天文圖像穩(wěn)定控制解決方案
真空太陽望遠鏡顧名思義，是將全部成像光學元件都放在真空筒中，消除儀器內(nèi)部氣流對成像的有害影響。的真空太陽望遠鏡在美國薩克拉門托峰天文臺。它的外形是41米高的露天錐塔，頂部是真空密封轉(zhuǎn)臺。太陽光射入玻璃密封窗后，穿過出射窗進入附屬儀器。真空筒重250噸，可以轉(zhuǎn)動。這臺儀器安裝在寧靜度很高的高山上，能夠觀測非常小的太陽表面和低層大氣的組織結(jié)構(gòu)，分辨率相當于辨認出距離96千米處一塊汽車牌照的能力，它代表了目前地面太陽儀器的高水平。
美國薩克拉門托峰天文臺
位于我國云南天文臺撫仙湖太陽觀測研究基地的1m太陽望遠鏡（New Vacuum Solar Telescope，NVST）于2010年正式投入常規(guī)觀測。其主要工作目標是對太陽磁場進行高精度地、多層次的直接測量。 當下，人們已經(jīng)認識到磁場在太陽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,而且與太陽外層大氣的加熱、太陽活動周期與幅度的變化、太陽輻射量變化等等問題息息相關(guān)。所以，對于太陽磁場的測量，特別是利用紅外磁敏譜線對高層太陽大氣磁場的直接測量，成為了近年太陽物理研究的一個熱點之一。隨著高分辨率成像觀測系統(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，望遠鏡的使用效率變得越來越重要，因此，在實際工作中需要充分利用有限的可觀測晴天數(shù)。但由于1m太陽望遠鏡采用圓頂移開并遠離望遠鏡的敞開式觀測模式，使得望遠鏡跟蹤系統(tǒng)受風的影響比較大，在觀測時圖像隨風出現(xiàn)較大幅度的低頻抖動。
1m新真空望遠鏡
為解決這一問題，根據(jù)望遠鏡現(xiàn)有的光學系統(tǒng)和風載影響下焦面圖像抖動的特點，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，它不僅可以實現(xiàn)光束掃描穩(wěn)定、光路調(diào)制以及光機抖動補償，也可以實現(xiàn)目標指向、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望遠鏡、空間激光通信平臺、天文望遠鏡、高分辨率偵查照相衛(wèi)星、圖像穩(wěn)定、自適應(yīng)光學等眾多領(lǐng)域。
1m天文望遠鏡結(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，可加載直徑達80mm的鏡片，它的差分驅(qū)動在較大溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的角度定位穩(wěn)定性。P34系列允許頂部平臺在具有共同樞軸點的兩個正交軸上進行高動態(tài)精密偏擺運動，供多種鏡片安裝面可選，以獲得對不同鏡片材料的熱適應(yīng)。同時，具有亞微弧度分辨率，且傾斜角度大可達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 | 尾綴S-閉環(huán) | P34.T2S | P34.T4S | 單位 |
尾綴K-開環(huán) | ||||
運動自由度 | θx,θy | θx,θy | ||
標稱偏轉(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×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1m太陽望遠鏡工作在五到六級風的情況下，偏擺鏡圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)的延遲時間在20ms，系統(tǒng)閉環(huán)控制頻率只要工作在25Hz左右，就能將圖像抖動的均方根值控制在0.5"以內(nèi)。經(jīng)過多次實驗驗證，采用哈爾濱芯明天公司型號為P34.T4二維擺鏡建立圖像穩(wěn)定閉環(huán)控制系統(tǒng)以穩(wěn)定隨機風載對1m太陽望遠鏡引起的焦面圖像抖動方法是有效且非常穩(wěn)定的。
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