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最新刊期
2022 年 第 23 期
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基于粒子群优化的宏观傅里叶叠层成像位置失配校准
摘要：宏观傅里叶叠层成像技术通过在频域中拼接融合低分辨率图像来重建出高分辨率图像，然而移动相机捕获低分辨率图像的过程中极易出现相机位置失配，从而导致重建图像质量降低。提出了一种基于粒子群的相机位置失配校准算法，该方法采用逐点校准策略，在频域中对部分含有低频信息的图像进行校准并更新频谱，然后对全部低分辨率图像进行迭代校准，获取精确位置后通过相位恢复算法重建出高分辨率图像。在真实场景中，传统傅里叶叠层成像算法重建图像的分辨率为4.00 lp/mm，所提算法校准后重建图像的分辨率为5.04 lp/mm，重建图像质量显著提升且校正效果优于同类算法，并且运行消耗时间与同类校准算法相比减少10.9%以上。该算法能有效解决宏观傅里叶叠层成像技术对相机扫描位置精度严苛的需求，提升重建图像质量，减少时间成本。关键词：成像系统;傅里叶叠层成像;位置失配;粒子群算法;图像质量- 280
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发布时间：2022-12-20 -
大口径主焦点式光学系统的设计与装调
摘要：为满足大口径主焦点光学望远镜的发展趋势与需求，研究了大口径主焦点式光学系统的设计与装调方法。给出一个大口径主焦点光学系统的设计，该系统由一块非球面主反射镜和六块口径较小的球面透镜组成，六块透镜构成的校正镜组能够增大视场、校正像差，从而保证系统的成像质量。该系统的工作波段为0.4~0.8 μm，通光口径为1 000 mm，焦距为1 300 mm，视场为2.7°×2.7°，在-40~50 ℃内采用移动探测像面的方式实现温度补偿。全视场奈奎斯特频率下调制传递函数高于0.45，RMS弥散斑半径小于10 μm。针对该系统，提出了一种包含主镜被动支撑调整、校正镜定心装调和系统星点成像装调的一般装调方法，装调后系统全视场靶面星点80%能量集中度在3×3个像元以内。关键词：光学设计;光学装调;主焦点式;像质评价- 330
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发布时间：2022-12-20 -
千单元自适应压电变形镜的高压放大器设计
摘要：为了满足大型地基望远镜高分辨率成像的需求，需要利用自适应光学技术对大气湍流造成的波前误差进行校正。压电变形镜是自适应光学系统的关键部件，针对大型地基高分辨率成像望远镜中千单元级压电变形镜的高压高速驱动问题，设计了高性能压电陶瓷高压放大器。该高压放大器采用基于高速低压运算放大器和分立功率器件构成两级放大结构，实现压电陶瓷的高精度大功率驱动。相比于集成运放器件构成的驱动系统，该高压放大器具有驱动能力更强、成本更低的优势，适用于驱动通道较多的自适应压电变形镜系统。实验结果表明：本文设计的高压放大器可以实现120 V输出，驱动0.33 μF容性负载时-3 dB带宽达到5 000 Hz，输出响应时间≤100 μs。该高压放大器能够满足千单元级压电变形镜的应用要求。关键词：自适应光学;望远镜;压电变形镜;压电陶瓷;高压放大器- 187
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发布时间：2022-12-20 -
基于GPU的961单元自适应光学系统波前处理器设计及其动态性能
摘要：为了满足4 m级地基大口径光学望远镜千单元自适应光学系统的波前处理规模、速度以及控制带宽要求，研究了基于GPU的千单元级自适应光学系统高速波前处理器。介绍了自适应光学系统波前处理方法，并详细论述了基于GPU的波前处理架构的实现与优化方法。最后，通过湍流模拟器进行桌面模拟实验，得到961单元自适应光学系统的动态性能。实验结果表明：基于GPU的961单元自适应光学系统在采样频率为1 500 Hz时，系统0 dB残余误差抑制带宽能够达到100 Hz，满足4 m级地基大口径光学望远镜自适应光学系统的应用需求。关键词：自适应光学;波前处理;961单元变形镜;图形处理器- 172
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发布时间：2022-12-20 -
大口径望远镜主次镜弯沉的精确测量
摘要：为了精确测量与修正大口径望远镜主次镜弯沉，从而保证成像质量及指向精度，从大口径望远镜自身结构特点出发，分析了主次镜位姿变化的影响因素，提出了一种基于内调焦光管的光学测量方法。对主次镜间距5.5 m的某望远镜进行测量，测得水平方向径向偏移最大为196 μm，垂直方向径向偏移最大为16 μm，水平方向角度偏转最大为2.6″，垂直方向角度偏转最大为12.8″。最后对该方法的测量不确定度进行分析，测量径向偏移的合成标准不确定度为9 μm，测量角度偏转的合成标准不确定度为0.65″，满足大口径望远镜光学系统的对准精度要求。关键词：地基望远镜;大口径;主次镜弯沉;精确测量;内调焦光管- 171
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发布时间：2022-12-20 -
地基大口径望远镜重力弯曲引起的指向变化检测与修正
摘要：随望远镜口径的不断增大，望远镜的结构尺寸相应增加，重力场引起的望远镜光轴指向变化影响也愈发明显，对地基大口径望远镜的指向检测与修正是获取高精度轨道目标数据的必要前提。为了实现望远镜指向误差的估计、测量及主动修正，从望远镜的光机系统结构出发，分析了引起望远镜光轴变化的因素，提出了光轴变化检测与修正方法。实验结果表明，在望远镜低仰角情况下，光轴最大相对变化为126″，望远镜桁架结构的重弯曲影响是引起俯仰角相关指向变化的主要因素。以4 m口径望远镜为例，提出基于次镜调整结构及卡式系统零彗差点理论的修正模型来提高望远镜的跟踪性能，修正后望远镜光轴的最大相对变化在3″内。该地基大口径望远镜指向变化检测与修正方法可应用于实际望远镜的标定和装调。关键词：地基望远镜;大口径;指向变化;跟踪精度;主动修正- 142
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发布时间：2022-12-20 -
地基大口径望远镜圆顶设计
摘要：圆顶视宁度是影响地基大口径望远镜成像质量重要的影响因素之一。视宁度产生的原因主要是由于空气折射率的不均匀变化导致，首先通过理论分析确定影响空气折射率的主要因素为空气的温度、速度和压力，然后借助CFD流体仿真软件，得到望远镜圆顶周围附近空气的温度场、速度场和压力场的变化，进而推算出望远镜成像光路中圆顶及望远镜附近周围空气折射率的变化情况，以评估不同结构形式圆顶所产生的圆顶视宁度对望远镜成像的影响。通过仿真分析可知，升降式圆顶更利于望远镜周围空气的温度、速度和压力的快速变化及稳定，能够减少圆顶视宁度的影响，为4 m级及更大口径望远镜的圆顶方案选择及设计提供指导。关键词：望远镜;地基大口径;视宁度;圆顶- 207
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大口径望远镜中间体拓扑优化及形位公差检测
摘要：为了满足大口径望远镜中间体高刚度、低惯量的技术需求，开展了中间体的轻量化设计，同时针对传统方法无法检测中间体形位公差的问题，提出基于自准直仪和激光跟踪仪的光学检测方法。根据望远镜整体结构需求，确定中间体尺寸范围，分析力的传递路径，以应变能最小为优化目标，采用变密度法进行拓扑优化分析和结构设计。基于自准直仪测角原理，在中间体轴孔端面吸附平面反射镜，测量两端面的反射角度，实现两侧轴孔端面平行度误差的测量，基于激光跟踪仪空间点坐标测量原理，利用回转工装寻找中间体轴孔圆心，测量两侧轴孔的圆心坐标，实现同轴度误差的测量。与传统经验设计的中间体相比，以拓扑优化为指导设计的中间体质量减少21.5%，静态刚度提高14.3%。光学法检测中间体两侧轴孔端面平行度误差为0.016 mm，两侧轴孔圆心位置偏差为0.03 mm。采用拓扑优化设计的中间体在提高刚度、降低惯量方面优势明显，提出的光学检测法可实现中间体形位公差的检测。关键词：大口径望远镜;轻量化;拓扑优化;形位公差检测- 138
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发布时间：2022-12-20 -
变参数线性跟踪微分器及其在地平式大视场望远镜中的应用
摘要：为了对具有速度和加速度限制的物理信号安排合理的过渡过程，提出了一种带有速度和加速度饱和限制的变参数线性跟踪微分器。将跟踪微分器的快速因子设计为跟踪误差减函数的形式，即使在初始跟踪误差非常大的时候也不会产生非常大的加速度，同时结合速度和加速度饱和的限制，使用同一组参数就可以对大范围的阶跃信号给出与物理系统反馈能力相匹配的过渡过程信号。仿真计算表明，所设计的跟踪微分器的跟踪效果与经典的非线性跟踪微分器几乎相同，计算复杂度却明显降低。将所设计的跟踪微分器应用于地平式大视场望远镜的快速调转定位中，与工程中常用的位置分段方式进行对比，响应时间缩短了大约15%~37%，有效提高了望远镜的搜索效率。变参数跟踪微分器不但能够起到过渡作用，还能最大限度地激发物理系统的反馈能力。该方法参数设置简单，易于工程中的调试和实现。关键词：伺服控制;跟踪微分器;变参数;过渡过程安排;地平式大视场望远镜- 109
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基于自抗扰控制的2.5 m望远镜主轴伺服控制系统
摘要：为了满足2.5 m大视场望远镜的跟踪要求，提出了望远镜主轴伺服三闭环控制设计方法。在整定好的电流环输入端注入正弦信号，扫频测试主轴伺服速度环的开环频率特性。根据谐振频率设计结构滤波器抑制机械谐振，从而达到更高的闭环带宽。最后，依据辨识得到的控制模型，设计速度环线性自抗扰控制器和位置环比例控制器。速度环基于线性扩张状态观测器估计扰动并补偿其影响，可以达到更高的低速跟踪精度。为解决快速搜索问题，根据设备允许的最大速度、加速度，基于离散最速跟踪微分器安排过渡过程。实验结果表明：线性自抗扰控制相比PI控制，2.5 m大视场望远镜进行1.24°视场角快速步进搜索的时间由1.6 s降低为1.0 s；以速度为2 （°）/s，加速度为1 （°）/s2作为等效正弦引导的误差均方根值由1.08″降低为0.60″；低速跟踪斜率为0.000 1 （°）/s的位置斜坡曲线时，位置跟踪稳态误差均方根值由0.015 8″降低为0.010 6″。线性自抗扰控制能够满足大视场角天文望远镜高效率快速搜索和低速精密跟踪的要求。关键词：大视场望远镜;线性自抗扰;频率特性;结构滤波器;最速跟踪微分器- 179
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基于轨迹规划的地基望远镜快速高精度定位策略
摘要：为了提高地基望远镜的定位性能，实现快速无超调的高精度位置切换控制，提出了基于近似最优指令整形算法的轨迹规划定位策略。利用近似最优指令整形算法设计指令修正器，指令修正器位于位置控制器之前，依据参考指令、速度、加速度限幅信息进行轨迹规划，引导系统快速平滑地到达目标位置。相比传统梯形指令整形算法，近似最优指令整形算法解决了抖振问题，因此可获得更优的位置控制性能。实验结果表明，系统响应2.5° 和30° 位置阶跃信号时，相比无轨迹规划定位策略，采用轨迹规划定位策略后位置响应超调量大大降低，系统进入2″误差带的调节时间分别降低了1.14 s和1.57 s。仿真和实验结果一致，基于近似最优指令整形方法的轨迹规划定位策略，可有效提高望远镜的定位性能。关键词：地基望远镜;定位性能;轨迹规划;指令整形算法- 197
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地基大口径望远镜动态目标跟踪中压电式快速反射镜迟滞效应的补偿
摘要：为了提高基于压电式快速反射镜的光学系统的动态目标跟踪性能，对迟滞非线性效应带来的影响及其补偿方法进行了研究。首先，基于Prandtl-Ishlinskii（P-I）模型，建立P-I模型与自回归历变模型（Auto-regressive Exogenous Model，ARX）模型串联的率相关迟滞模型。然后，提出了基于P-I的率相关模型复合控制补偿算法。最后，搭建了基于压电式快速反射镜的实验平台，对压电陶瓷的迟滞效应进行了模型辨识，基于其逆模型设计了前馈控制器，同时检验迟滞补偿方法对动态目标跟踪系统的优化作用。实验结果表明：基于P-I的率相关模型适用于动目标跟踪系统，采用复合控制补偿算法后，动态目标跟踪系统的误差抑制带宽提高了26 Hz，有效提高了动态目标跟踪系统的误差抑制能力。关键词：压电陶瓷;快速反射镜;迟滞效应;复合控制;目标跟踪;P-I模型;率相关- 165
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基于彗差和像点偏移的大口径望远镜次镜姿态校正
摘要：大型望远镜的次镜支撑系统受重力影响，在不同俯仰角状态下会引入不同幅度的姿态误差，导致系统光路偏移，最终影响终端成像设备。如果不进行次镜姿态校正，在望远镜俯仰运动过程中，像点偏移过大，会导致精跟系统超限失效问题，基于望远镜主次镜光学设计参数，利用次镜的曲率中心点和主次镜光路的无彗差点以及次镜六自由度平台，建立了一种次镜姿态校正方法，基于望远镜俯仰角进行次镜姿态校正。通过次镜姿态校正，使望远镜仰角变化时精密跟踪系统前端光路的最大偏移角度由12.85″优化至1.80″。该次镜姿态校正方法易于实现，效果明显，能够满足精密跟踪系统前端的光路粗对准需求，保证高分辨成像系统性能。关键词：主动光学;大型望远镜;次镜;无彗差点- 174
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发布时间：2022-12-20
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