CN103852880B - 一种ccd天顶望远镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种国内天体测量领域的使用CCD作为观测终端的CCD天顶望远镜，采用高精度倾斜仪与平面反射镜相结合组成恒星星光反射面，改变了传统天体测量仪器用水银盘做星光反射面的方法，更利于仪器的流动测量；适于在地学领域和天文领域推广应用，其可以用于垂线偏差的流动测量、海上和陆地的快速定位、以及正在组建的UT1测量等。

Description

一种CCD天顶望远镜

技术领域

本发明属于天体测量仪器领域，特别是涉及一种将CCD和高精度倾斜仪等新技术应用于天体测量设备---天顶望远镜。

背景技术

照相天顶设备是通过拍摄天顶附近的恒星及测量星象在底片上的位置来归算天文时间和纬度的一种地面光学天体测量望远镜，从最初仅用于纬度测量的照相天顶设备算起，至今已超过百年的时间。相对20世纪70、80年代相继采用的甚长基线干涉测量技术(VLBI)、激光测距(SLR)等新技术仪器，等高仪、中星仪和照相天顶设备被称为经典天体测量仪器。因照相天顶设备观测天顶附近的恒星，最大限度地减少了大气折射的影响，因而在经典天体测量仪器中测量精度相对是最高的。因此得到一些国家天文台的重视，不断得到改进，成为测量地球自转参数(ERP)的重要设备。在我国，中科院南京天文仪器厂于1976年研制过真空照相天顶设备，1979年安装在北京天文台天津纬度站进行试观测。在20世纪后期，VLBI等新技术仪器表现出了高精度、高效率测定ERP的优点，经典仪器的ERP测定工作逐渐被它们代替，大部分经典天测仪器逐步退役。

天顶照相设备观测天顶附近的恒星，受大气折射的影响相对较小，但是经典天测仪器多数比较笨重，自动化程度不高，操作复杂，需要较多的专业技术人员操作，观测效率低，需要的人力多，运行成本高，而且还无法避免水银盘带来的污染等问题，难以广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有经典天体测量仪器笨重、自动化不高等缺点，提供一种小型、高自动化、高精度、易操作和低成本的仪器，其可以在天文学与地球科学的交叉研究中发挥重要作用。

本发明可以实现定点和流动观测兼容，与经典天体测量仪器相比，观测星等高(CCD天顶望远镜可以实现0.5秒曝光观测至13等星、经典天顶照相设备跟踪20秒观测至9等星)，观测效率高(CCD天顶望远镜可以实现10分钟一组约3000星次、经典天顶照相设备2小时一组20-30星次)，观测精度高(CCD天顶望远镜0.15″/组)，完全自动化观测，无需专业人员就可以实现观测，适于在地学领域和天文领域推广应用，例如可以用于垂线变化测量、垂线偏差的流动测量、陆地和海上的快速天文定位、以及正在组建的ERP测量系统等。

CCD天顶望远镜观测恒星在天球上的视运动，精确观测和记录恒星经过天球上某特定位置的时刻(例如子午线或某个等高圈)，或利用照相方式获得某时刻天顶附近的恒星在望远镜视场内分布的图像，并利用特殊的方法和技术，得到图像中恒星与天球上某个位置的关系，与利用恒星星表计算的相应于观测地点的恒星视位置的数据相结合，可解算出天文上的经度、纬度。

本发明的CCD天顶望远镜包括镜筒部分、旋转轴部分、移动小车、控制系统4个部分。其中镜筒部分，由镜筒主体、物镜、平面反射镜、45°反射角镜、CCD相机、高精度倾斜仪组成；旋转轴部分，由转台主体、旋转轴部分主体采用高精密转台、上下两个金属圆盘、高速步进电机、谐波齿轮、直齿轮、带变速箱的直流电机、倾角传感器组成；移动小车，由带万向轮的小车、电动伸缩杆组成；控制系统；由电控系统、输出系统以及数据处理系统组成。

本发明改变了以往天体测量仪器体积大、自动化程度不高、观测效率低、需要的人力多的缺点，具备小型化、高精度、易操作、低成本等优点。实现了固定-流动观测兼容的方式。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的CCD天顶望远镜样机；

图2是本发明CCD天顶望远镜的镜筒部分结构示意图；

图3是本发明CCD天顶望远镜的光路示意图；

图4是本发明CCD天顶望远镜的旋转轴部分结构示意图；

图5是本发明CCD天顶望远镜的移动小车部分结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本发明的CCD天顶望远镜，如图1所示，主要结构分为：镜筒部分、旋转轴部分、移动小车、控制系统四部分。

如附图2所示，镜筒部分主要由镜筒主体、物镜、平面反射镜、45°反射角镜、CCD相机、高精度倾斜仪组成。由直径为20cm的双片透镜作为物镜，配以平面反射镜和角镜组成该望远镜的折射式光学系统(如附图3所示)，主焦点位于镜筒上方的外侧，星光通过镜筒底部的平面反射镜反射至镜筒上部的45°反射角镜，再反射后将恒星星象聚焦在镜筒外侧的CCD相机靶面上，镜筒的另一侧安装有高精度倾斜仪，用于记录观测时的水平值。

CCD调焦系统固定在装有滑块的滑轨上，由螺距0.2mm的丝杆前后移动以实现望远镜的焦距调整，同时用两根拉簧保证滑块与丝杆的随动。CCD相机用单个m6螺钉固定在滑块上，CCD相机可做左右旋转。框架上设计了两个螺孔供调整CCD相机的俯仰调整，转向角镜也有方位俯仰调整功能。

如附图4所示，旋转轴部分主要由转台主体、旋转轴部分主体采用高精密转台(精度达到1um)、上下两个金属圆盘、高速步进电机、谐波齿轮、直齿轮、带变速箱的直流电机、倾角传感器组成；旋转轴部分负责实现CCD天顶望远镜精置平、旋转、定位功能。

望远镜的旋转轴系统及镜筒由上下两个金属圆盘支撑。圆盘的上盘靠三套调平系统支撑在相同直径的下盘上。旋转轴外轴安放在金属圆盘上，镜筒安放在转台的内轴上。转台内轴下端面安装一直径300mm齿轮盘，由步进电机和谐波变速一体的减速箱、直径30mm小齿轮驱动，其与大齿轮咬合带动内轴旋转。带变速箱的直流电机固定在上盘的上面，上盘的下面是相对编码器和手轮，通过细牙螺栓和关节轴承固定在下盘上，用于精置平。

如附图5所示，移动小车部分由带万向轮的小车、电动伸缩杆组成；CCD天顶望远镜到达观测位置后，控制系统开始工作，移动小车的电动伸缩杆伸出，支撑起CCD天顶望远镜，由于移动小车的存在，可实现定点观测和流动观测兼容。

金属圆盘的下盘相对地面分别有三个手调的水平支撑，通过调整螺旋可以调节支撑结构的着地方式：万向轮方式或者支撑杆方式。其中和平台接触移动时调到万向轮方式，观测时调整到支撑杆方式。

控制系统主要由电控系统、输出系统以及数据处理系统组成。电控系统采集CCD天顶望远镜设备上的各个传感器的信息，了解仪器当前的工作状态，发出控制命令驱动望远镜进行定位、粗置平、精置平、曝光观测操作，数据处理系统完成数据处理，所有操作均可在输出系统进行显示。

CCD天顶望远镜采用精度为15ns的GPS秒信号同步CCD曝光时刻，确定观测历元。

CCD天顶望远镜体积小，高1.5米，重50公斤；并且CCD天顶望远镜不需使用基墩。

CCD天顶望远镜整个观测过程完全自动化观测，自动置平、自动记录观测数据、自动处理观测结果，无需人工操作。

CCD天顶望远镜观测精度高，单次观测精度达到0.2″-0.3″。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术对本发明技术方案作出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种CCD天顶望远镜，包括

镜筒部分，由镜筒主体、物镜、平面反射镜、45°反射角镜、CCD相机、高精度倾斜仪组成；

旋转轴部分由高精密转台、上下各一个金属圆盘、高速步进电机、谐波齿轮、直齿轮、带变速箱的直流电机、倾角传感器组成；

移动小车，由带万向轮的小车、电动伸缩杆组成；

控制系统，由电控系统、输出系统以及数据处理系统组成；

其特征在于，镜筒部分位于CCD天顶望远镜的最顶端，是天顶望远镜的光学成像系统；

旋转轴部分位于CCD天顶望远镜的中间部分，是整个仪器驱动环节的执行机构，负责望远镜精置平、旋转、定位功能；

移动小车位于CCD天顶望远镜的下方，具有粗置平功能、可放置望远镜主体，移动小车可实现定点观测和流动观测兼容；

控制系统用于CCD相机曝光控制、图像采集、GPS时钟信息读取、秒信号同步、望远镜高速驱动和定位控制、倾角传感器以及高精度倾斜仪数据采集、望远镜粗置平和精置平控制、数据处理以及输出。

2.如权利要求1所述的CCD天顶望远镜，其特征在于，

CCD天顶望远镜到达观测位置后，控制系统开始工作，移动小车的电动伸缩杆伸出，支撑起CCD天顶望远镜，自动粗置平；

紧接着进行精置平，当望远镜水平状态满足观测条件后开始观测，控制系统驱动旋转轴部分进行旋转、定位；

定位结束后，镜筒部分成像系统的CCD相机记录曝光时刻的恒星星像数据，并且控制系统记录这一时刻的望远镜水平值，最终由数据处理系统处理观测结果输出到输出系统。

3.如权利要求2所述的CCD天顶望远镜，其特征在于，镜筒部分的光学成像系统采用折射式光学系统，恒星星光经物镜折射到平面反射镜上，反射至45°反射角镜，再反射后将恒星星象聚焦在镜筒外一侧的CCD相机靶面上。

4.如权利要求3所述的CCD天顶望远镜，其特征在于，恒星星光经物镜折射到平面反射镜，再由平面反射镜反射，平面反射镜反射至镜筒上部的45°反射角镜，再反射后将恒星星象聚焦在镜筒外侧的CCD相机靶面上，平面反射镜反射面法线与铅垂线方向不能完全一致，在观测过程中结合高精度倾斜仪对其进行改正。

5.如权利要求1所述的CCD天顶望远镜，其特征在于，CCD天顶望远镜高1.5米，重50公斤。

6.如权利要求1所述的CCD天顶望远镜，其特征在于，CCD天顶望远镜不需使用基墩。

7.如权利要求1所述的CCD天顶望远镜，其特征在于观测过程无需人工操作。

8.如权利要求1所述的CCD天顶望远镜，其特征在于，采用精度为15ns的GPS秒信号同步CCD曝光时刻，确定观测历元。

9.如权利要求1所述的CCD天顶望远镜，其特征在于单次观测精度达到0.2″-0.3″。