天文圖像穩(wěn)定控制解決方案
真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡顧名思義，是將全部成像光學(xué)元件都放在真空筒中，消除儀器內(nèi)部氣流對(duì)成像的有害影響。的真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡在美國(guó)薩克拉門托峰天文臺(tái)。它的外形是41米高的露天錐塔，頂部是真空密封轉(zhuǎn)臺(tái)。太陽(yáng)光射入玻璃密封窗后，穿過出射窗進(jìn)入附屬儀器。真空筒重250噸，可以轉(zhuǎn)動(dòng)。這臺(tái)儀器安裝在寧?kù)o度很高的高山上，能夠觀測(cè)非常小的太陽(yáng)表面和低層大氣的組織結(jié)構(gòu)，分辨率相當(dāng)于辨認(rèn)出距離96千米處一塊汽車牌照的能力，它代表了目前地面太陽(yáng)儀器的高水平。
美國(guó)薩克拉門托峰天文臺(tái)
位于我國(guó)云南天文臺(tái)撫仙湖太陽(yáng)觀測(cè)研究基地的1m太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（New Vacuum Solar Telescope，NVST）于2010年正式投入常規(guī)觀測(cè)。其主要工作目標(biāo)是對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)進(jìn)行高精度地、多層次的直接測(cè)量。 當(dāng)下，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到磁場(chǎng)在太陽(yáng)大氣的各種物理過程中均起到了決定性的作用。它不僅僅可以導(dǎo)致許多諸如黑子、暗條、耀斑以及日冕物質(zhì)拋射等壯觀現(xiàn)象的產(chǎn)生,而且與太陽(yáng)外層大氣的加熱、太陽(yáng)活動(dòng)周期與幅度的變化、太陽(yáng)輻射量變化等等問題息息相關(guān)。所以，對(duì)于太陽(yáng)磁場(chǎng)的測(cè)量，特別是利用紅外磁敏譜線對(duì)高層太陽(yáng)大氣磁場(chǎng)的直接測(cè)量，成為了近年太陽(yáng)物理研究的一個(gè)熱點(diǎn)之一。隨著高分辨率成像觀測(cè)系統(tǒng)、多波段光譜儀、大色散光譜儀、磁分析儀等終端儀器逐步完善，望遠(yuǎn)鏡的使用效率變得越來越重要，因此，在實(shí)際工作中需要充分利用有限的可觀測(cè)晴天數(shù)。但由于1m太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡采用圓頂移開并遠(yuǎn)離望遠(yuǎn)鏡的敞開式觀測(cè)模式，使得望遠(yuǎn)鏡跟蹤系統(tǒng)受風(fēng)的影響比較大，在觀測(cè)時(shí)圖像隨風(fēng)出現(xiàn)較大幅度的低頻抖動(dòng)。
1m新真空望遠(yuǎn)鏡
為解決這一問題，根據(jù)望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)有的光學(xué)系統(tǒng)和風(fēng)載影響下焦面圖像抖動(dòng)的特點(diǎn)，在氧化鈦高分辨率成像通道中搭建基于二維擺鏡的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)中的偏擺鏡是近年發(fā)展起來的精密控制儀器，它不僅可以實(shí)現(xiàn)光束掃描穩(wěn)定、光路調(diào)制以及光機(jī)抖動(dòng)補(bǔ)償，也可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)指向、穩(wěn)定空間以及的跟蹤捕獲。目前它已被廣泛用于空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、空間激光通信平臺(tái)、天文望遠(yuǎn)鏡、高分辨率偵查照相衛(wèi)星、圖像穩(wěn)定、自適應(yīng)光學(xué)等眾多領(lǐng)域。
1m天文望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)圖
上述圖像穩(wěn)定系統(tǒng)采用哈爾濱芯明天科技有限公司的壓電偏轉(zhuǎn)鏡P34.T4，P34系列壓電偏擺鏡是專為較大直徑鏡片而設(shè)計(jì)，可加載直徑達(dá)80mm的鏡片，它的差分驅(qū)動(dòng)在較大溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的角度定位穩(wěn)定性。P34系列允許頂部平臺(tái)在具有共同樞軸點(diǎn)的兩個(gè)正交軸上進(jìn)行高動(dòng)態(tài)精密偏擺運(yùn)動(dòng)，供多種鏡片安裝面可選，以獲得對(duì)不同鏡片材料的熱適應(yīng)。同時(shí)，具有亞微弧度分辨率，且傾斜角度大可達(dá)6mrad（約等于光束偏轉(zhuǎn)12mrad）。
P34.T4壓電偏轉(zhuǎn)鏡技術(shù)參數(shù)
型號(hào) | 尾綴S-閉環(huán) | P34.T2S | P34.T4S | 單位 |
尾綴K-開環(huán) | ||||
運(yùn)動(dòng)自由度 | θx,θy | θx,θy | ||
標(biāo)稱偏轉(zhuǎn)角度 | 2.5或±1.25 | 5或±2.5 | mrad | |
大偏轉(zhuǎn)角度 | 3或±1.5 | 6或±3 | mrad | |
傳感器類型 | SGS/- | SGS/- | ||
閉/開環(huán)分辨率 | 0.2/0.1 | 0.4/0.2 | µrad | |
閉環(huán)線性度 | 0.2/- | 0.3/- | %F.S. | |
閉環(huán)重復(fù)定位精度 | 0.02/- | 0.02/- | %F.S. | |
空載諧振頻率 | 1.4 | 0.9 | kHz | |
加載后諧振頻率 (Φ80x15mm鏡片) | 0.7 | 0.4 | kHz | |
閉/開環(huán)空載階躍時(shí)間 | 4/2 | 10/4 | ms | |
空載工作頻率 | 10%行程 | 500 | 240 | Hz |
行程 | 50 | 20 | ||
靜電容量 | 7.2 | 14.5 | μF/軸 | |
長(zhǎng)×寬 | 59.5×59.5 | 59.5×59.5 | mm | |
高 | 56 | 92 | mm | |
重量 | 400 | 800 | g | |
通過數(shù)值模擬分析，當(dāng)1m太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡工作在五到六級(jí)風(fēng)的情況下，偏擺鏡圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)的延遲時(shí)間在20ms，系統(tǒng)閉環(huán)控制頻率只要工作在25Hz左右，就能將圖像抖動(dòng)的均方根值控制在0.5"以內(nèi)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用哈爾濱芯明天公司型號(hào)為P34.T4二維擺鏡建立圖像穩(wěn)定閉環(huán)控制系統(tǒng)以穩(wěn)定隨機(jī)風(fēng)載對(duì)1m太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡引起的焦面圖像抖動(dòng)方法是有效且非常穩(wěn)定的。
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