一種風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差功率譜測(cè)量?jī)x制造技術(shù)

一種風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差功率譜測(cè)量?jī)x，包括風(fēng)載測(cè)量單元、波前傾斜測(cè)量單元、時(shí)間同步單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)分析單元，其特征在于：在時(shí)間同步單元的控制下，數(shù)據(jù)采集單元同步采集風(fēng)載測(cè)量單元探測(cè)得到的風(fēng)載和波前傾斜測(cè)量單元探測(cè)得到的波前傾斜抖動(dòng)，數(shù)據(jù)分析單元利用AR模型根據(jù)測(cè)量得到的波前傾斜抖動(dòng)的功率譜擬合出大氣湍流擾動(dòng)的整體傾斜誤差的功率譜，與波前傾斜抖動(dòng)的功率譜差分后得到風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的功率譜。本發(fā)明專利技術(shù)可以實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的功率譜，為望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)和改良提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差功率譜測(cè)量?jī)x
本專利技術(shù)涉及一種測(cè)量風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差功率譜的儀器，屬于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡

技術(shù)介紹
天文望遠(yuǎn)鏡是觀測(cè)天體的重要手段，天文望遠(yuǎn)鏡的誕生和發(fā)展促進(jìn)了現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)展。目前，隨著天文望遠(yuǎn)鏡各方面性能的改進(jìn)和提高，天文學(xué)也正經(jīng)歷著巨大的飛躍，迅速推進(jìn)著人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，從而幫助人類對(duì)自身和社會(huì)的認(rèn)識(shí)。由于卡塞格林系統(tǒng)可以有效的減小望遠(yuǎn)鏡本身的像差，因此廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有的大口徑天文望遠(yuǎn)鏡中。卡塞格林系統(tǒng)采用了主鏡和次鏡相結(jié)合的方式，在施加風(fēng)載條件下，望遠(yuǎn)鏡的桁架系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而引入波前整體傾斜誤差。圖2為典型的水平式望遠(yuǎn)鏡。由于桁架系統(tǒng)剛性最小，桁架變形位移引起次鏡的抖動(dòng)時(shí)風(fēng)載致望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的主要來(lái)源。在觀測(cè)恒星時(shí)，波前傾斜誤差會(huì)造成成像系統(tǒng)處的天體目標(biāo)圖像大范圍地隨機(jī)抖動(dòng)，導(dǎo)致成像模糊。波前傾斜誤差通常采用波前傾斜校正系統(tǒng)來(lái)校正，為了達(dá)到最佳效果，在設(shè)計(jì)波前傾斜校正系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮大氣湍流引起的波前整體傾斜誤差功率譜和望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差功率譜等。望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差主要是由風(fēng)載引起的，因此需要研究一種測(cè)量風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差功率譜的儀器，目前尚沒(méi)有此儀器。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差功率譜測(cè)量?jī)x，可以實(shí)時(shí)測(cè)量不同風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的功率譜。本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案是：一種風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差功率譜測(cè)量?jī)x，包括風(fēng)載測(cè)量單元、波前傾斜測(cè)量單元、時(shí)間同步單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)分析單元，其特征在于：在有風(fēng)載的條件下，首先將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)恒星，在時(shí)間同步單元的控制下，數(shù)據(jù)采集單元同步采集風(fēng)載測(cè)量單元探測(cè)得到的風(fēng)載和波前傾斜測(cè)量單元探測(cè)得到的波前傾斜抖動(dòng)，波前傾斜抖動(dòng)的功率譜中包含有大氣湍流引起的波前整體傾斜誤差的功率譜和風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的功率譜，需要利用二階AR模型根據(jù)測(cè)量得到的波前傾斜抖動(dòng)的功率譜擬合出大氣湍流擾動(dòng)的整體傾斜誤差的功率譜，與波前傾斜抖動(dòng)的功率譜差分后得到風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的功率譜，同時(shí)風(fēng)載的數(shù)據(jù)可以由風(fēng)載測(cè)量單元得到。所述的AR模型是將望遠(yuǎn)鏡桁架次鏡系統(tǒng)可以等效為一端約束一端自由情況下的細(xì)長(zhǎng)梁，針對(duì)動(dòng)態(tài)風(fēng)載，等效細(xì)長(zhǎng)梁的自由振動(dòng)主要發(fā)生在共振頻率段，在頻域內(nèi)表現(xiàn)為二階窄帶擾動(dòng)；大氣湍流在某個(gè)時(shí)間尺度內(nèi)下一狀態(tài)的湍流擾動(dòng)與上一狀態(tài)的湍流擾動(dòng)相關(guān)，而基于在長(zhǎng)時(shí)間跨度內(nèi)湍流作用的時(shí)間相關(guān)性很弱，所以大氣湍流對(duì)波前整體傾斜的擾動(dòng)也可以看作是二階擾動(dòng)，因此可以采用基于二階AR模型根據(jù)測(cè)量得到的波前傾斜抖動(dòng)的功率譜擬合湍流擾動(dòng)信號(hào)的功率譜，最后與波前傾斜抖動(dòng)的功率譜差分后得到風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的功率譜。本專利技術(shù)的原理是：風(fēng)載測(cè)量單元可以實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)載的速度的方向，波前傾斜測(cè)量單元可以在時(shí)間同步單元的控制下同步采集混合有大氣湍流引起的波前整體傾斜誤差和風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的波前傾斜擾動(dòng)，由于在風(fēng)載的作用下，望遠(yuǎn)鏡桁架次鏡系統(tǒng)的震動(dòng)在頻域內(nèi)表現(xiàn)為二階窄帶擾動(dòng)，而大氣湍流對(duì)波前整體傾斜的擾動(dòng)也可以看作是二階擾動(dòng)，因此可以采用基于二階AR模型根據(jù)測(cè)量得到的波前傾斜抖動(dòng)的功率譜擬合出大氣湍流擾動(dòng)的整體傾斜誤差的功率譜，然后與波前傾斜抖動(dòng)的功率譜差分后得到風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的功率譜。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）本專利技術(shù)使用時(shí)間同步單元控制風(fēng)載測(cè)量單元和波前傾斜測(cè)量單元同步采集數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差功率譜；（2）本專利技術(shù)采用基于二階AR模型根據(jù)測(cè)量得到的波前傾斜抖動(dòng)的功率譜擬合湍流擾動(dòng)信號(hào)的功率譜，從而實(shí)現(xiàn)分離測(cè)量得到的波前傾斜抖動(dòng)的功率譜中大氣湍流擾動(dòng)的整體傾斜誤差的功率譜和風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的功率譜。附圖說(shuō)明圖1為風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差功率譜測(cè)量?jī)x標(biāo)定階段示意圖；圖2為水平式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)圖；圖3為本專利技術(shù)中二階AR模型實(shí)現(xiàn)流程圖；圖4為風(fēng)載測(cè)量單元測(cè)量得到風(fēng)速和風(fēng)向；圖5為波前傾斜測(cè)量單元測(cè)量得到的波前傾斜抖動(dòng)；圖6為數(shù)據(jù)分析單元利用二階AR模型擬合得到的大氣湍流擾動(dòng)的整體傾斜誤差的功率譜；圖7為數(shù)據(jù)分析單元得到的風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的功率譜。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式詳細(xì)介紹本專利技術(shù)。如圖1所示，本專利技術(shù)實(shí)施例由風(fēng)載測(cè)量單元1、波前傾斜測(cè)量單元2、時(shí)間同步單元3、數(shù)據(jù)采集單元4和數(shù)據(jù)分析單元5構(gòu)成。在具體實(shí)施中，采用風(fēng)向風(fēng)速儀作為風(fēng)載測(cè)量單元1、采用傾斜跟蹤傳感器作為波前傾斜測(cè)量單元2。采用同步觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器作為時(shí)間同步單元3，數(shù)據(jù)采集單元4和數(shù)據(jù)分析單元均使用計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的軟件完成。本專利技術(shù)實(shí)施例以測(cè)量當(dāng)風(fēng)載與望遠(yuǎn)鏡水平角反向時(shí)，風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的功率譜為例，此時(shí)望遠(yuǎn)鏡俯仰面（X軸）承受風(fēng)壓較大，理論上X軸波前斜率較Y軸波前斜率受風(fēng)載影響更大，抖動(dòng)更強(qiáng)烈。具體工作過(guò)程如下：（1）測(cè)量環(huán)境風(fēng)載，確定風(fēng)向?yàn)槠?87.05°。（2）根據(jù)風(fēng)向確定望遠(yuǎn)鏡的指向應(yīng)該為偏北7.05°，將望遠(yuǎn)鏡指向偏北7.05°，并在偏北7.05°上尋找一顆恒星作為目標(biāo)星。（3）同步觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，傾斜跟蹤傳感器和風(fēng)向風(fēng)速儀在觸發(fā)信號(hào)的作用下同步采集風(fēng)載（如圖4所示）和波前傾斜誤差（如圖5所示）。由圖4可得，測(cè)量時(shí)的風(fēng)載為：風(fēng)向?yàn)槠?87.05°，水平風(fēng)速為2.06m/s，垂直風(fēng)速為0.09m/s；由圖5可得X軸方向（水平風(fēng)速方向）的波前傾斜誤差的PV值達(dá)到了2″，大于Y軸方向（垂直風(fēng)速方向）的波前傾斜誤差的PV值1.3″。（4）計(jì)算機(jī)對(duì)計(jì)算波前傾斜誤差的功率譜，并利用基于二階AR模型擬合得到的大氣湍流擾動(dòng)的整體傾斜誤差的功率譜，如圖6所示：點(diǎn)線為擬合得到的大氣湍流擾動(dòng)的整體傾斜誤差的功率譜，實(shí)線為傾斜跟蹤傳感器測(cè)量得到的波前傾斜誤差的功率譜。具體計(jì)算過(guò)程為：二階AR模型的輸出信號(hào)功率譜Sx(ω)為：式中：σ2為輸入噪聲方差。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)Burg算法來(lái)估計(jì)基于AR模型中的模型系數(shù)(a1,a2)和輸入噪聲方差σ2，從而擬合出大氣湍流引起的波前整體傾斜誤差的功率譜，具體實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示：（S1）準(zhǔn)備初始條件：p=0初始階次為00階前向誤差預(yù)測(cè)f0(n)和后向預(yù)測(cè)誤差b0(n)為：f0(n)＝b0(n)＝x(n)0階噪聲方差（S2）設(shè)一階反射系數(shù)為h1，將一階反射系數(shù)h1及0階前向預(yù)測(cè)誤差f0(n)和0階后向預(yù)測(cè)誤差b0(n)代入第二階前后向預(yù)測(cè)誤差公式得到一階前向預(yù)測(cè)誤差f1(n)和一階后向預(yù)測(cè)誤差b1(n)：f1(n)＝f0(n)+h1b0(n-1)b1(n)＝b0(n)+h1f0(n-1)（S3）將一階前向預(yù)測(cè)誤差f1(n)和一階后向預(yù)測(cè)誤差b1(n)代入總均方誤差之和Pfb公式：令得到一階反射系數(shù)h1（S4）一階反射系數(shù)h1預(yù)測(cè)值為：（S5）將一階反射系數(shù)預(yù)測(cè)值代入模型系數(shù)遞推公式得到一階模型系數(shù)a1(1)為：（S6）將一階反射系數(shù)預(yù)測(cè)值代入噪聲方差遞推公式，得到一階模型噪聲方差為：（S7）設(shè)二階反射系數(shù)h2，將二階反射系數(shù)h2及一階前向預(yù)測(cè)誤差f1(n)和一階后向預(yù)測(cè)誤差b1(n)代入二階前后向預(yù)測(cè)誤差公式，得到二階前向預(yù)測(cè)誤差f2(n)和二階后向預(yù)測(cè)誤差b2(n)為：f2(n)＝f1(n)+h2b1(n-本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差功率譜測(cè)量?jī)x，其特征在于包括：風(fēng)載測(cè)量單元(1)、波前傾斜測(cè)量單元(2)、時(shí)間同步單元(3)、數(shù)據(jù)采集單元(4)和數(shù)據(jù)分析單元(5)；在有風(fēng)載的條件下，首先將望遠(yuǎn)鏡(6)對(duì)準(zhǔn)恒星，在時(shí)間同步單元(3)的控制下，數(shù)據(jù)采集單元(4)同步采集風(fēng)載測(cè)量單元(1)探測(cè)得到的風(fēng)載和波前傾斜測(cè)量單元(2)探測(cè)得到的波前傾斜抖動(dòng)，波前傾斜抖動(dòng)的功率譜中包含有大氣湍流引起的波前整體傾斜誤差的功率譜和風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的功率譜，利用基于二階AR模型根據(jù)測(cè)量得到的波前傾斜抖動(dòng)的功率譜擬合出大氣湍流擾動(dòng)的整體傾斜誤差的功率譜，與波前傾斜抖動(dòng)的功率譜差分后得到風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的功率譜。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差功率譜測(cè)量?jī)x，其特征在于包括：風(fēng)載測(cè)量單元(1)、波前傾斜測(cè)量單元(2)、時(shí)間同步單元(3)、數(shù)據(jù)采集單元(4)和數(shù)據(jù)分析單元(5)；在有風(fēng)載的條件下，首先將望遠(yuǎn)鏡(6)對(duì)準(zhǔn)恒星，在時(shí)間同步單元(3)的控制下，數(shù)據(jù)采集單元(4)同步采集風(fēng)載測(cè)量單元(1)探測(cè)得到的風(fēng)載和波前傾斜測(cè)量單元(2)探測(cè)得到的波前傾斜抖動(dòng)，波前傾斜抖動(dòng)的功率譜中包含有大氣湍流引起的波前整體傾斜誤差的功率譜和風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的功率譜，利用基于二階AR模型根據(jù)測(cè)量得到的波前傾斜抖動(dòng)的功率譜擬合出大氣湍流擾動(dòng)的整體傾斜誤差的功率譜，與波前傾斜抖動(dòng)的功率譜差分后得到風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的功率譜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)載引起的望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差功率譜測(cè)量?jī)x，其特征在于：所述利用基于二階AR模型根據(jù)測(cè)量得到的波前傾斜抖動(dòng)的功率譜擬合出大氣湍流擾動(dòng)的整體傾斜誤差的功率譜具體過(guò)程如下：二階AR模型系統(tǒng)差分方程為：式中：x(n)為輸出信號(hào)，ak為模型系數(shù)，u(n)為輸入噪聲，n＝1～N，N為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；二階AR模型的輸出信號(hào)功率譜SAR(ω)為：式中：σ2為輸入噪聲方差；通過(guò)Burg算法來(lái)估計(jì)基于AR模型中的模型系數(shù)(a1,a2)和輸入噪聲方差σ2，擬合出大氣湍流引起的波前整體傾斜誤差的功率譜，具體過(guò)程為：(S1)準(zhǔn)備初始條件：p＝0初始階次為00階前向誤差預(yù)測(cè)f0(n)和后向預(yù)測(cè)誤差b0(n)為：f0(n)＝b0(n)＝x(n)0階噪聲方差(S2)設(shè)一階反射系數(shù)為h1，將一階反射系數(shù)h1及0階前向預(yù)測(cè)誤差f0(n)和0階后向預(yù)測(cè)誤差b0(n)代入第二階前后向預(yù)測(cè)誤差公式得到一階前向預(yù)測(cè)誤差f1(n)和一階后向預(yù)測(cè)誤差b1(n)：f1(n)＝f0(n)+h1b0(n-1)b1(n)＝b0(n)+h1f0(n-1)(S3)將一階前向預(yù)測(cè)誤差f1(n)和一階后向預(yù)測(cè)誤差b1(n)代入總均方誤差之和Pfb公式：

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：廖宏宇，馬曉燠，饒長(zhǎng)輝，魏凱，鮮浩，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：四川,51