Устройство адаптивной оптико-электронной системы управления телескопом

 

Изобретение относится к устройствам управления фазой световой волны. Его применение в телескопах позволяет достичь технического результата в виде получения наилучшего в данных условиях наблюдения качества изображения объекта при одновременном упрощении конструкции. Этот результат достигается благодаря тому, что в устройстве адаптивной оптико-электронной системы управления телескопом, содержащем главное и вторичное зеркала, двухкоординатное зеркало общих наклонов волнового фронта, деформируемый зеркальный корректор, светоделитель и датчик волнового фронта, а также восстановитель фазы и управляющее устройство, выход датчика волнового фронта соединен со входом устройства оценивания (фильтрации) наклонов волнового фронта, которое своим выходом соединено с восстановителем фазы, выход которого является входом устройства формирования оптимальных сигналов управления, первый выход которого является входом управляющего устройства, а второй выход соединен с устройством управления вторичным зеркалом, которое своим выходом соединено со вторичным зеркалом. 4 ил.

Изобретение относится к устройствам управления фазой световой волны и служит для получения наилучшего в данных условиях наблюдения качества изображения объекта за счет воздействия на характеристики (фазу) волнового фронта (ВФ) излучения.

Известно адаптивное приемное устройство /1/ для проведения исследований по компенсации оптической неоднородности атмосферы путем устранения ошибок наведения телескопа на наблюдаемый объект и среднего по апертуре телескопа наклона ВФ с помощью компенсаторов и управления наклонами отдельных зон адаптивного зеркала, осуществляемого подачей противофазных напряжений на диагонально-противоположные приводы в группе. Недостатками этого устройства являются отсутствие корректора дефокусировки и малое количество приводов адаптивного зеркала (16 приводов), обусловленное конструкционными характеристиками датчика волнового фронта (ДВФ) (разделение световых потоков на отдельные квадрантные приемники осуществляется зеркальной четырехгранной пирамидой), приводящие к снижению точности коррекции искажений ВФ, обусловленных оптическими неоднородностями атмосферы.

Известно устройство активной оптики телескопа с тонким деформируемым главным зеркалом /2/ для коррекции гравитационных и температурных деформаций путем изменения формы поверхности главного зеркала, содержащее актуаторы, силовые датчики, вычислитель формы поверхности, блок управления опорными силами, анализатор изображения, вычислитель аберраций, ДВФ Гартмана-Шека. Недостатками этого устройства являются сложная структура составного главного зеркала, приводящая к снижению точности коррекции, вызванной неопределенностями его гравитационного и температурного поведения.

Прототипом изобретения по технической сущности является устройство адаптивной оптико-электронной системы (АОЭС) управления телескопом, представленное на фиг. 1. /3/, содержащее главное зеркало (1); вторичное зеркало (2); двухкоординатное зеркало общих наклонов волнового фронта (3); деформируемый зеркальный корректор (4); управляющее устройство (5); восстановитель фазы (6); датчик волнового фронта (7); светоделитель (8); фокальную плоскость изображения в телескопе (9). Известное устройство работает следующим образом: измерение наклонов ВФ (т.е. градиентов фазы) осуществляется в ДВФ (7) в двух ортогональных направлениях. В датчике волновой фронт разделяется на матрице субапертур (в виде линзлета), каждая из которых образует в фокальной плоскости свое изображение опорного источника, положение которого отслеживается приемником. Далее производится операция восстановления фазы путем пространственного интегрирования данных измерений локальных наклонов в восстановителе фазы (6) на базе специального электронно-вычислительного устройства с точностью, определяемой шумом измерения локальных наклонов. Недостатком этой системы управления является то, что восстановление фазы ВФ производится с ошибками, обусловленными шумами измерения локальных наклонов ДВФ, приводящими к снижению точности коррекции; и отсутствие возможности управления вторичным зеркалом, что приводит к усложнению конструкции (увеличивается количество приводов) деформируемого зеркального корректора (4) и усложнению управления им для обеспечения требуемой точности коррекции искажений.

Целью настоящего изобретения является повышение точности коррекции искажений ВФ, обусловленных оптическими неоднородностями атмосферы, в интересах улучшения качества формируемых телескопом изображений объектов.

В основу изобретения положена задача создания устройства, обеспечивающего коррекцию искажений ВФ, обусловленных оптическими неоднородностями атмосферы, за счет автоматического воздействия на характеристики (фазу) ВФ излучения, приходящего от наблюдаемого объекта путем повышения точности коррекции искажений ВФ за счет более точного их измерения, восстановления фазы ВФ и управления двухкоординатным зеркалом общих наклонов ВФ (3), деформируемым зеркальным корректором (4) и вторичным зеркалом (2) (смещением его вдоль оптической оси).

Для достижения поставленной цели в предлагаемом устройстве АОЭС дополнительно вводятся устройство оценивания (фильтрации) наклонов ВФ и устройство формирования оптимальных сигналов управления на базе специального электронно-вычислительного устройства, состоящего из систолического множества процессорных элементов /4/, а также устройство управления вторичным зеркалом в составе усилителя напряжения и электромеханического привода перемещения вторичного зеркала, исполнительный механизм которого представляет собой винт, вращающийся от электродвигателя и обладающий большим диапазоном перемещения /5/.

На фиг. 2. представлена схема предлагаемого устройства АОЭС управления телескопом. Устройство содержит: главное зеркало (1); вторичное зеркало (2); двухкоординатное зеркало общих наклонов волнового фронта (3); деформируемый зеркальный корректор (4); управляющее устройство (5); восстановитель фазы (6); датчик волнового фронта (7); светоделитель (8); фокальную плоскость изображения в телескопе (9); устройство формирования оптимальных сигналов управления (10); устройство оценивания (фильтрации) наклонов волнового фронта (11); устройство управления вторичным зеркалом (12).

Предлагаемое устройство АОЭС управления телескопом работает следующим образом: световой сигнал от телескопа (1, 2) поступает через коллиматор на двухкоординатное зеркало общих наклонов ВФ (3), далее на деформируемый зеркальный корректор (4), откуда после светоделителя (8) на ДВФ гартмановского типа (7), где происходит измерение значений градиентов фазы (наклонов) ВФ. Измеренные значения наклонов ВФ поступают на устройство оценивания (фильтрации) наклонов ВФ (11), аналогичное устройству приведенному в /4/, на базе систолической структуры из процессорных элементов, осуществляющих параллельную обработку измеренных значений наклонов ВФ. По сигналам с данного устройства осуществляется восстановление ВФ в восстановителе фазы (6), по выработанным в нем электрическим сигналам, соответствующим фазе восстановленного ВФ, вырабатываются оптимальные управляющие напряжения в устройстве формирования оптимальных сигналов управления (10), аналогичном устройству, приведенному в /4/, построенном на базе систолической структуры из процессорных элементов. Оптимальные управляющие напряжения подаются на устройство управления вторичным зеркалом телескопа (12) в составе усилителя напряжения и электромеханического привода, вырабатывающего электрические сигналы, посредством которых винтовым исполнительным механизмом, вращающимся от электродвигателя, осуществляется перемещение вторичного зеркала вдоль оптической оси, и на управляющее устройство (5), осуществляющее управление двухкоординатным зеркалом общих наклонов ВФ (путем наклона его в двух ортогональных плоскостях) и деформируемым зеркальным корректором (4) со многими степенями свободы, установленного в плоскости, сопряженной с плоскостью главного зеркала путем смещения элементарных зон (участков) его зеркальной поверхности.

Сравнительная оценка эффективности предлагаемого устройства АОЭС и устройства прототипа проведена по методике, изложенной в /6/.

На фиг. 3 приведены зависимости дисперсии остаточной ошибки коррекции искажений ВФ σ² в зависимости от блеска объекта m для предлагаемого устройства АОЭС (штриховая линия) и устройства прототипа (сплошная линия).

На фиг.4 приведены зависимости числа приводов деформируемого зеркального корректора N от уровня искажений ВФ d/r₀ (D - диаметр апертуры главного зеркала, r₀ - радиус когерентности искажений Фрида) для предлагаемого устройства АОЭС (штриховая линия) и устройства прототипа (сплошная линия) при обеспечении остаточной ошибки коррекции искажений ВФ σ² =0,22 рад².

Анализ приведенных на фиг.3 и фиг.4 результатов позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое устройство АОЭС в сравнении с устройством прототипа позволяет: уменьшить ошибку коррекции искажений волнового фронта от 20 до 40% в диапазоне изменения блеска наблюдаемых объектов от 4 до 8 звездной величины; уменьшить количество приводов деформируемого зеркального корректора на 25...30% в диапазоне изменения уровня искажений ВФ D/r₀=10...20 при обеспечении требуемой точности коррекции искажений (что упрощает конструкцию устройства).

Предлагаемое устройство не требует существенной конструкционной доработки известного устройства и может быть внедрено в существующих телескопах.

Источники информации 1. Баранов Ю.В., Белкин Н.Д., Блохина В.Н. Аналоговое адаптивное приемное устройство. - Оптический журнал, 1992, 6, С.56-57.

2. Рябова Н.В., Захаренков В.Ф. Активная и адаптивная оптика в крупногабаритных телескопах. - Оптический журнал, 1992, 6, с.8-9.

3. Рябова Н.В., Захаренков В.Ф. Активная и адаптивная оптика в крупногабаритных телескопах. - Оптический журнал, 1992, 6, с.22-23. (Прототип).

4. Никонов В. В. , Кравцов С.Г., Самошин В.Н. Систолическая обработка информации: Элементная база и алгоритмы. - Зарубежная радиоэлектроника, 1987, 7, с.34-51.

5. Тараненко В. Г., Шанин О.И. Адаптивная оптика. - М.: Радио и связь, 1990, с.33-50.

6. Буцев С.В. Результаты оценки качества коррекции искажений волнового фронта адаптивной оптической системой фазового сопряжения. - Оптический журнал, 1998, 6, с.67-72.

Формула изобретения

Устройство адаптивной оптико-электронной системы управления телескопом, содержащее главное и вторичное зеркала, оптически связанные с ними двухкоординатное зеркало общих наклонов волнового фронта, деформируемый зеркальный корректор, светоделитель на фокальную плоскость изображения в телескопе и соединенный со светоделителем своим входом датчик волнового фронта, а также восстановитель фазы и управляющее устройство, которое своим первым выходом соединено с двухкоординатным зеркалом общих наклонов волнового фронта, а вторым выходом соединено с деформируемым зеркальным корректором, отличающееся тем, что выход датчика волнового фронта соединен со входом устройства оценивания (фильтрации) наклонов волнового фронта, которое своим выходом соединен с восстановителем фазы, выход которого является входом устройства формирования оптимальных сигналов управления, первый выход которого является входом управляющего устройства, а второй выход соединен с устройством управления вторичным зеркалом, которое своим выходом соединено со вторичным зеркалом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4