Устройство активной адаптивной оптико-электронной системы управления телескопом

Устройство активной адаптивной оптико-электронной системы управления телескопом содержит главное и вторичные зеркала, оптически связанные с ними двухкоординатное зеркало общих наклонов волнового фронта, деформируемый зеркальный корректор, светоделитель, и соединенный со светоделителем своим входом датчик волнового фронта, устройство оценивания (фильтрации) наклонов волнового фронта, восстановитель фазы, устройства формирования оптимальных сигналов управления. Дополнительно введено устройство формирования опорного точечного источника, выход которого оптически связан с двухкоординатным зеркалом общих наклонов волнового фронта, вторичным и главным зеркалами телескопа. Технический результат - увеличение изопланатического угла поля зрения телескопа и повышение точности коррекции искажений волнового фронта от движущихся объектов. 3 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 (коррекцию фазы) 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.

Известно устройство адаптивной оптико-электронной системы (АОЭС) управления телескопом [2], предназначенное для компенсации искажений ВФ (общего наклона ВФ и остаточных локальных наклонов ВФ), обусловленных атмосферой и оптическим трактом телескопа. Данное устройство содержит: главное зеркало; вторичное зеркало; двухкоординатное зеркало общих наклонов волнового фронта; деформируемый зеркальный корректор; управляющее устройство; восстановитель фазы; датчик волнового фронта (ДВФ); светоделитель; фокальную плоскость изображения в телескопе. Устройство работает следующим образом: измерение наклонов ВФ (т.е. градиентов фазы) осуществляется в ДВФ 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 на базе специального электронно-вычислительного устройства с точностью, определяемой шумом измерения локальных наклонов и управление посредством управляющего устройства зеркалом общих наклонов ВФ и деформируемым зеркальным корректором для обеспечения коррекции искажений ВФ.

Прототипом изобретения по технической сущности является устройство АОЭС управления телескопом, предназначенное для компенсации искажений ВФ (общего наклона, дефокусировки и остаточных локальных искажений), представленное на фиг.1 [3]. 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). Устройство 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), 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), 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.

Рассмотренные устройства являются пассивными, работающими при естественном (солнечном) подсвете объектов. Общим недостатком данных устройств является малый изопланатический угол поля зрения телескопов при наблюдении объектов, в котором атмосферные возмущения ВФ примерно одинаковы, и необходимость наличия в данном угле естественного яркого опорного точечного источника (звезды) для осуществления возможности коррекции искажений ВФ и получения качественного изображения объекта (что не всегда реализуется на практике), а также невозможность коррекции искажений ВФ и получения качественных изображений движущихся объектов, т.к. для данных объектов угол наведения, определяющий смещение между положением подвижного объекта и точкой, в которой он должен перехватываться пучком (телескопом), много больше изопланатического угла.

Целью настоящего изобретения является увеличение изопланатического угла поля зрения телескопа при наблюдении объекта за счет создания искусственного опорного точечного источника в нем и повышение точности коррекции искажений ВФ от движущихся объектов, обусловленных оптическими неоднородностями атмосферы и ошибками наведения телескопа, в интересах улучшения качества формируемых телескопом изображений объектов.

В основу изобретения положена задача создания устройства, обеспечивающего: коррекцию искажений ВФ, обусловленных оптическими неоднородностями атмосферы, искажениями оптического тракта и ошибками наведения телескопа, за счет автоматического воздействия на характеристики (фазу) ВФ излучения, приходящего от наблюдаемого объекта; увеличение изопланатического угла поля зрения телескопа за счет создания в нем искусственного опорного точечного источника (звезды); повышение точности коррекции искажений ВФ от движущихся объектов и получение качественных изображений данных объектов за счет получения возможности более точного измерения искажений ВФ, восстановления фазы ВФ и управления комбинированным корректором ВФ в составе: двухкоординатного зеркала общих наклонов ВФ (3), деформируемого зеркального корректора (4) и вторичного зеркала (2).

Для достижения поставленной цели в предлагаемом устройстве активной АОЭС дополнительно вводится устройство формирования опорного точечного источника (13) на базе когерентного источника излучения, позволяющее создать искусственную опорную звезду (в одном изопланатическом угле с лоцируемым объектом) в атмосфере на основе метода лидара, либо путем обратного рэлеевского рассеяния в атмосфере в видимом диапазоне длин волн на высоте 10...20 км, либо путем возбуждения резонансной флюоресценции атомов натрия в мезосфере на высоте около 90 км [4, 5].

На фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства активной 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); устройство формирования опорного точечного источника (13).

Предлагаемое устройство активной АОЭС управления телескопом работает следующим образом. Световой сигнал от устройства формирования опорного точечного источника (13) аналогичного устройству, приведенному в [4, 5], построенного на базе когерентного источника излучения, проходя двухкоординатное зеркало общих наклонов (3), вторичное (2) и главное (1) зеркала телескопа, отражается от лоцируемого объекта, либо за счет обратного рэлеевского рассеяния в атмосфере создает опорный точечный источник (звезду), находящийся в одной изпланарной области с лоцируемым объектом, и возвращается обратно в телескоп. Далее 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 [3], 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 [3], 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. При этом неискаженное изображение лоцируемого объекта формируется (регистрируется) в фокальной плоскости телескопа (9).

Сравнительная оценка эффективности предлагаемого устройства активной 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 активной АОЭС (штриховая линия) и устройства прототипа (сплошная линия).

Анализ приведенных на фиг.3 результатов, позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое устройство активной АОЭС в сравнении с устройством прототипа, позволяет: расширить область применения данной активной АОЭС на 3-4 звездные величины и получить изображение объекта с требуемым качеством от менее ярких объектов, в том числе и от движущихся.

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.22-23.

3. Устройство адаптивной оптико-электронной системы управления телескопом. - Патент № 2224272 от 20.02.2004 г. (Прототип).

4. Foy R., Labeyrie A.. - Astron. & Astrophys., 1985, № 152, L.29.

5. Tebo A.. - OE Reports, 1991, № 96, p.1-14.

6. Буцев С.В. Результаты оценки качества коррекции искажений волнового фронта адаптивной оптической системой фазового сопряжения. - Оптический журнал, 1998, № 6. С.67-72.

Устройство активной адаптивной оптико-электронной системы управления телескопом, содержащее главное и вторичные зеркала, оптически связанные с ними двухкоординатное зеркало общих наклонов волнового фронта, деформируемый зеркальный корректор, светоделитель, фокальную плоскость изображения в телескопе и соединенный со светоделителем своим входом датчик волнового фронта, который своим выходом 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, соединенного первым выходом с двухкоординатным зеркалом общих наклонов волнового фронта, а вторым выходом соединено с деформируемым зеркальным корректором, а второй выход устройства формирования оптимальных сигналов управления соединен с устройством управления вторичным зеркалом, которое своим выходом соединено со вторичным зеркалом, отличающееся тем, что дополнительно введено устройство формирования опорного точечного источника, выход которого оптически связан с двухкоординатным зеркалом общих наклонов волнового фронта, вторичным и главным зеркалами телескопа.