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構，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、耀斑以及日冕物質拋射等壯觀現(xiàn)象的產生,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。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、自適應光學等眾多領域。
1m天文望遠鏡結構圖
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鏡P34.T4，P34系列壓電偏擺鏡是專為較大直徑鏡片而設計，可加載直徑達80mm的鏡片，它的差分驅動在較大溫度范圍內表現(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。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12mrad）。
P34.T4壓電偏轉鏡技術參數(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 | ||
標稱偏轉角度 | 2.5或±1.25 | 5或±2.5 | mrad | |
大偏轉角度 | 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。經過多次實驗驗證，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。
