云台红外太阳望远镜中光电导行系统的像场旋转

红外太阳望远镜中的光电导行系统是高精度的反馈跟踪系统。在开环控制下,难以实现太阳望远镜的跟踪指标,所以必须使用光电导行作为目标位置反馈系统。但是在地平式系统跟踪过程中,光电导行望远镜中的像场会旋转,如果不进行消旋,光电导行系统就不能工作,这就需要解决光电导行系统中的像场旋转。本文在理论上分析了红外望远镜中光电导行系统的像场旋转,并给出了像在CCD面上的运动变化公式。     

云台红外太阳望远镜中光电导行系统的像场旋转

红外太阳望远镜中的光电导行系统是高精度的反馈跟踪系统。在开环控制下，难以实现太阳望远镜的跟踪指标，所以必须使用光电导行作为目标位置反馈系统。但是在地平式系统跟踪过程中，光电导行望远镜中的像场会旋转，如果不进行消旋，光电导行系统就不能工作，这就需要解决光电导行系统中的像场旋转。本文在理论上分析了红外望远镜中光电导行系统的像场旋转，并给出了像在CCD面上的运动变化公式。     

YNST光电导行镜机械设计

YNST(云南1m太阳望远镜)光电导行系统的作用除了获取足够清晰的太阳像用作光电导行外,还参与望远镜光轴的校正.介绍了YNST光电导行镜的光学要求、机械设计结果及镜体设计所采用的被动无热化技术.校核了导行镜在阳光辐照下的热变形,计算了导行镜镜筒的最大弯沉,结果表明,所采用的无热化设计是有效的,导行镜刚度满足导行系统要求...     

1m红外太阳望远镜光电导行系统的反馈控制分析

我国正在研制中的1m红外太阳望远镜是目前国内唯一的地平式真空太阳塔,主要用于活动区磁场的精细光谱分析和太阳活动区磁场的时空精细结构研究.要求望远镜必须长时间高精度跟踪太阳(0.3"/30s、1"/10min)才能实现它的科学目标.光电导行是实现望远镜高精度跟踪观测目标的关键控制技术,通过检测观测目标像在图像传感器上的移动量作为反馈控制信号对望远镜实行闭环控制.首先建立了光电导行系统的控制系统模型,然后分析了系统的稳定性能、暂态性能、时域特性、频域特性及跟踪性能,并采用PID控制器对系统进行优化设计,以提高光电导行反馈控制系统的稳定性和跟踪精度.通过计算机仿真设计,采用PID控制算法能实现1m红外太阳望远镜的跟踪要求.     

NVST的长期跟踪误差分析及改正

由于1 m太阳望远镜主体、光电导行及终端仪器消旋平台等的结构特点,即使光电导行系统闭环后,望远镜长时间跟踪精度仍然较低。为了解决这一问题,首先根据望远镜的结构特点分析了跟踪误差随时间变化的原因,然后通过理论和实测分析了误差的变化特点,研究了如何通过相关算法检测望远镜折轴焦点F_3焦面的高分辨率成像观测系统中的图像移动量,并平滑高频分量,分离出低频分量以反馈给望远镜定位跟踪系统,进一步提高望远镜的长时间跟踪精度。最后进行了高分辨率成像观测系统中TiO通道闭环跟踪实验,实验表明,在4小时的闭环跟踪时间内,跟踪误差的均方根值为0.52″,表明通过折轴焦点F_3成像观测系统中的图像移动量对望远镜实行闭环跟踪能够提高望远镜的长时间跟踪精度。     

1米太阳望远镜光轴变化实测

针对1 m太阳望远镜导星镜光轴与望远镜光轴在跟踪过程中的相对变化对光电导行系统的影响,从数值模拟和实测两方面进行了深入分析.首先介绍1 m太阳望远镜及其光电导行系统的基本结构,并建立主镜镜筒的基本有限元模型,分析弯沉随镜筒指向高度的变化规律,模拟有弯沉存在时引入的跟踪误差及变化规律.然后根据该望远镜的系统结构,提出了望远镜光轴相对于导星镜光轴变化的实测方法.最后通过实测数据获得了望远镜光轴相对于导星镜光轴变化随镜筒指向高度的变化规律.     

全日面太阳光学和磁场望远镜的自动跟踪与导行方法

介绍全日面太阳光学和磁场望远镜的自动跟踪与导行方法。本系统采用光栅钢带码盘作位置检测元件,实时计算太阳站心位置,构成高精度的位置环跟踪系统,并用视频CCD和胡氏导行光路进行太阳导行,提高了系统的长时间跟踪精度。最后经实测,分析得出该跟踪导行系统完全达到预期指标。     

AIMS太阳望远镜中像旋对稳像精度的影响分析

针对用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统(Accurate Infrared Magnetic field measurements of the Sun, AIMS)太阳望远镜地平式机架在跟踪目标时像场旋转的现象,研究了像场旋转对稳像系统校正精度的影响。首先理论分析了互相关因子算法和绝对差分算法在不同湍流强度及不同探测窗口大小时由像场旋转引起的计算误差。随后在光学分析软件ASAP(Advanced Systems Analysis Program)中建立了包含装配误差的望远镜系统动态光学模型,统计了折轴系统装配误差在望远镜实时跟踪太阳运动时引起的像场平移及旋转。其中,图像在半小时内的最大平移约为0.3 mm,最大像旋约为200″。结果表明,在现有的误差分配情况下,装配误差引起的像旋对稳像精度的影响很小,而为了获得较高的稳像精度,互相关因子算法是首选的稳像算法,且在硬件处理速度允许的情况下,应该选择128×128像素的探测窗口。     

1m红外太阳望远镜液冷系统设计

首先对1m红外太阳望远镜的冷却对象做热分析,基于分析结果和冷却对象的特殊要求,得出液冷是最适合的冷却方法,并给出了液冷系统(LCS)设计和关键部件选择。液冷系统中对各子系统添加了定性检测模块以及定性检测和PLC通信的电路设计,又对封窗LCS子系统添加了液量控制电路。实验表明该LCS设计满足YNST零冷却对象的特殊要求,设计合理,是一种可行的设计方案。     

1米太阳望远镜光谱仪像旋转及消旋控制

光谱仪是1 m太阳望远镜的主要终端设备之一,该望远镜采用地平式的机架结构和修正的格里高利光学系统。在望远镜跟踪太阳时,由于地平式望远镜的自身运动特点和光学系统中平面反射镜的存在,其光谱仪狭缝所在平面上的太阳像随时间绕主光轴旋转,因此光谱仪必须进行消旋才能正常工作。首先深入研究了光谱仪狭缝平面上像的旋转变化,分析其旋转范围、速度和加速度随时角变化的特性,然后根据光谱仪消旋精度并结合像的旋转特性提出伺服系统位置检测和驱动电机的主要性能指标,最后给出光谱仪消旋伺服控制方案。     

基于FPGA的空间太阳磁像仪自校正稳像系统研制

太阳磁像仪是开展太阳磁场观测研究的核心仪器,其中的稳像系统是空间太阳磁像仪的关键技术之一,针对深空探测卫星系统对载荷重量、尺寸限制严苛的要求,设计了基于图像自校正方法的稳像观测系统.介绍了一套基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)和数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP),通过基于自相关算法的高精度稳像方法设计,并结合精确偏振调制、准确交替采样控制等系统软硬件设计,克服由于卫星平台抖动、指向误差等因素造成的图像模糊,实现实时相关、校正、深积分的稳像观测系统.针对像素尺寸为1 K×1 K、帧频为20 fps的CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)探测器,实现了1像元以内的实时稳像观测精度.在完成实验室测试后, 2021年6月18日在国家天文台怀柔太阳观测基地35 cm太阳磁场望远镜上开展了实测验证,结果表明该系统能够有效地完成太阳磁像仪自校正稳像观测,获得了更高分辨率的太阳磁场数据.稳像系统的成功研制不仅可以为深空太阳磁像仪的研制提供轻量化、高...     

Acceleration feedback control(AFC) enhanced by disturbance observation and compensation(DOC) for high precision tracking in telescope systems

In this paper, a cascade acceleration feedback control(AFC) enhanced by a disturbance observation and compensation(DOC) method is proposed to improve the tracking precision of telescope systems.Telescope systems usually suffer some uncertain disturbances, such as wind load, nonlinear friction and other unknown disturbances. To ensure tracking precision, an acceleration feedback loop which can increase the stiffness of such a system is introduced. Moreover, to further improve the tracking precision, we introduce the DOC method which can accurately estimate the disturbance and compensate it. Furthermore,the analysis of tracking accuracy used by this method is proposed. Finally, a few comparative experimental results show that the proposed control method has excellent performance for reducing the tracking error of a telescope system.     

云南1m太阳塔真空封窗减反射膜的设计

云南1m太阳塔(YNST)[1]是一个真空结构的塔式太阳望远镜,依靠4块平板封窗玻璃把整个光学系统密封在真空系统中。封窗玻璃的引入,不仅会对太阳光有一定的吸收和反射,使来自太阳辐射的能量有一定的损失,并会形成杂散光,影响成像质量。本文讨论了这些影响。根据云南1m红外太阳塔科学指导委员会确定的工作波段的要求,设计了一种膜系设计方法,可以利用最少的膜系层数来达到需要的结果。并用一组材料进行了模拟设计实验,获得了较为理想的优化结果,在关键波长处显著减小了反射率,减少了杂散光的形成。这种设计方法很适合象太阳塔这种很宽的波段里面对一组波长有很高要求的设计任务,将大大提高光能利用率,具有重要的价值。     

Image Stabilization System for Hinode (Solar-B) Solar Optical Telescope

The Hinode Solar Optical Telescope (SOT) is the first space-borne visible-light telescope that enables us to observe magnetic-field dynamics in the solar lower atmosphere with 0.2 – 0.3 arcsec spatial resolution under extremely stable (seeing-free) conditions. To achieve precise measurements of the polarization with diffraction-limited images, stable pointing of the telescope (<0.09 arcsec, 3σ) is required for solar images exposed on the focal plane CCD detectors. SOT has an image stabilization system that uses image displacements calculated from correlation tracking of solar granules to control a piezo-driven tip-tilt mirror. The system minimizes the motions of images for frequencies lower than 14 Hz while the satellite and telescope structural design damps microvibration in higher frequency ranges. It has been confirmed from the data taken on orbit that the remaining jitter is less than 0.03 arcsec (3σ) on the Sun. This excellent performance makes a major contribution to successful precise polarimetric measurements with 0.2 – 0.3 arcsec resolution. K. Kobayashi now at NASA/Marshall Space Flight Center, Huntsville, AL 35812, USA.     

Precise Determination of the Orientation of the Solar Image

Accurate heliographic coordinates of objects on the Sun have to be known in several fields of solar physics. One of the factors that affect the accuracy of the measurements of the heliographic coordinates is the accuracy of the orientation of a solar image. In this paper the well-known drift method for determining the orientation of the solar image is applied to data taken with a solar telescope equipped with a CCD camera. The factors that influence the accuracy of the method are systematically discussed, and the necessary corrections are determined. These factors are as follows: the trajectory of the center of the solar disk on the CCD with the telescope drive turned off, the astronomical refraction, the change of the declination of the Sun, and the optical distortion of the telescope. The method can be used on any solar telescope that is equipped with a CCD camera and is capable of taking solar full-disk images. As an example to illustrate the method and its application, the orientation of solar images taken with the Gyula heliograph is determined. As a byproduct, a new method to determine the optical distortion of a solar telescope is proposed.     

Design and implementation of an image stabilization device at the THEMIS solar telescope

An image stabilizer has been inserted into the optical path of the THEMIS solar telescope. THEMIS is a Ritchey–Chretien reflector telescope using an altazimuthal mount and closely tied to its spectrograph. The optical and mechanical design, implementation and system tests are described, and emphasis is put on the complexity of situations that this stabilizer must accept, including the scanning of the solar surface while stabilizing. The current closed-loop crossover frequency of the device is 65 Hz at ??3 dB on all typical solar scenes.     

ASO-S卫星基于太阳导行镜的高精度高稳定度姿态控制系统

先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)卫星姿控分系统的主要任务是实现高精度、高稳定度对日指向控制. ASO-S卫星的科学载荷中,白光望远镜(White-light Solar Telescope, WST)前端配置了太阳导行镜(Guide Telescope, GT)稳像系统,利用正交分布光电二极管组成的边缘探测器测量导行镜光轴与太阳中心的偏差角.提出了一种将GT测量值引入姿态控制闭环的控制方法:利用星敏陀螺定姿算法获得卫星-太阳方向姿态偏差, GT测量值确定非卫星-太阳方向姿态偏差;以4斜装反作用轮组为执行机构,进行三轴零动量稳定姿态控制.通过数学仿真验证,基于GT测量值的姿态控制器在非卫星-太阳方向的绝对指向精度优于2′′、相对姿态稳定度优于1′′/60 s,满足ASO-S卫星高精度高稳定度的对日指向要求.