结合亚像元实时灰度投影算法的导行系统
【中科院云南天文台屈中权研究员课题组】

        通常使用天文望远镜对天文目标进行观测时,需要天文望远镜保持对观测目标长时间和高精度地指向和跟踪。特别地,在现代天文学研究中,天文学家希望望远镜的指向和跟踪精度达到亚角秒量级,这就要求现代天文望远镜需要配备提高其指向和跟踪精度的闭环控制系统。导行系统是其中的一种有效的闭环控制系统,能够修正望远镜长时间观测过程中的指向和跟踪误差。导行系统分为太阳观测的光电导行系统和夜天文观测的偏置导行系统,本文的研究对象是光电导行系统。   
        光电导行系统的工作原理是计算太阳像重心偏移量,然后将该偏移量反馈给望远镜轴系控制系统,并由轴系控制系统修正指向和跟踪误差。然而,对于地基太阳望远镜的光电导行系统而言,光电导行系统所成的太阳像会因为大气湍流和风载等引入随机抖动,从而影响真实太阳像重心偏移量的获取和望远镜轴系控制系统的误差修正。因此,一些研究者提出了相应的方法来抑制光电导行系统受大气和风载的影响。对于抑制大气抖动对光电导行的影响,先前的研究者们提出在一个导行闭环周期内,对重心偏移量进行N次测量,然后求取N次测量的算数平均值,这能够使得重心偏移量测量误差下降N-1/2倍。而对于抑制风载的干扰,先前的研究者通过增加太阳望远镜轴系控制系统的增益或者在望远镜主镜后端光路中加入稳像控制系统的方法来实现。也就是说,先前对抑制光电导行系统受到大气和风载的干扰方法中,光电导行系统只参与了大气的抑制,并没有参与风载的抑制。 
        中国科学院云南天文台屈中权研究员课题组部分成员提出了一种将修正的灰度投影算法引入到太阳望远镜的光电导行系统中,以达到提高导行系统性能的新方法(在不失导行系统抑制大气干扰性能的同时,提高其抑制风载干扰的性能)。他们通过将修正的灰度投影算法引入到太阳像的重心计算过程中,目的是在获得当前帧太阳像重心的同时获得当前帧和前一帧太阳像的重心的偏移量,然后将该偏移量补偿到当前帧太阳像重心坐标中,从而减小风载对光电导行系统的影响。另一方面,灰度投影算法经过了速度和分辨率的改进,使得一个导行闭环周期内重心偏移量的测量次数基本不改变,因此仅仅通过光电导行自身算法改进改善了大气和风载对导行系统的干扰。该研究团队所提出的这种方法具有一定的新颖性,而且适用于所有希望通过光电导行系统改善长时间指向和跟踪精度的望远镜。
        该研究团队根据导行系统的核心思想是导行信标重心偏移量的计算和反馈,将电子稳像中的灰度投影算法引入到导行系统软件中,同时根据灰度投影算法在结构上与重心算法相似的特点,将灰度投影算法嵌套到重心算法中,并对灰度投影算法进行实时性和分辨率的改进,以达到在计算导行信标重心的同时以较高分辨率计算相邻导行信标图像偏移量的目的。最后,所计算的导行信标图像偏移量可反向补偿到导行信标重心中,以实现在几乎不改变导行系统抑制大气性能干扰的前提下提高抑制风载干扰的能力。
        目前,该课题组已经测试了他们所提出的这种方法,具体的测试结果如下图所示。结果显示了他们的方法能够在仅使用导行系统自身软硬件的前提下使导行系统具有一定的抑制大气和风载的能力。


 
 
用于测试的自动导行系统和望远镜

研究团队简介
       中国科学院云南天文台屈中权研究员课题组主要从事太阳物理相关的理论研究。团队中的宋智明和柳光乾主要从事天文望远镜相关的精密控制系统和控制算法研究。目前屈中权研究员课题组正在承担国家自然科学基金重大科研仪器等项目的研究。
       研究团队成员目前取得的部分研究成果如下:
[1] Wang K Y, Song Z M, Sheng M L, et al. Modular real-time face detection system[J]. Annals of Data Science, 2015, 2(3): 317–333.
[2] 柳光乾, 程向明, 宋腾飞, 等. 一米太阳望远镜风载对伺服系统的影响及控制[J]. 光电工程, 2011, 38(6): 50–58.
[3] Qu Z Q, Dun G T, Chang L, et al. Spectro-imaging polarimetry of the local corona during solar eclipse[J]. Solar Physics, 2017, 292(2): 37.

相关论文
宋智明, 柳光乾, 屈中权. 结合亚像元实时灰度投影算法的导行系统[J]. 光电工程, 2018, 45(8): 170586.
DOI:10.12086/oee.2018.170586