一米红外太阳塔光轴校正与光电导行的集成研究

为获取高时间高空间分辨率的太阳磁场观测资料，太阳塔光电导行系统必须对太阳进行长时间高精度的稳定跟踪，同时为了确保观测目标始终处于光谱仪狭缝正中央，需要将主光路系统的主光轴和导行光轴实时校正为平行状态。本项目采用面阵CMOS检测太阳像的偏移量并消除像场旋转量，采取合适的反馈控制算法为电控系统提供误差补偿信号以实现高精度的跟踪指标；同时利用CMOS的大面阵优势，通过二维PSD检测激光光斑的质心坐标以得到两光轴的不平行度，并建立PSD与CMOS的坐标对应关系，通过校正CMOS的坐标系零点来达到实时校正两光轴平行的目的。. 本项目的研究，对于掌握面阵CMOS对面天体位置移动的高精度检测技术、软件消旋算法以及PSD对激光光斑的质心检测技术，推进太阳塔的研制等方面具有重要的意义。同时，通过软硬件系统的开发及系统集成的开发经验，为未来研制的大型望远镜提供技术积累。

一米红外太阳塔（新真空太阳望远镜）是目前我国非常重要的太阳观测设备，也是目前国内唯一的地平式机架结构的真空望远镜，主要用于太阳活动区磁场和流场的精细光谱观测和高时空分辨率小尺度磁结构的研究，由此对一米红外太阳塔伺服控制系统的开环跟踪和闭环跟踪提出了较高的跟踪指标。本项目致力于实现一米红外太阳塔对观测目标的长时间高精度的稳定跟踪要求，以及确保望远镜主光轴和导行镜光轴实时校正为平行状态，以获取高时空和高偏振度的太阳磁场观测资料为最终目标。项目采用面阵图像传感器来检测太阳像在每个闭环控制周期内的图像偏移量，并消除视场旋转和光轴变化的影响，运用高精度的控制算法使系统稳定运行等技术手段，最终开发出一套光机电设计和软硬件系统均能满足跟踪指标的集成系统。本项目的主要内容、重要结果和科学意义如下：1）研究了太阳像在面阵探测器上的高精度位置检测算法，并采用质心算法、中心算法和相关算法进行测试，研究表明基于图像二值化的质心算法在观测条件和适用条件上满足系统要求，进而推导了太阳像在探测器上的旋转变化规律，并结合检测量、旋转量和误差量的耦合关系，采用软件消旋算法获取了准确的视场旋转量；2）针对太阳塔主光轴与导行镜光轴在跟踪过程中的相对变化对光电导行的影响，我们从望远镜的光机电系统结构出发，提出了望远镜主光轴相对于导行镜光轴变化的检测方法。实测结果表明，光轴的相对变化仅与望远镜指向的高度角有关，与望远镜指向的方位角无关，即结构重力变形是引起光轴变化的主要因素。因此，我们在光电导行系统中引入光轴变化的软件改正模型来改善光轴变化引起的闭环跟踪误差；3）扩展性的分析了大气湍流对天文望远镜导行系统的精度影响。结果表明：使用单点源目标作为导行对象时，导行精度受限于大气相干长度和相干时间，而当多点源或面源作为导行对象时，跟踪精度与大气湍流随高度的变化有关。适当增加探测器的曝光时间，虽能有效降低大气湍流对跟踪精度的影响，但会降低系统的反馈控制频率；将多星或面天体作为导行信标时，可在一定程度上降低高层大气湍流带来的导行误差，因此可适度减小探测器的曝光时间以提高系统的反馈频率。本项目的研究，掌握了面阵探测器对太阳等面源目标的定标技术和软件消旋算法，推进了太阳塔的成功运行，而且通过光电导行和光轴校正的集成经验，为我国正在预研的中大型太阳望远镜研制提供了技术积累。