporcionadas por esta técnica, realizadas con la ayuda de un transmisor, y mediante transformaciones de campo, se calculan los errores de la superficie del reflector, respecto al paraboloide ideal, y se derivan los ajustes necesarios. En los capítulos quinto y sexto se presentan los resultados de la aplicación de esta técnica a dos radiotelescopios: el de 30 metros de IRAM en Pico de Veleta (Granada) y los prototipos de 12 metros de las antenas del proyecto ALMA. Por su parte, el capítulo séptimo contiene el núcleo fundamental de esta tesis y presenta el desarrollo de la técnica de radio-holografía de microondas para optimizar la superficie del radiotelescopio de 40 metros del Centro Astronómico de Yebes. Para ello, ha sido necesario diseñar, construir e instalar un receptor de doble canal en banda Ku en foco primario, y la instrumentación asociada para hacer las medidas de amplitud y fase del diagrama de radiación. Además, ha sido necesario desarrollar el software para llevar a cabo las transformaciones de campo y derivar los ajustes de los paneles. De las medidas holográficas iniciales resultó un error de la superficie del radiotelescopio de 485 μm WRMS, respecto al paraboloide ideal en dirección normal. Tras varias iteraciones del proceso de medida y ajuste, se consiguió reducir dicho error a 194 μm WRMS. Esta notable mejora de la calidad de la superficie ha supuesto aumentar la eficiencia de apertura desde 2,6% al 38,2% a 86 GHz, para un receptor a esta frecuencia situado en el foco primario que produjese la misma iluminación que el receptor de holografía. In this thesis the problem of large reflector antenna surface optimization is faced. It is well known that large reflectors, which are made of a panelled surface, suffer from deformations due to the impact of wind, temperature gradients and gravity loads coming from the high weigth of the structure. These effects distort the ideal reflector shape, which is a paraboloid in most cases, hence reducing the aperture efficiency of the reflector and limiting the maximum frequency of operation. Therefore, it is necessary to have some techniques to measure the status of large reflector surfaces and to derive the adjustment values to be applied to the screws that connect the surface panels to the reflector back-up structure. In this way, the reflector would recover its optimum shape and the aperture efficiency and frequency range would increase. It has to be stated that an increment in the radiotelescope aperture efficiency would imply a reduction in the integration time needed to detect such weak signals coming from natural radiosources in space and, hence, an important saving in observation time. In addition, the increase in the frequency range of operation would allow the detection of new molecular lines in those radiosources. After the introduction, the second chapter shows the geometry of large reflector antennas and the impact on its surface quality of different factors like gravity, wind and temperature, particularly for the case of the Centro Astronómico de Yebes 40 meter radiotelescope. The third chapter deals with the different metrology techniques used to determine the panel adjustments, including the advantages and drawbacks of each one Currently, the most accurate and fast metrologic technique to carry out the characterization of large reflector surfaces is microwave radio-holography2, which is shown in chapter four. From the measurements provided by microwave radio-holography, performed with the help of a transmitter, and with the use of field transformations, the reflector surface errors are computed and the panel adjustments are derived. Chapters five and six show the results of holographic measurements applied to two first class radiotelescopes: the IRAM 30 meter radiotelescope and the 12 meter prototype antennas for the ALMA project. Chapter seven contains the main work of this thesis. It presents the development of the microwave radio-holography technique for the optimization of the Centro Astronómico de Yebes 40m radiotelescope. The work implied the design, construction and instalation of a prime focus Ku-band dual channel receiver, together with the associated instrumentation to measure the amplitude and phase of the radiotelescope radiation pattern. In addition, the software to carry out field transformations and screw settings computations was developed too. Initial holography measurements came up with an surface error of 485 μmWRMS in normal direction with respect to the best-fit paraboloid. After a few iterations of the measurementadjustment cycle, the surface error was reduced to 194 μm WRMS. This remarkable improvement in surface quality means an increment in aperture efficiency from 2,6% to 38,2% at 86 GHz, assuming a receiver at this frequency in prime focus position which produces the same illumination as the holography receiver.

Desarrollo de un sistema de escaneado 3D a partir de un dispositivo de holografía conoscópica

La radioterapia intraoperatoria (RIO) con electrones es una modalidad de tratamiento contra el cáncer que combina cirugía y radiación terapéutica aplicada a un tumor sin resecar o al lecho tumoral después de una resección. Este tratamiento se planifica con una imagen preoperatoria del paciente. Sería adecuado incluir en la planificación información acerca de la superficie del lecho tumoral ya que la acumulación de fluidos, las superficies cóncavas y las irregularidades en la superficie irradiada modifican significativamente la distribución de la dosis. Existen diversos escáneres de superficie pero el que mejor se podría adaptar al entorno de la RIO sería el que utiliza un dispositivo de holografía conoscópica (ConoProbe, Optimet Metrology Ltd.) ya que permite realizar medidas de distancias en cavidades, en superficies reflectantes y en tejidos biológicos. La holografía conoscópica es una técnica de interferometría basada en la propagación de la luz en cristales birrefringentes. Para obtener las coordenadas 3D de los puntos de la superficie barridos por el dispositivo ConoProbe es necesario utilizar un sistema de posicionamiento como el que se utiliza en el quirófano de la RIO para localizar el aplicador de RIO con el que se conduce el haz de electrones (sistema de posicionamiento óptico OptiTrack, NaturalPoint Inc.). El objetivo de este proyecto fin de grado consistió en desarrollar un sistema de escaneado de superficies y realizar diversas pruebas para evaluar la calidad del sistema desarrollado y su viabilidad en el entorno de la RIO. Para integrar la información del dispositivo ConoProbe y del sistema de posicionamiento OptiTrack se realizó una calibración temporal para sincronizar los datos de ambos dispositivos utilizando la función de correlación cruzada y una calibración espacial para transformar la distancia medida por el dispositivo ConoProbe en coordenadas 3D de la superficie del objeto escaneado. Se plantearon dos métodos para realizar esta calibración espacial, por ajuste de pares de puntos y por ajuste a un plano. La calibración espacial elegida fue la primera ya que presentaba menor error. El error del sistema es inferior a 2 mm siendo un error aceptable en el entorno de la RIO. Diferentes pruebas con diversos materiales y formas han permitido comprobar que el sistema de escaneado funciona incluso con líquidos. En un procedimiento de RIO, el escaneado de la superficie se haría después de colocar el aplicador. En este caso, se puede obtener también la superficie del objeto alrededor de centro del aplicador colocando verticalmente el dispositivo ConoProbe. Es complicado obtener la superficie próxima a las paredes del aplicador debido a que estas afectan al cono de luz reflejado. De todas formas, el sistema de escaneado desarrollado proporciona más información en este escenario que un sistema de escáner 3D de luz estructurada (no se podría escanear nada de la superficie con el aplicador colocado). Esta información es útil para la estimación de la distribución de la dosis real que recibe un paciente en un procedimiento de RIO.

Propiedades de materiales mediante análisis de radiación aleatoria

Las técnicas de speckle tienen un gran interés científico e ingenieril, ya que son métodos de ejecución rápida y no destructiva, con base en el análisis de las fluctuaciones de intensidad de la radiación producida cuando la luz coherente de un haz láser es esparcida por un material dado. En este caso se produce un patrón aleatorio de interferencia y difracción donde la suma de las componentes desfasadas dará lugar a máximos y mínimos de intensidad en distintos puntos del espacio. Éste, pese a tratarse de un ruido nocivo en multitud de áreas tales como la transmisión de señales o la holografía, tiene importantes propiedades físicas que lo caracterizan y lo hacen útil como medio para analizar sistemas reales de muy diversa índole. En el presente estudio, se ha llevado a cabo un análisis polarimétrico de la radiación aleatoria esparcida por una serie de muestras metálicas y dieléctricas con el objetivo de establecer una base comparativa que nos permita poder distinguir unas de otras. Para este fin se han comparado los parámetros de polarización de Stokes, el grado de polarización de la luz, las distribuciones de intensidad y el tamaño medio del speckle registrado en los distintos patrones de intensidad. Además, se analizará la dependencia de la rugosidad en el grado de polarización de la luz para los distintos medios sometidos a estudio. Abstract Speckle techniques have a great scientific and engineering interest as they are methods of rapid and non-destructive execution, based on the analysis of the fluctuations of intensity of the radiation produced when coherent light of a laser beam is scattered by a material given. In this case, a random pattern of interference and diffraction occurs where the sum of phase shifted components will result in maximum or minimum of intensity at different points in space. This, despite being a harmful noise in many areas such as signal transmission or holography, has important physical properties that characterize it and make it useful as a means to analyze real systems of various kinds. In the present study, we have conducted a polarimetric analysis of the random radiation scattered by a series of metal and dielectric samples in order to establish a comparative basis to allow us to distinguish one from another. To this end we have compared, the stokes polarization parameters, the degree of polarization (DOP), the intensity distributions and the average size of the speckle registered in the different intensity patterns. Furthermore, dependence of roughness in the DOP of light for the different means under study will be analyzed.