CN115793722B - 一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天文望远镜的精密跟踪控制领域，具体涉及一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法及系统。该方法是首先对太阳望远镜的库德焦面进行二次成像，以获取所需的日面局部像；然后计算出日面局部像的偏移量，即跟踪误差，并解算成望远镜折轴光路中出瞳处反射镜促动器的控制信号；控制系统接收到促动器的控制信号后，实时控制促动器以调节望远镜系统中光学元件的姿态，使库德焦面的图像稳定在给的目标位置。本发明首次采用地平式太阳望远镜库德焦面的跟踪误差对折轴光路中出瞳处的反射镜进行闭环控制，实时调整后端光路，使库德焦面的日面图像长时间保持在指定的位置，提高了地平式太阳望远镜库德焦面对太阳长时间的跟踪精度。

Description

一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法及系统

技术领域

本发明涉及天文望远镜的精密跟踪控制领域，特别涉及一种用于地平式太阳望远镜库德焦面对日面上某一局部面源观测目标进行长时间高精度跟踪的方法和系统，尤其涉及一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法及系统。

背景技术

指向跟踪精度是衡量一台天文望远镜性能的重要指标之一。天文学家执行观测任务时首先要将天文望远镜精准地指向（即对准）待观测的天体并对其进行长时间高度精度的跟踪，以抵消地球自转等因素引起的天体周日视运动，确保天体始终保持在望远镜的视场中心稳定不动。指向误差的RMS值通常要优于10角秒，跟踪误差的RMS值通常要优于1角秒。指向跟踪运动的原理和精度与望远镜具体的光机结构和观测目标的特点息息相关。从望远镜的机架结构来分，天文望远镜主要有赤道式装置结构和地平式装置结构。赤道式望远镜在跟踪天体东升西落的周日视运动时，控制简单，只需要赤经轴匀速转动。而地平式望远镜跟踪复杂，需要方位轴和高度轴同时做非匀速非匀加速的运动才能实现望远镜对天体的精密跟踪，并且，地平式望远镜过天顶时，由于方位轴的运行速度和加速度变得无穷大，因此存在观测盲区；另外，望远镜跟踪过程中存在视场的旋转导致观测的图像是不断消旋的。

但由于地平式望远镜有优越的力学性能，结构紧凑，因此，天文望远镜通常采用地平式结构，尤其是大中型天文望远镜。从望远镜的观测目标来分，有太阳望远镜和夜天文望远镜。太阳望远镜相对夜天文望远镜有一定的差别：

一、太阳望远镜的观测目标太阳是一个巨大的热源，夜天文望远镜的观测目标通常是恒星等；

二、太阳望远镜对焦面科学仪器的稳定性和精度要求更高。

因此，太阳望远镜的光学系统通常比夜天文望远镜的光学系统更加复杂，一般采用格里高利系统，而夜天文望远镜通常采用RC系统。格里高利系统需要通过复杂的延伸光路（即折轴光路）将格里高利焦点（相对于RC的卡焦）延伸到库德房的库德焦点来安装大型的焦面科学仪器。

从格里高利焦点到库德焦点，望远镜光学系统的主光轴通过折轴光路依次穿过望远镜的高度轴、方位轴和消旋轴，并且要求折轴光路的主光轴与望远镜的高度机械轴、方位机械轴和消旋机械轴完全重合。然而，由于望远镜制造和光机装调误差的不可避免，导致四个轴系的旋转中心不可能完成重合，因而，望远镜跟踪太阳的过程中，折轴光路的主光轴会围绕望远镜的高度轴、方位轴和消旋轴做非常复杂的运动，从而导致太阳像在库德焦面上产生一种随时间变化的复杂的平移运动，类似于跟踪误差，通常称为二次跟踪误差，它降低了太阳望远镜在库德焦面的跟踪精度，这是国内外研制大型太阳望远镜必须解决的关键技术问题之一。

而我国目前在大型太阳望远镜研制方面，专用于天文观测的有：云南天文台已建成的一米新真空太阳望远镜（简称NVST）；正在研制中的有云南天文台的两米环形太阳望远镜（简称2MRST），国家天文台的用于中红外太阳磁场测量的一米离轴太阳望远镜（简称AIMS），南京大学的2.5米日夜两用望远镜；计划中的有云南天文台的8米中国巨型太阳望远镜（简称CGST）。这些太阳望远镜都采用地平式跟踪机架，除2MRST外，其光学系统都采用格里高利系统。如何提高这些望远镜在库德焦面对太阳上某一局部观测目标的长时间高精度跟踪是必须解决的一个关键技术问题。

关于这一技术问题，国内外已有一些解决方案：

一是事先通过对跟踪误差的实测，建立库德焦面的跟踪误差模型。其优点是不需要额外硬件系统，成本低，缺点是模型还存在残差，长时间跟踪精度有限，并随仪器状态或望远镜工作环境的变化而模型精度下降，甚至失效，因此要不间断地更新模型，这就会影响望远镜正常观测时间；

二是依靠库德焦面之后的自适应光学系统中的低价相关跟踪进行改正，相关跟踪的主要功能是稳定随机湍流大气造成的图像高频晃动，而不是改正望远镜光轴误差造成长时间的慢变跟踪误差。

因此，虽然它的精度高，但自适应光学系统费用昂贵，并且需要额外增加复杂的光路，系统核心部件摆镜的运动行程相对较小，能校正的误差范围也有限，如果二次跟踪误差大时，目标会跑出视场导致系统失效。针对国内外大型太阳望远镜库德焦面的对太阳的高精度跟踪精度需求，并结合目前相关技术的发展，亟需提出解决这一问题的一种方法和相应的系统。

发明内容

为解决地平式太阳望远镜库德焦面对日面观测目标的长时间高精度跟踪这一难题，为大型地平式太阳望远镜的研制提供技术支撑，本发明提供了一种地平式太阳望远镜库德焦面对日面上观测目标进行长时间跟踪的方法和相应的系统，采用的是一种实时闭环控制技术来解决地平式太阳望远镜库德焦面对日面观测目标的长时间高精度跟踪这一难题。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下的技术方案：

第一方面，在本发明提供的一个实施例中，提供了一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法，该高精度跟踪方法应用于地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统，所述地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统包括望远镜系统、二次成像系统和误差解算与控制系统；

所述高精度跟踪方法包括以下步骤：

通过二次成像系统对太阳望远镜的库德焦面进行二次成像，获得所需的日面局部像；

计算出所述日面局部像的偏移量，并解算生成望远镜折轴光路中瞳面处反射镜促动器的控制信号；

误差解算与控制系统的促动器接收所述控制信号，并实时调节所述望远镜系统中光学元件的姿态进行转动控制，使库德焦面的图像稳定在目标位置。

作为本发明的进一步方案，所述地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法中，所述误差解算与控制系统实时采集日面图像并解算出跟踪误差，转换为促动器的驱动控制信号，所述误差解算与控制系统实时闭环控制所述望远镜系统中光学元件的姿态，基于图像检测到折轴光路调整。

作为本发明的进一步方案，所述望远镜系统中光学元件为望远镜折轴光路中的光学器件，所述光学器件为望远镜折轴光路中的反射镜，反射镜为低频率的实时闭环控制。

第二方面，在本发明提供的一个实施例中，提供了一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统，该系统包括望远镜系统、二次成像系统和误差解算与控制系统；

所述望远镜系统为待实施高精度跟踪控制的太阳望远镜，所述太阳望远镜的光学系统由主光系统和引导光学系统两部分组成，用于对太阳进行高分辨率成像，并通过引导光路将太阳像延伸至库德焦面；

所述二次成像系统由透镜组和相机组成，用于对库德焦面的太阳像进行二次成像，获得所需的日面局部像；

所述误差解算与控制系统由图像采集与图像处理系统和促动器控制系统组成，用于实时采集日面图像并解算出跟踪误差，转换为促动器的驱动控制信号，对望远镜系统中引导光学系统出瞳处的平面反射镜进行转动控制。

作为本发明的进一步方案，所述太阳望远镜的结构为地平式机架，所述太阳望远镜的光学系统为格里高利光学系统，所述格里高利光学系统用于对太阳进行成像，将太阳像成像在格里高利焦点。

作为本发明的进一步方案，所述引导光学系统用于将格里高利焦点处的太阳像成像延伸到库德焦点，所述引导光学系统由多个平面反射镜组成，用于使望远镜的主光轴穿过望远镜的高度机械轴、方位机械轴和消旋机械轴；其中，一个平面反射镜设置在格里高利光学系统的出瞳位置，该反射镜的镜室安装有两个促动器，促动器安装在X方向和Y方向正交位置，用于驱动反射镜的运动。

作为本发明的进一步方案，所述二次成像系统的透镜组用于对太阳进行二次成像，将库德焦面的像再次转换为满足跟踪误差检测所需要的视场和分辨率，其中，所述透镜组分别为场镜、准直镜以及成像镜，所述相机安装在成像镜的焦面上。

作为本发明的进一步方案，所述误差解算与控制系统还用于计算出所述日面局部像的偏移量，将所述偏移量解算成望远镜折轴光路中二维促动器X方向和Y方向的运动量，并发送给促动器控制系统。

作为本发明的进一步方案，所述促动器控制系统还用于在接收到控制指令后向二维促动器X方向和Y方向输出运动信号，驱动促动器进行X方向和Y方向动作，带动望远镜系统中引导光路出瞳面处的反射镜运动，使出瞳之后的光轴运动后将日面局部像调回到目标位置。

作为本发明的进一步方案，所述日面局部像的偏移量通过比例变换和坐标变换，转化成望远镜二次成像系统中出瞳位置反射镜X和Y方向的控制量，其中，所述坐标变化为将相机图像的X方向和Y方向偏移量转化为出瞳镜X方向和Y方向促动器的运动量。

本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

1、本发明提供的一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法及系统，首次采用地平式太阳望远镜库德焦面的跟踪误差对折轴光路中瞳面处的反射镜进行闭环控制，实时调整后端光路，使库德焦面的日面图像长时间保持在指定的位置，提高了地平式太阳望远镜库德焦面对太阳长时间的跟踪精度。

2、本发明提供的一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法及系统，克服了误差模型不稳定会随望远镜工作环境以及光机系统状态变化带来的影响，提高了系统的稳定性和实用性。

3、本发明提供的一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法及系统，首先对太阳望远镜的库德焦面进行二次成像，以获得所需要的日面局部像；然后通过图像相关算法计算出局部像的偏移量，并解算成望远镜折轴光路中瞳面处反射镜促动器的控制信号；促动器接到控制命令，并实时调节反射镜的姿态，从而使库德焦面的图像稳定在指定的位置；能够使得库德焦面的太阳像长时间地稳定在给的位置，实现长时间对太阳高精度的跟踪，达到地平式太阳望远镜库德焦面对日面观测目标长时间高精度跟踪的目的。

本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。在附图中：

图1为本发明的一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统的组成示意图。

图2为本发明的一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法的流程图。

图3为本发明的一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统在一米新真空太阳望远镜上具体实施的结构示意图。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明示例性实施例中的附图，对本发明示例性实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决地平式太阳望远镜库德焦面对日面观测目标的长时间高精度跟踪这一难题，为大型地平式太阳望远镜的研制提供技术支撑，本发明提供了一种地平式太阳望远镜库德焦面对日面上观测目标进行长时间跟踪的方法和相应的系统。

具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。

参见图1和图2所示，本发明的一个实施例提供一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法，采用的是一种实时闭环控制技术来解决地平式太阳望远镜库德焦面对日面观测目标的长时间高精度跟踪这一难题。

本发明的实施例的地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法应用于地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统，所述地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统包括望远镜系统10、二次成像系统20和误差解算与控制系统30。基于该系统，本发明实施例的高精度跟踪方法包括以下步骤S10-步骤S30：

S10、通过二次成像系统20对太阳望远镜的库德焦面进行二次成像，获得所需的日面局部像；

S20、计算出所述日面局部像的偏移量，并解算生成望远镜折轴光路中瞳面处反射镜促动器的控制信号；

S30、误差解算与控制系统30的促动器接收所述控制信号，并实时调节所述望远镜系统10中光学元件的姿态进行转动控制，使库德焦面的图像稳定在目标位置。

本发明的地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法在跟踪时，首先对太阳望远镜的库德焦面进行二次成像，以获得所需要的日面局部像；然后通过图像相关算法计算出局部像的偏移量，并解算成望远镜折轴光路中瞳面处反射镜促动器的控制信号；促动器接到控制命令，并实时调节反射镜的姿态，从而使库德焦面的图像稳定在指定的位置，最后达到地平式太阳望远镜库德焦面对日面观测目标长时间高精度跟踪的目的。

在本发明的实施例中，所述地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法中，所述误差解算与控制系统30实时采集日面图像并解算出跟踪误差，转换为促动器的驱动控制信号，所述误差解算与控制系统30实时闭环控制所述望远镜系统10中光学元件的姿态，基于图像检测到折轴光路调整。

本发明与“建立库德焦面的跟踪误差模型”相比较而言：本发明的高精度跟踪方法是一种实时闭环控制，基于图像检测到折轴光路调整的闭环；而“建立库德焦面的跟踪误差模型”这一方案是非实时的，模型的改正量是针对望远镜的方位轴和高度轴而建立的。其中，“建立库德焦面的跟踪误差模型”为：事先通过对跟踪误差的实测，建立库德焦面的跟踪误差模型。其优点是不需要额外硬件系统，成本低，缺点是模型还存在残差，长时间跟踪精度有限，并随仪器状态或望远镜工作环境的变化而模型精度下降，甚至失效，因此要不间断地更新模型，这就会影响望远镜正常观测时间。

在本发明的实施例中，所述望远镜系统10中光学元件为望远镜折轴光路中的光学器件，所述光学器件为望远镜折轴光路中的反射镜，反射镜为低频率的实时闭环控制。

本发明与“相关跟踪”相比较而言：本发明的高精度跟踪方法是一种低频率的实时闭环控制，针对缓慢变化的二次跟踪误差，对促动器的要求低，被控制的光学元件是望远镜折轴光路中的光学器件。其中，“相关跟踪”是一种高频率的实时闭环控制，针对快速变化的大气，对促动器的要求非常高，控制的光学元件一般是额外附加的光学系统，所以两者的光路也是完全不同的。

因此，本发明实施例的地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法，通过首次采用地平式太阳望远镜库德焦面的跟踪误差对折轴光路中瞳面处的反射镜进行闭环控制，实时调整后端光路，使库德焦面的日面图像长时间保持在指定的。

参见图1和图3所示，本发明的一个实施例该还提供了一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统，该系统包括望远镜系统10、二次成像系统20和误差解算与控制系统30。

所述望远镜系统10为待实施高精度跟踪控制的太阳望远镜，所述太阳望远镜的结构为地平式机架，所述太阳望远镜的光学系统为格里高利光学系统，所述格里高利光学系统用于对太阳进行成像，将太阳像成像在格里高利焦点；所述太阳望远镜的光学系统由主光系统101和引导光学系统102两部分组成，用于对太阳进行高分辨率成像，并通过引导光路将太阳像延伸至库德焦面。

所述二次成像系统20由透镜组201和相机202组成，用于对库德焦面的太阳像进行二次成像，获得所需的日面局部像，满足跟踪精度所需要的视场、分辨率等指标要求。

所述误差解算与控制系统30由图像采集与图像处理系统301和促动器控制系统302组成，用于实时采集日面图像并解算出跟踪误差，转换为促动器的驱动控制信号，对望远镜系统10中引导光学系统102出瞳处的平面反射镜进行转动控制。

本发明实施例中，所述引导光学系统102用于将格里高利焦点处的太阳像成像延伸到库德焦点，所述引导光学系统102由多个平面反射镜组成，用于使望远镜的主光轴穿过望远镜的高度机械轴、方位机械轴和消旋机械轴；其中，一个平面反射镜设置在格里高利光学系统的出瞳位置，该反射镜的镜室安装有两个促动器，促动器安装在X方向和Y方向正交位置，用于驱动反射镜的运动。

所述二次成像系统20的透镜组201用于对太阳进行二次成像，将库德焦面的像再次转换为满足跟踪误差检测所需要的视场和分辨率，其中，所述透镜组201分别为场镜、准直镜以及成像镜，所述相机202安装在成像镜的焦面上。

所述误差解算与控制系统30还用于计算出所述日面局部像的偏移量，将所述偏移量解算成望远镜折轴光路中二维促动器X方向和Y方向的运动量，并发送给促动器控制系统302。

所述促动器控制系统302还用于在接收到控制指令后向二维促动器X方向和Y方向输出运动信号，驱动促动器进行X方向和Y方向动作，带动望远镜系统10中引导光路出瞳面处的反射镜运动，使出瞳之后的光轴运动后将日面局部像调回到目标位置。

所述日面局部像的偏移量通过比例变换和坐标变换，转化成望远镜二次成像系统20中出瞳位置反射镜X和Y方向的控制量，其中，所述坐标变化为将相机202图像的X方向和Y方向偏移量转化为出瞳镜X方向和Y方向促动器的运动量。

本发明实施例中，所述地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统的工作原理为：

在太阳望远镜工作过程中，二次成像系统20将太阳像成在库德焦面处。但由于望远镜光机制造和装调误差等因素的存在，在望远镜跟踪和消旋过程中，库德焦面的太阳会慢慢的移动，这就是跟踪误差。库德焦面处的太阳像再经过二次成像系统20，按照相机202靶面的尺寸，在满足工作视场和分辨率要求的情况下，将太阳像再次成像在相机202的靶面上。

图像采集系统时计算机实时读取相机202中的太阳像，并通过图像相关算法，算出太阳像的移动量，然后将所述移动量解算成望远镜折轴光路中二维促动器X方向和Y方向的运动量，并发送给促动器控制系统302。促动器控制系统302收到控制命令后，向二维促动器的X方向和Y方向输出运动信号，从而使促动器的X方向和Y方向动作，随后带动望远镜系统10中引导光路出瞳面处的反射镜运动，将出瞳之后的光轴运动后将日面像调回到指定的位置，这就完成了库德焦面的一次图像闭环控制，这样周而复始的循环工作下去，就实现了库德焦面对太阳的高精度跟踪。其闭环控制周期，一般在秒量级，具体可以取决于望远镜光机系统的装调精度和望远镜对跟踪精度的需求。

参见图1所示，图1为本发明所述的一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统示意图，包括三个部分：依次为待控制的大型地平式太阳望远镜的望远镜系统10、库德焦面的二次成像系统20和误差解算与控制系统30。

参见图1所示，所述望远镜系统10指的是待实施高精度跟踪控制的太阳望远镜，采用的结构是地平式机架，所采用的光学系统是格里高利光学系统，可以是对称的格里高利系统，也可以是离轴的格里高利光学系统。

在本实施例中，格里高利光学系统有多个焦点，望远镜的终端科学仪器可以安放在库德焦点，本发明主要是针对库德焦点跟踪误差的改正方法和装置。望远镜系统10中依次由主光学系统和引导光学系统102组成。主光学系统是格里高利光学系统，对太阳进行成像，主光学系统的主副镜系统是主成像系统，将太阳像成像在格里高利焦点。引导光学系统102是将格里高利焦点处的像延伸到库德焦点。引导光学系统102主要由多个平面反射镜组成，这些反射镜使望远镜的主光轴穿过望远镜的高度机械轴、方位机械轴和消旋机械轴。其中，有一个反射镜在格里高利系统的出瞳位置，该反射镜的镜室安装有两个促动器，促动器安装在X方向和Y方向正交位置，用于驱动反射镜的运动。通过控制该反射镜的姿态，就调整了该反射镜之后的光轴方向，也就调整了像在库德焦面的位置。

其中，促动器有两个关键指标，一是行程，二是分辨率。行程要满足望远镜库德焦面跟踪误差范围，分辨率要满足跟踪精度的要求，一般要高于跟踪精度五倍。促动器配合其控制器要能提供促动器的零点和实时位置，能开机提供促动器的实时位置，能驱动促动器到指定的位置。

参见图1所示，库德焦面的二次成像系统20是对库德焦面的太阳像进行二次成像，并满足跟踪精度所需要的视场、分辨率等指标要求。库德焦面的二次成像系统20依次由透镜组201和相机202组成。透镜组201对太阳进行二次成像的目的是将库德焦面的像再次转换为满足跟踪误差检测所需要的视场和分辨率。透镜组201分别是场镜、准直镜、成像镜，成像的质量需要满足像质要求，要对日面进行清晰成像，配合前端的望远镜和后端的相机202，要能获取到日面黑子、米粒组织等清晰的观测目标。相机202是采集日面局部像，它安放在透镜组201系统的焦面上，用来采集日面的图像，相机202安装在成像镜的焦面上。

相机202配合前端的二次成像系统20，除了满足成像之外，还要满足视场和分辨率两个指标。视场为三角分左右，为获取日面上有一定结构大小的观测目标。分辨率要满足跟踪精度要求，通常也要高于跟踪精度的五倍，与促动器的分辨率相当。相机202为科学级相机或工业级相机，要有较高的信噪比。相机202出来的图像传输到后面的控制计算机，计算机为一般的工控机，相机202与计算机之间的连接线采用相机202厂家提供的专用电缆或指定的电缆。

参见图1所示，误差解算与控制系统30实时采集日面图像并解算出跟踪误差量，然后转换为促动器的驱动控制信号，对望远镜系统10中引导光学系统102瞳面处的平面反射镜进行转动控制。误差解算与控制系统30依次由图像采集与图像处理系统301和促动器控制系统302组成。图像采集与图像处理系统301中的图像采集计算机中运行的是算法，

在一些实施例中，算法包括图像的采集和处理。采集是将日面图像一帧一帧地从相机202里读出来，为了保持图像的连续性和可监测性，图像采集速度要大于10帧/秒。获得图像之后，就需要计算图像相对于某一时刻的图像移动量，对于日面图像，需要采用图像相关算法。图像相关算法要求图像具有一定的结构，对于日面图像，这种结构是太阳黑子或者日面的米粒结构。

在一些实施例中，图像相关算法求解跟踪误差的具体过程是：选定一帧参考图像，它通常是系统刚开始工作时刻的那帧图像，之后的每采集一帧图像，都能算出这帧图像相对于起始那帧图像偏移量。偏移量再通过比例变换和坐标变换，转化成望远镜二次成像系统20中出瞳位置反射镜X和Y方向的控制量。比例变换是将图像相关算法得到的偏移量，其单位是多少个像素，如果促动器是数字信号驱动的，则变换为促动器的步进距，即走几步，如果促动器是模拟信号驱动的，则变换为促动器的控制电压多少伏。

其中，坐标变化是将相机202图像的X方向和Y方向偏移量转化为出瞳镜X方向和Y方向促动器的运动量，这个量是一个平面坐标的旋转变换，旋转角是地平式望远镜方位角和地平式望远镜像场旋角二者之和的函数，另外还有一个固定的零偏移角，这个取决于系统的结构，主要是相机202的安装方向和瞳面反射镜处促动器的安装方向。促动器控制系统302负责接收来自图像采集与图像处理系统301中的控制命令，获得促动器X方向和Y方向促动器的控制命令以后，向促动器发出控制信号，并检查促动器是否运动到指定的位置。

其中，促动器控制器由促动器厂家提供。促动器控制器与计算机之间电缆由促动器厂家提供专用的标配电缆。

参见图3所示，图3为本发明的一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统在我国一米新真空太阳望远镜(NVST)上的具体实现例。

该地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统中，望远镜系统10为NVST太阳望远镜系统，依次由主光学系统和引导光学系统102组成。NVST主光学系统是格里高利光学系统，对太阳进行成像。参见图3所示，主光学系统由抛物面反射镜M1和椭球面反射镜M2组成，F1是格里高利焦点，F2是中间焦点。引导光学系统102是将格里高利焦点F1处的像延伸到库德焦点。NVST的引导光学系统102分别由椭球面反射镜M3，平面反射镜M4、M5、M6、M7组成。其中，平面反射镜M3、M4、M5的主光轴与望远镜的高度机械旋转轴重合，平面反射镜M7出射光的主光轴与望远镜方位机械旋转轴重合。平面反射镜M5是望远镜系统10的出瞳，在平面反射镜M5的镜室上安装有两个正交的(X方向和Y方向)促动器，促动器的运动可以调整平面反射镜M5的姿态，从而可以调整平面反射镜M5出射光的光轴，就改变了太阳像在库德焦面F3上的位置。

本发明在NVST上的具体实现时可以采用NEWPORT公司的型号为8831的促动器，促动器的控制信号根据库德焦面的跟踪误差产生，从而实现太阳望远镜库德焦面高精度跟踪。

库德焦面的二次成像系统20依次由透镜组201和相机202组成。透镜组201是将库德焦面F3的像再次转换为满足跟踪误差检测所需要的视场和分辨率。透镜组201分别由透镜组1、透镜组2、透镜组3组成，其中，透镜组1为场镜，控制二次成像系统20的视场。透镜组2为准直镜，是将库德焦面F3出来的太阳光束进行准直，变成平行光。透镜组3是将平行光变成汇聚光，获得满足要求的二次太阳成像。相机202是采集日面局部像，安放在透镜组201系统的焦面上。该相机202需要科学级的相机，有较高的信噪比，以获得质量好的日面局部像。相机202通过图像传输线5把图像传输到计算机6，图像传输线5由相机202采购时厂家配套提供专用的数据传输线。

其中，本发明在NVST上的具体实现时，采用了安道尔公司的ZYLA4.2 sCMOS相机202，传输线由厂家提供专用的USB3.0传输线。在NVST中，设计的视场是3角分×3角分，分辨率是0.05角秒/像素。

在本实施例中，误差解算与控制系统30依次由图像采集与图像处理系统301和促动器控制系统302组成。图像采集与图像处理系统301中的主要设备是计算机6和连接相机202图像传输线5，以及连接促动器控制器的信号传输线7。信号传输线7根据促动器控制器的型号而定，本发明在NVST上的具体实现时，采用了网线。促动器控制系统302主要是促动器控制器，与促动器配套，由厂商提供，本发明在NVST上的具体实现时，采用了NEWPORT 公司与8831促动器配套的控制器，它提高两个通道的控制器，通过配套的第一数据线9和第二数据线11，分别向X方向促动器12和Y方向促动器13提供控制信号。

NVST在跟踪太阳的过程中的工作原理是：由于光机系统制造和安装误差的存在，望远镜光轴与望远镜的高度机械旋转轴、方位机械旋转轴、消旋机械旋转轴不一致，导致库德焦面的像随时间的变化而慢慢偏离视场中心。本发明通过透镜组201将库德焦面的太阳像进行二次成像，通过相机202获取太阳的图像，并通过相机202图像传输线5把图像传输给图像采集与图像处理系统301，图像采集与图像处理系统301中的计算机6执行采集图像并进行处理，目标是把太阳像的相对于视场中心的移动量转换为促动器的控制信号。

处理过程和方法具体为：

第一步，首先采集一帧图像作为系统起始工作时刻的参考图像，接着开始采集第二帧图像，通过图像相关算法，解算出第二帧图像相对于第一帧图像的偏移量，并把偏移量用相机202靶面上的两个方向：CCD的X轴方向和CCD的Y轴方向的两个分量来表示，单位为相机202的像素。

第二步，计算出相机202靶面图像与望远镜系统10中引导光路出瞳处的平面反射镜M5两个促动器之间的角度旋转关系，通过坐标旋转变化，将图像偏移量用平面反射镜M5上两个正交促动器X方向和Y方向来表示。根据比例关系，将图像的偏移量转换为X方向和Y方向两个促动器的移动距离。

第三步，通过命令信号传输线7将这个距离发送给促动器控制系统302中的促动器控制器8，随后促动器控制器8向促动器X和Y发出控制命令，促动器X和Y动作，带动平面反射镜M5旋转，从而调整平面反射镜M5、M6和M7的主光轴，使库德焦面的太阳像回到与第一幅图相同的位置，这一次闭环控制的时间在1秒量级。

接下来就是采集第三帧图像，再次解算误差和对光轴进行闭环，紧接着采集第四帧、第五帧、第六帧……，这样周而复始的进行下去，就使得图像始终保持。在第一帧图像的位置，库德焦面的太阳像不再随时间变化而跑出视场，从而提高了太阳望远镜库德焦面高精度跟踪。

最后，将数据写入模块的用电数据消息写入与进程池中分析操作分开，减少磁盘带来的时间消耗，采用将分析后的数据组合成一条并写入数据库，大大减少了写数据库的次数，降低了数据库的负担。

本发明提供的一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法及系统，克服了误差模型不稳定会随望远镜工作环境以及光机系统状态变化带来的影响，提高了系统的稳定性和实用性；能够使得库德焦面的太阳像长时间地稳定在给的位置，实现长时间对太阳高精度的跟踪，达到地平式太阳望远镜库德焦面对日面观测目标长时间高精度跟踪的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法，其特征在于，该高精度跟踪方法应用于地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统，所述地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统包括望远镜系统、二次成像系统和误差解算与控制系统；

所述高精度跟踪方法包括以下步骤：

通过二次成像系统对太阳望远镜的库德焦面进行二次成像，获得所需的日面局部像；

计算出所述日面局部像的偏移量，即跟踪误差，并解算生成望远镜折轴光路中瞳面处反射镜促动器的控制信号；

误差解算与控制系统的促动器接收所述控制信号，并实时调节所述望远镜系统中光学元件的姿态进行转动控制，使库德焦面的图像稳定在指定位置。

2.如权利要求1所述的地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法，其特征在于，所述地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法中，所述误差解算与控制系统实时采集日面图像并解算出跟踪误差，转换为促动器的驱动控制信号，所述误差解算与控制系统实时闭环控制所述望远镜系统中光学元件的姿态，基于图像检测到折轴光路调整。

3.如权利要求2所述的地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪方法，其特征在于，所述望远镜系统中光学元件为望远镜折轴光路中的光学器件，所述光学器件为望远镜折轴光路中的反射镜，反射镜为低频率的实时闭环控制。

4.一种地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统，其特征在于，该系统包括望远镜系统、二次成像系统和误差解算与控制系统；

所述望远镜系统为待实施高精度跟踪控制的太阳望远镜，所述太阳望远镜的光学系统由主光系统和引导光学系统两部分组成，用于对太阳进行高分辨率成像，并通过引导光路将太阳像延伸至库德焦面；

所述二次成像系统由透镜组和相机组成，用于对库德焦面的太阳像进行二次成像，获得所需的日面局部像；

所述误差解算与控制系统由图像采集与图像处理系统和促动器控制系统组成，用于实时采集日面图像并解算出跟踪误差，转换为促动器的驱动控制信号，对望远镜系统中引导光学系统出瞳处的平面反射镜进行转动控制。

5.如权利要求4所述的地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统，其特征在于，所述太阳望远镜的结构为地平式机架，所述太阳望远镜的光学系统为格里高利光学系统，所述格里高利光学系统用于对太阳进行成像，将太阳像成像在格里高利焦点。

6.如权利要求5所述的地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统，其特征在于，所述引导光学系统用于将格里高利焦点处的太阳像成像延伸到库德焦点，所述引导光学系统由多个平面反射镜组成，用于使望远镜的主光轴穿过望远镜的高度机械轴、方位机械轴和消旋机械轴；

其中，一个平面反射镜设置在格里高利光学系统的出瞳位置，该反射镜的镜室安装有两个促动器，促动器安装在X方向和Y方向正交位置，用于驱动反射镜的运动。

7.如权利要求4所述的地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统，其特征在于，所述二次成像系统的透镜组用于对太阳进行二次成像，将库德焦面的像再次转换为满足跟踪误差检测所需要的视场和分辨率；

其中，所述透镜组分别为场镜、准直镜以及成像镜，所述相机安装在成像镜的焦面上。

8.如权利要求6所述的地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统，其特征在于，所述误差解算与控制系统还用于计算出日面局部像的偏移量，将所述偏移量解算成望远镜折轴光路中二维促动器X方向和Y方向的运动量，并发送给促动器控制系统。

9.如权利要求8所述的地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统，其特征在于，所述促动器控制系统还用于在接收到控制指令后向二维促动器X方向和Y方向输出运动信号，驱动促动器进行X方向和Y方向动作，带动望远镜系统中引导光路出瞳面处的反射镜运动，使出瞳之后的光轴运动后将日面局部像调回到目标位置。

10.如权利要求9所述的地平式太阳望远镜库德焦面的高精度跟踪系统，其特征在于，所述日面局部像的偏移量通过比例变换和坐标变换，转化成望远镜二次成像系统中出瞳位置反射镜X和Y方向的控制量，其中，所述坐标变化为将相机图像的X方向和Y方向偏移量转化为出瞳镜X方向和Y方向促动器的运动量。

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