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天文图像稳定控制解决方案

       真空太阳望远镜顾名思义,是将全部成像光学元件都放在真空筒中,消除仪器内部气流对成像的有害影响。的真空太阳望远镜在美国萨克拉门托峰天文台。它的外形是41米高的露天锥塔,顶部是真空密封转台。太阳光射入玻璃密封窗后,穿过出射窗进入附属仪器。真空筒重250吨,可以转动。这台仪器安装在宁静度很高的高山上,能够观测非常小的太阳表面和低层大气的组织结构,分辨率相当于辨认出距离96千米处一块汽车牌照的能力,它代表了目前地面太阳仪器的高水平。


美国萨克拉门托峰天文台

       位于我国云南天文台抚仙湖太阳观测研究基地的1m太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope,NVST)于2010年正式投入常规观测。其主要工作目标是对太阳磁场进行高精度地、多层次的直接测量。 当下,人们已经认识到磁场在太阳大气的各种物理过程中均起到了决定性的作用。它不仅仅可以导致许多诸如黑子、暗条、耀斑以及日冕物质抛射等壮观现象的产生,而且与太阳外层大气的加热、太阳活动周期与幅度的变化、太阳辐射量变化等等问题息息相关。所以,对于太阳磁场的测量,特别是利用红外磁敏谱线对高层太阳大气磁场的直接测量,成为了近年太阳物理研究的一个热点之一。随着高分辨率成像观测系统、多波段光谱仪、大色散光谱仪、磁分析仪等终端仪器逐步完善,望远镜的使用效率变得越来越重要,因此,在实际工作中需要充分利用有限的可观测晴天数。但由于1m太阳望远镜采用圆顶移开并远离望远镜的敞开式观测模式,使得望远镜跟踪系统受风的影响比较大,在观测时图像随风出现较大幅度的低频抖动。


 1m新真空望远镜

       为解决这一问题,根据望远镜现有的光学系统和风载影响下焦面图像抖动的特点,在氧化钛高分辨率成像通道中搭建基于二维摆镜的图像稳定系统进行调节。该系统中的偏摆镜是近年发展起来的精密控制仪器,它不仅可以实现光束扫描稳定、光路调制以及光机抖动补偿,也可以实现目标指向、稳定空间以及的跟踪捕获。目前它已被广泛用于空间光学望远镜、空间激光通信平台、天文望远镜、高分辨率侦查照相卫星、图像稳定、自适应光学等众多领域。

1m天文望远镜结构图

       上述图像稳定系统采用哈尔滨芯明天科技有限公司的压电偏转镜P34.T4,P34系列压电偏摆镜是专为较大直径镜片而设计,可加载直径达80mm的镜片,它的差分驱动在较大温度范围内表现出良好的角度定位稳定性。P34系列允许顶部平台在具有共同枢轴点的两个正交轴上进行高动态精密偏摆运动,供多种镜片安装面可选,以获得对不同镜片材料的热适应。同时,具有亚微弧度分辨率,且倾斜角度大可达6mrad(约等于光束偏转12mrad)。

P34.T4压电偏转镜技术参数

型号

尾缀S-闭环

P34.T2S
P34.T2K

P34.T4S
P34.T4K

单位

尾缀K-开环

运动自由度

θx,θy

θx,θy

 

标称偏转角度

2.5或±1.25

5或±2.5

mrad

大偏转角度

3或±1.5

6或±3

mrad

传感器类型

SGS/-

SGS/-

 

闭/开环分辨率

0.2/0.1

0.4/0.2

µrad

闭环线性度

0.2/-

0.3/-

%F.S.

闭环重复定位精度

0.02/-

0.02/-

%F.S.

空载谐振频率

1.4

0.9

kHz

加载后谐振频率 (Φ80x15mm镜片)

0.7

0.4

kHz

闭/开环空载阶跃时间

4/2

10/4

ms

空载工作频率

10%行程

500

240

Hz

100%行程

50

20

静电容量

7.2

14.5

μF/轴

长×宽

59.5×59.5

59.5×59.5

mm

56

92

mm

重量

400

800

g

 

       通过数值模拟分析,当1m太阳望远镜工作在五到六级风的情况下,偏摆镜图像稳定控制系统的延迟时间在20ms,系统闭环控制频率只要工作在25Hz左右,就能将图像抖动的均方根值控制在0.5"以内。经过多次实验验证,采用哈尔滨芯明天公司型号为P34.T4二维摆镜建立图像稳定闭环控制系统以稳定随机风载对1m太阳望远镜引起的焦面图像抖动方法是有效且非常稳定的。

 

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