CN115235414B - 一种大口径望远镜指向变化检测与修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及望远镜光轴调整技术领域，具体涉及一种大口径望远镜指向变化检测与修正方法，本发明具有显著的优点是能够针对大型地基望远镜系统的指向变化进行检测，并且创造性地提出了基于次镜无慧差点来进行主光学系统的光轴调整，在对望远镜指向进行补偿的同时保证了主镜及次镜的系统波前，可以使望远镜系统的跟踪精度达到最佳的状态，与传统方法相比，具有较高的应用价值和创新性。

Description

一种大口径望远镜指向变化检测与修正方法

技术领域

本发明涉及望远镜光轴调整技术领域，具体而言，涉及一种大口径望远镜指向变化检测与修正方法。

背景技术

随望远镜口径不断增大，相应的结构尺寸也相应增加且越来越复杂，重力场变化引起的望远镜光轴指向变化影响也愈发明显，进而影响望远镜的跟踪精度，望远镜指向变化检测与修正已成为研究热点和难点。在望远镜指向误差校正方面，欧洲南方天文台ESO在NTT望远镜上首先开创了基于主动光学的校正技术，利用图像传感器来监视望远镜指向变化，以此作为反馈来调整次镜的位置指向误差的校正。随后这项技术被广泛应用到8-10米级地基大型望远镜上，其中VLT望远镜采用三个独立的调整机构来分别调整指向误差，TNG和VST采用副镜调整平台来补偿光轴变化。指向变化检测与修正是解决地基大口径对目标高精度跟踪、高分辨力成像的重要方式。

在跟踪过程中采用独立结构的捕获跟踪器进行闭环跟踪，装调过程中必须保证跟踪器光轴与主光学系统的光轴平行，但在大口径地基望远镜跟踪目标的过程中，由于桁架结构尺寸大、重量大，随着望远镜姿态不断变化并受到重力场的影响，两者光轴之间不再保持平行，从而影响捕获跟踪器的正常工作，引入跟踪误差。

地基大口径望远镜要实现预期的跟踪精度及测量精度，保证大口径望远镜在跟踪过程中指向不变是非常重要的，因而需要分析产生望远镜指向变化的原因、提出指向变化检测方法以及对望远镜指向进行修正。造成捕获跟踪器与主光学系统的光轴变化的因素有许多，经过分析的主要因素有：1)支撑主光学系统的桁架结构受重力变形引起主镜M1和次镜M2相对位置变化导致的光轴改变，重力引起的形变量是引起光轴变化的主要原因；2)捕获跟踪器成像终端探测器支撑结构受重力影响引起的光轴变化；3)对于口径达到400mm的捕获跟踪，其重量达到500kg，捕获跟踪器与望远镜四通接口的安装基座受重力影响引起的光轴变化。

现行的测量光轴变化的方法有很多，这些方法大多通过特有仪器(如五维机械臂目标模拟系统)测量光轴变化，针对小口径望远镜来说，这种方法是可行的，而对于口径达到4米量级的望远镜系统，其高度达到了13m，采用附加机构对系统光轴变化进行检测无疑是复杂且很难实现的，同时将会对望远镜的正常观测产生影响。国外专家采用偏离误差模型来处理天文望远镜机械安装、调试等引入的跟踪误差，比如望远镜光轴变化引入的位置偏差。常用的望远镜指向误差修正软件有STARCA和TPOINT等，这种方法采用的是经验修正及参数修正，因而这种测量方法精度有待提高，这是由于建立误差模型时采用的是统计数据求解，这种光轴变化引起的跟踪误差与望远镜的方位、俯仰轴不垂直正交有很大的关系，光轴变化引入误差采用的是理论经验模型，并且指向精确度模型只针对望远镜主光学系统的光轴变化进行补偿，而4m望远镜还要考虑捕获跟踪器和其它因素导致的光轴变化，即主光学系统的光轴与捕获跟踪器光轴之间的相对变化。

因此，现有技术还存在缺少，有待于进一步发展。

发明内容

本发明实施例提供了一种大口径望远镜指向变化检测与修正方法，以至少解决现有大口径望远镜光轴指向跟踪性能精度低的技术问题。

根据本发明的一实施例，提供了一种大口径望远镜指向变化检测与修正方法，包括以下步骤：

S100：搭建望远镜系统，使望远镜系统具备光轴指向实测条件；其中，望远镜系统包括主光学系统、库德系统及机下成像探测器，主光学系统包括主镜及次镜，指向实测条件包括在望远镜系统搭建完成后，在次镜中心位置放置标定光源，在主光学系统装调过程中，通过基准转移的方式实现光源与主光学系统的光轴重合，光源发出的光经过三镜及库德系统将光源转射至机下成像探测器，以在机下成像探测器内成像；

S200：转动望远镜系统的俯仰角度，根据所搭光路以及机下成像探测器对望远镜系统指向变化进行测量，获取测量的数据，根据测量的数据进行数据处理及进行光轴修正工作；

S300：根据次镜的无慧差点位置进行旋转，通过步骤S200中测量的数据进行分析，得出次镜所需要移动的位置，将次镜按照该需要移动位置进行移动，完成对望远镜系统指向变化的修正。

进一步地，通过以主镜为基准，计算次镜相对于主镜选取节点位移变化，以次镜相对于主镜的位置偏差及角度偏差作为输入，分析主光学系统的光轴偏差。

进一步地，转动望远镜系统的俯仰角度具体为：

转动望远镜系统俯仰角，标定光源随俯仰角变化各采集若干幅图像；

望远镜系统俯仰角变化前后采集图像平均坐标值的差值即为望远镜主系统光轴指向变化；

根据光轴指向变化，计算望远镜主系统光轴修正所需的次镜补偿量，根据所属补偿量进行光轴修正工作。

进一步地，计算望远镜主系统光轴修正所需的次镜补偿量具体为：

零彗差点与理想情况下次镜的中心顶点距离满足补偿量计算公式，通过补偿量计算公式计算次镜补偿量，补偿量计算公式为:

其中，L为理想情况下次镜中心顶点与焦面中心距离，m₂为次镜放大率，即主光学系统焦距与主镜焦距之比，满足m₂＝f′/f₁′，f′为望远镜系统的焦距，f₁′为主镜的焦距，b_s2为次镜非球面系数；

次镜绕零彗差点旋转，次镜的平移D和旋转T所产生的彗差在轴上视场始终可以相互抵消，通过次镜相对于主镜相对位置发生变化，改变主光学系统的光轴；其中，主光学系统的入射光线与主镜光轴平行时，在靶面上所成的像点位置为轴上视场；

校正轴上视场，通过次镜绕零彗差点旋转，改变主光学系统的指向，根据次镜当前位置，计算主镜及次镜的无慧差旋转点位置，以机下成像探测器脱靶量为反馈，作为确定望远镜系统光轴的校正依据，计算次镜支撑结构平台的控制输入量，从而实现对望远镜系统光轴偏差的补偿。

进一步地，望远镜系统俯仰角的转动间隔角度为5-10度。

进一步地，在完成对望远镜系统指向变化的修正之后还包括：

对望远镜系统指向变化的修正结果进行验证。

进一步地，对望远镜系统指向变化的修正结果进行验证具体为：

基于卡式系统主次镜零慧差点理论，将次镜绕无慧差点进行旋转；

基于次镜绕无慧差点进行旋转，对望远镜系统光轴指向补偿修正后，通过望远镜系统对选取天区中各个指向的恒星进行观测获取数据采样点，以捕获跟踪系统十字丝位置，并将十字丝位置为闭环中心；

望远镜系统指向以机下成像探测器恒星目标脱靶量为基准，查验望远镜系统指向变化的修正准确性。

进一步地，通过增加在望远镜系统补偿过程中指向变化数据采样点个数来提高修正的准确性。

进一步地，光源发出的光经过三镜及库德系统将光源转射至机下成像探测器具体为：

光源发出的光经过三镜及库德系统呈45度角转射至机下成像探测器。

进一步地，次镜设置在六足调整平台上，通过六足调整平台对次镜进行调整。

本发明实施例中的大口径望远镜指向变化检测与修正方法，本发明具有显著的优点是能够针对大型地基望远镜系统的指向变化进行检测，并且创造性地提出了基于次镜无慧差点来进行主光学系统的光轴调整，在对望远镜指向进行补偿的同时保证了主镜及次镜的系统波前，可以使望远镜系统的跟踪精度达到最佳的状态，与传统方法相比，具有较高的应用价值和创新性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明大口径望远镜指向变化检测与修正方法的流程图；

图2为本发明测定光轴指向变化及修正的具体流程图；

图3为本发明主系统与跟踪器倾斜和平移示意图；

图4为本发明4m级地基望远镜系统简图；

图5为本发明测定光轴指向变化示意图；

图6为本发明主光学系统成像示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明针对地基大口径望远镜在观测过程中指向变化的检测与修正，根据上述背景技术的分析，引起光轴指向变化的主要因素归结为次镜相对于主镜的倾斜及平移、捕获跟踪探测器与主系统光轴倾斜，如图3所示，图3中次镜相对于主镜产生的位移为h₁，次镜相对于主镜产生的倾斜为θ₁，捕获跟踪器相对于主系统光轴倾斜为θ₂，则这三种变化量对应目标在成像CCD上的影响量为：

其中：S为次镜到成像CCD的距离，R为次镜曲率半径，F₁为捕获跟踪器的焦距。

图4中的(a)为4m望远镜简化结构，(b)为4m望远镜简化光路结构，(c)为捕获跟踪光路结构。

本文的4m级地基望远镜系统简图如图4中的(a)所示，总体高度12.5m，宽度5.8m，总体质量接近90吨。参考图3至图6，从光机结构角度，望远镜主要包括地平式跟踪架、主镜、次镜、机上标定系统、库德系统、机下自适应校正平台及多个成像终端等，这里为了简化分析流程，仅考虑前六部分。望远镜焦面位于机下库德房平台平面，该平台设置有4m望远镜的多个终端系统，包括精跟踪系统、波前探测系统及高分辨率成像系统。在图4的(b)中所示的4m望远镜系统的主光学系统中，主镜M1是抛物面反射镜，次镜M2为双曲面凸反射镜，M3是椭球平面反射镜，M4～M6组成库德系统且均为平面反射镜，主光学系统包括主镜及次镜组成，具体光学参数如表1所示。

4m望远镜的具体参数

表1

望远镜四通装有口径为400mm口径的捕获跟踪器，如图4中的(c)所示，望远镜系统通过捕获跟踪器终端的成像器件采集空间目标图面像并计算其质心位置变化来实现主光学系统对空间目标的长时间高精度跟踪。这种采用独立捕获跟踪器闭环跟踪模式要求望远镜在跟踪过程中主光学系统光轴和捕获跟踪器光轴必须始终保持指向同一天区同一点，既两个光学系统光轴要严格保持平行。

尽管可以分析出每种影响光轴变化的原因，但对于望远镜在观测目标过程中所有影响因素叠加在一起后造成的光轴变化的变化规律和量级相当复杂。本发明提出了基于次镜支撑结构及卡式系统零慧差点理论的修正模型来改善地基大口径望远镜的跟踪性能，并通过于次镜位置放置标定光源，于机下成像探测器组成闭环回路，实现对望远镜光轴变化的实时测量，通过分析得到的数据，完成对望远镜指向变化的修正。

参见图1级图2，根据本发明一实施例，提供了一种大口径望远镜指向变化检测与修正方法，包括以下步骤：

S100：搭建望远镜系统，使望远镜系统具备光轴指向实测条件；其中，望远镜系统包括主光学系统、库德系统及机下成像探测器，主光学系统包括主镜及次镜，指向实测条件包括在望远镜系统搭建完成后，在次镜中心位置放置标定光源，在主光学系统装调过程中，通过基准转移的方式实现光源与主光学系统的光轴重合，光源发出的光经过三镜及库德系统将光源转射至机下成像探测器，以在机下成像探测器内成像；

S200：转动望远镜系统的俯仰角度，根据所搭光路以及机下成像探测器对望远镜系统指向变化进行测量，获取测量的数据，根据测量的数据进行数据处理及进行光轴修正工作；

S300：根据次镜的无慧差点位置进行旋转，通过步骤S200中测量的数据进行分析，得出次镜所需要移动的位置，将次镜按照该需要移动位置进行移动，完成对望远镜系统指向变化的修正。

本发明具有显著的优点是能够针对大型地基望远镜的指向变化进行检测，并且创造性地提出了基于次镜无慧差点来进行主光学系统的光轴调整，在对望远镜指向进行补偿的同时保证了主镜及次镜的系统波前，可以使望远镜的跟踪精度达到最佳的状态，与传统方法相比，具有较高的应用价值和创新性。

为了简化系统光轴变化影响因素，将捕获跟踪器光轴与主光学系统光轴倾斜偏差统一考虑为重力场变化带来的指向误差，在观测过程中这部分指向误差可以通过移动次镜进行统一补偿。考虑到4m望远镜高度达到12.5m，在次镜位置放置标定光源是相对简便且可行的方案，标定光源位于次镜中心位置，在主光学系统装调过程中，通过基准转移的方式实现标定光源与主光学系统光轴重合。光源发出的光与次镜及桁架随动，经过三镜及库德系统将光源折转至机下成像探测器。测量光轴指向变化的光路示意图如图5及图6所示。

原理上分析，模拟光源与目标成像所经过的路径唯一的区别为目标成像经过主次镜进行成像，而模拟光源没有经过主镜及次镜。在模拟光源光轴与主光学系统光轴重合的前提下，标定光源和目标成像的影响基本相同，所以均可通过标定光元的相对测量对望远镜进行修正。图像采集步骤为：标定光源随俯仰角变化(间隔角度为5-10度，优选间隔5°俯仰角)各采集10幅图像，针对恒星随俯仰角变化(间隔角度为5-10度，优选间隔5°俯仰角)各采集50幅图像。在对标定光源和恒星采集过程中认为望远镜系统状态是固定不变的，俯仰角变化前后采集图像平均坐标值的差值即为望远镜主系统光轴指向变化。

为了实现上述望远镜指向偏差高精度测量及修正，以下通过具体实施例对本发明的具体技术实施方案进行说明：

步骤一，望远镜指向变化的估计：基于有限元方法建立望远镜系统简化结构力学模型。在望远镜观测过程中，引起光轴变化的主要原因是主次镜相对位置的改变，因此在对望远镜进行结构建模仿真模拟时更关心次镜相对于主镜镜面节点的位置变化。以主镜为基准，计算次镜相对于主镜选取节点位移变化，以仿真分析结果中的位置偏差及角度偏差作为输入，分析望远镜光学模型中主系统的光轴偏差。

步骤二，望远镜指向变化实测：将次镜位置放置标定光源，并调整标定光源的指向使其与主光学系统光轴同轴，通过调整标定光源焦距，使其通过库德系统转射后在机下成像探测器内聚焦在图像采集CCD上；参考图5，转射角度为45度。转动望远镜俯仰角，标定光源随俯仰角变化(优选5度俯仰角)各采集10幅图像，在对标定光源采集过程中认为望远镜系统状态是固定不变的，俯仰角变化前后采集图像平均坐标值的差值即为望远镜主系统光轴指向变化。

步骤三，计算光轴修正所需的次镜补偿量，完成对望远镜系统指向变化的修正：零彗差点与理想情况下次镜的中心顶点距离满足补偿量计算公式，；通过补偿量计算公式计算次镜补偿量，补偿量计算公式为：

其中，L为理想情况下次镜中心顶点与焦面中心距离，m₂为次镜放大率，即主光学系统焦距与主镜焦距之比，满足m₂＝f′/f₁′，f′为望远镜系统的焦距，f₁′为主镜的焦距，b_s2为次镜非球面系数；

次镜绕零彗差点旋转，次镜的平移D和旋转T所产生的彗差在轴上视场始终可以相互抵消，通过次镜相对于主镜相对位置发生变化，改变主光学系统的光轴；其中，轴上视场是光学系统的术语，表示入射光线与主镜光轴平行时，在靶面上所成的像点位置为轴上视场。

次镜绕零彗差点旋转具体为：对于卡塞格林光学形式，在次镜后端存在一个零慧差点(根据光学参数确定)，零慧差点的特点是次镜在围绕该点旋转时，主次镜(主镜及次镜)相对位置改变，但主次镜光学系统的慧差值不改变。因此需要次镜绕该无慧差点旋转，从而实现改变望远镜系统指向的同时主次镜光学系统不产生慧差。

校正轴上视场，通过次镜绕零彗差点旋转，改变主光学系统的指向，根据次镜当前位置，计算主镜及次镜的无慧差旋转点位置，以机下成像探测器脱靶量为反馈，作为确定望远镜系统光轴的校正依据，计算Hexapod平台的控制输入量，从而实现对望远镜系统光轴偏差的补偿。

步骤四，望远镜指向变化修正结果验证：按照基于卡式系统主次镜零慧差点理论，将次镜绕无慧差点旋转；基于次镜绕无慧差点进行旋转，进行望远镜系统光轴指向补偿后，选取天区中各个指向的恒星，通过望远镜系统进行观测获取数据采样点，以捕获跟踪系统十字丝位置为闭环中心，望远镜系统指向以机下成像探测器恒星目标脱靶量为基准，查验望远镜指向变化修正模型的准确性，同时为了提高修正模型的准确性，可以通过增加望远镜补偿过程中指向变化数据采样点个数来进行提高。

参考图6，次镜设置在六足调整平台上，通过六足调整平台对次镜进行调整。

本发明提出了基于卡式系统主次镜零慧差点理论将次镜绕无慧差点旋转进行光轴补偿方法。首先根据4m望远镜光机电系统结构，分析了闭环跟踪时主光学系统光轴变化引入的跟踪误差变化规律；然后根据引起光轴变化的原因，提出了望远镜光轴变化的检测方法，并进行实测；最后提出基于次镜支撑结构(Hexapod平台)及卡式系统零慧差点理论的修正模型来改善地基大口径望远镜的跟踪性能。

参考图4和图5，次镜支撑结构包括桁架、环架、四通及六足调整平台，次镜设置在六足调整平台上，六足调整平台设置在环架上，环架由桁架支撑，桁架设置在四通上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大口径望远镜指向变化检测与修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100：搭建望远镜系统，使所述望远镜系统具备光轴指向实测条件；其中，所述望远镜系统包括主光学系统、库德系统及机下成像探测器，所述主光学系统包括主镜及次镜，所述指向实测条件包括在所述望远镜系统搭建完成后，在所述次镜中心位置放置标定光源，在所述主光学系统装调过程中，通过基准转移的方式实现光源与所述主光学系统的光轴重合，所述光源发出的光经过三镜及所述库德系统将所述光源转射至所述机下成像探测器，以在所述机下成像探测器内成像；

S200：转动所述望远镜系统的俯仰角度，根据所搭光路以及所述机下成像探测器对所述望远镜系统指向变化进行测量，获取测量的数据，根据测量的数据进行数据处理及进行光轴修正工作；

S300：根据所述次镜的无慧差点位置进行旋转，通过步骤S200中测量的数据进行分析，得出所述次镜所需要移动的位置，将所述次镜按照该需要移动位置进行移动，完成对所述望远镜系统指向变化的修正。

2.根据权利要求1所述的大口径望远镜指向变化检测与修正方法，其特征在于，通过以所述主镜为基准，计算所述次镜相对于所述主镜选取节点位移变化，以所述次镜相对于所述主镜的位置偏差及角度偏差作为输入，分析所述主光学系统的光轴偏差。

3.根据权利要求1所述的大口径望远镜指向变化检测与修正方法，其特征在于，转动所述望远镜系统的俯仰角度具体为：

转动所述望远镜系统俯仰角，标定光源随俯仰角变化各采集若干幅图像；

所述望远镜系统俯仰角变化前后采集图像平均坐标值的差值即为望远镜主系统光轴指向变化；

根据所述光轴指向变化，计算所述望远镜主系统光轴修正所需的次镜补偿量，根据所属补偿量进行光轴修正工作。

4.根据权利要求3所述的大口径望远镜指向变化检测与修正方法，其特征在于，所述计算所述望远镜主系统光轴修正所需的次镜补偿量具体为：

零彗差点与理想情况下次镜的中心顶点距离满足补偿量计算公式，通过所述补偿量计算公式计算所述次镜补偿量，所述补偿量计算公式为:

其中，L为理想情况下所述次镜中心顶点与焦面中心距离，m₂为所述次镜放大率，即所述主光学系统焦距与所述主镜焦距之比，满足m₂＝f′/f₁′，f′为所述望远镜系统的焦距，f₁′为所述主镜的焦距，b_s2为所述次镜非球面系数；

所述次镜绕零彗差点旋转，所述次镜的平移D和旋转T所产生的彗差在轴上视场始终可以相互抵消，通过所述次镜相对于所述主镜相对位置发生变化，改变所述主光学系统的光轴；其中，所述主光学系统的入射光线与所述主镜光轴平行时，在靶面上所成的像点位置为轴上视场；

校正所述轴上视场，通过所述次镜绕零彗差点旋转，改变所述主光学系统的指向，根据所述次镜当前位置，计算所述主镜及次镜的无慧差旋转点位置，以所述机下成像探测器脱靶量为反馈，作为确定所述望远镜系统光轴的校正依据，从而实现对所述望远镜系统光轴偏差的补偿。

5.根据权利要求4所述的大口径望远镜指向变化检测与修正方法，其特征在于，所述望远镜系统俯仰角的转动间隔角度为5-10度。

6.根据权利要求5所述的大口径望远镜指向变化检测与修正方法，其特征在于，在所述完成对所述望远镜系统指向变化的修正之后还包括：

对所述望远镜系统指向变化的修正结果进行验证。

7.根据权利要求6所述的大口径望远镜指向变化检测与修正方法，其特征在于，所述对所述望远镜系统指向变化的修正结果进行验证具体为：

基于卡式系统主次镜零慧差点理论，将所述次镜绕无慧差点进行旋转；

基于所述次镜绕无慧差点进行旋转，对所述望远镜系统光轴指向补偿修正后，通过所述望远镜系统对选取天区中各个指向的恒星进行观测获取数据采样点，以捕获跟踪系统十字丝位置，并将所述十字丝位置为闭环中心；

所述望远镜系统指向以机下成像探测器恒星目标脱靶量为基准，查验所述望远镜系统指向变化的修正准确性。

8.根据权利要求7所述的大口径望远镜指向变化检测与修正方法，其特征在于，通过增加在所述望远镜系统补偿过程中指向变化数据采样点个数来提高修正的准确性。

9.根据权利要求1所述的大口径望远镜指向变化检测与修正方法，其特征在于，所述光源发出的光经过三镜及所述库德系统将所述光源转射至所述机下成像探测器具体为：

所述光源发出的光经过三镜及所述库德系统呈45度角转射至所述机下成像探测器。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的大口径望远镜指向变化检测与修正方法，其特征在于，所述次镜设置在六足调整平台上，通过所述六足调整平台对所述次镜进行调整。