УСТРОЙСТВО АКТИВНОЙ АДАПТИВНОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕЛЕСКОПОМ
DEVICE FOR ACTIVE ADAPTIVE OPTOELECTRONIC TELESCOPE CONTROL SYSTEM

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 устройство активной адаптивной оптико-электронной системы (ААОЭС) управления телескопом /Устройство активной адаптивной оптико-электронной системы управления телескопом. - Патент №2273872 от 10.04.2006 г./, предназначенное для компенсации искажений ВФ (общего наклона, дефокусировки и остаточных локальных искажений), 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 формирования оптимальных сигналов управления; устройство оценивания (фильтрации) наклонов волнового фронта; устройство управления вторичным зеркалом; устройство формирования опорного точечного источника. Устройство работает следующим образом: световой сигнал от устройства формирования опорного точечного источника, построенного на базе когерентного источника излучения, проходя двухкоординатное зеркало общих наклонов, вторичное и главное зеркала телескопа, отражается от лоцируемого объекта либо за счет обратного релеевского рассеяния в атмосфере создает опорный точечный источник (звезду), находящийся в одной изопланарной области с лоцируемым объектом, и возвращается обратно в телескоп. Далее световой сигнал от телескопа поступает через коллиматор на двухкоординатное зеркало общих наклонов ВФ, далее на деформируемый зеркальный корректор, откуда после светоделителя на ДВФ гартмановского типа, где происходит измерение значений градиентов фазы (наклонов) ВФ. Измеренные значения наклонов ВФ поступают на устройство оценивания (фильтрации) наклонов ВФ 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, по выработанным в нем электрическим сигналам, соответствующим фазе восстановленного ВФ, вырабатываются оптимальные управляющие напряжения в устройстве формирования оптимальных сигналов управления, построенном на базе систолической структуры из процессорных элементов. Оптимальные управляющие напряжения подаются на устройство управления вторичным зеркалом телескопа 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, осуществляющее управление двухкоординатным зеркалом общих наклонов ВФ (путем наклона его в двух ортогональных плоскостях) и деформируемым зеркальным корректором со многими степенями свободы, установленным 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.
Прототипом изобретения по технической сущности является устройство ААОЭС управления телескопом, предназначенное для компенсации искажений ВФ (общего наклона, дефокусировки и остаточных локальных искажений), представленное на фиг.1 /Устройство активной адаптивной оптико-электронной системы управления телескопом. - Патент №2324959 от 20.05.2008 г./. 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); устройство адаптации к изменению характеристик наклонов ВФ (14).
Устройство работает следующим образом. Световой сигнал от устройства формирования опорного точечного источника, 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 релеевского рассеяния в атмосфере создает опорный точечный источник (звезду), находящийся в одной изопланарной 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 адаптации к изменению характеристик наклонов ВФ (14) на базе систолической структуры из процессорных элементов, осуществляющих параллельную обработку измеренных значений наклонов ВФ на основе адаптивных алгоритмов. По сигналам с данного устройства осуществляется оценивание (фильтрация) наклонов ВФ в устройстве оценивания (фильтрации) наклонов ВФ (11) и на их основе затем 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, установленным 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).
Общим недостатком данных устройств является то, что они могут обеспечить потенциальную точность коррекции искажений ВФ лишь при условии отсутствия возмущений, действующих на телескоп и связанную с ним ААОЭС и, в частности, на комбинированный корректор ВФ (КВФ) в составе: двухкоординатного зеркала общих наклонов ВФ, деформируемого зеркального корректора и вторичного зеркала. Данные возмущения возникают при функционировании телескопа и могут иметь разную физическую природу: вибрации (ветровые, механические и др.) телескопа, остаточные тепловые, весовые и механические (люфтовые) разъюстировки, ошибки слежения (ведения) телескопа за объектом, атмосферная нестабильность в подкупольном пространстве телескопа и т.д. В том случае, если характеристики реальных возмущений отличаются от тех, на которые настроено устройство формирования оптимальных сигналов управления, будут возникать ошибки, приводящие к снижению точности управления комбинированным КВФ и, как следствие, снижению точности коррекции искажений ВФ и возможности получения качественного (неискаженного) изображения лоцируемого объекта.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности коррекции искажений ВФ, обусловленных оптическими неоднородностями атмосферы, оптическим трактом и возмущениями, действующими на телескоп, в интересах улучшения качества формируемых телескопом изображений лоцируемых объектов.
В основу изобретения положена задача создания устройства, обеспечивающего коррекцию искажений ВФ, обусловленных оптическими неоднородностями атмосферы, оптическим трактом и возмущениями, действующими на телескоп, в интересах получения качественных (неискаженных) изображений лоцируемых объектов. Данный результат достигается автоматическим воздействием на характеристики (фазу) ВФ излучения, приходящего от наблюдаемого объекта, за счет повышения точности коррекции искажений ВФ вследствие получения возможности более точного управления комбинированным КВФ в составе: двухкоординатного зеркала общих наклонов ВФ, деформируемого зеркального корректора и вторичного зеркала.
Для достижения поставленной задачи в предлагаемом устройстве ААОЭС дополнительно вводится устройство адаптации к возмущениям телескопа на базе специального электронно-вычислительного устройства, состоящего из систолического множества процессорных элементов /Никонов В.В., Кравцов С.Г., Самошин В.Н. Систолическая обработка информации: Элементная база и алгоритмы.- Зарубежная радиоэлектроника, 1987, №7, с.34-51/, функционирующего на основе адаптивного алгоритма управления, приведенного, например, в /Буцев СВ. Алгоритмы функционирования адаптивной оптической системы фазового сопряжения. - Квантовая электроника, 1996, №8, с.753-758/.
На фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства ААОЭС 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); устройство адаптации к изменению характеристик наклонов ВФ (14), устройство адаптации к возмущениям телескопа (15).
Предлагаемое устройство ААОЭС управления телескопом работает следующим образом. Световой сигнал от устройства формирования опорного точечного источника, 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 релеевского рассеяния в атмосфере создает опорный точечный источник (звезду), находящийся в одной изопланарной 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 адаптации к изменению характеристик наклонов ВФ (14) на базе систолической структуры из процессорных элементов, осуществляющих параллельную обработку измеренных значений наклонов ВФ на основе адаптивных алгоритмов. По сигналам с данного устройства осуществляется оценивание (фильтрация) наклонов ВФ в устройстве оценивания (фильтрации) наклонов ВФ (11) и на их основе затем осуществляется восстановление ВФ в восстановителе фазы (6). Электрические сигналы, соответствующие фазе восстановленного ВФ, поступают на устройство адаптации к возмущениям телескопа (15), аналогичное устройству, приведенному в /Никонов В.В., Кравцов С.Г., Самошин В.Н. Систолическая обработка информации: Элементная база и алгоритмы.- Зарубежная радиоэлектроника, 1987, №7, с.34-51/, на базе специального электронно-вычислительного устройства, состоящего из систолического множества процессорных элементов и функционирующего на основе адаптивного алгоритма управления, аналогичного алгоритму, приведенному, например, в /Буцев С.В. Алгоритмы функционирования адаптивной оптической системы фазового сопряжения. - Квантовая электроника, 1996, №8, с.753-758/. По сигналам с данного устройства 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, установленным 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).
2
na
Сравнительная оценка эффективности предлагаемого устройства ААОЭС и устройства прототипа проведена по методике, изложенной в /Буцев С.В. Эффективность функционирования адаптивных оптических систем. - Квантовая электроника, 1995, №4, с.345-349/. В качестве показателя эффективности использовался выигрыш в точности адаптации, который достигается при использовании предлагаемого устройства ААОЭС вместо устройства прототипа, синтезированного на определенные, априори известные характеристики возмущений, действующих на телескоп, и параметры комбинированного КВФ. Количественно оценить его можно отношением β дисперсий ошибки коррекции ВФ в устройстве прототипе σ  и предлагаемом устройстве
0
На фиг.3 приведено семейство зависимостей выигрыша в точности адаптации β для предлагаемого устройства ААОЭС относительно устройства прототипа от отношения диаметра входной апертуры телескопа D к радиусу когерентности Фрида r (характеризующего степень возмущениий (искажений) ВФ) при числе каналов управления (степеней свободы) комбинированного КВФ 81(1), 49(2), 25(3), 9(4).
0
Анализ приведенных на фиг.3 результатов позволяет сделать вывод о том, что выигрыш в точности адаптации предлагаемого устройства ААОЭС по сравнению с устройством прототипом зависит от уровня возмущениий (искажений) ВФ и количества каналов управления (степеней свободы) комбинированного КВФ. По мере уменьшения D/r (соответствует меньшим возмущениям ВФ при фиксированном размере диаметра входной апертуры телескопа) и увеличении числа каналов управления (степеней свободы) комбинированного КВФ выигрыш в точности адаптации увеличивается.
Предлагаемое устройство не требует существенной конструкционной доработки известного устройства и может быть внедрено в существующих телескопах.
Источники информации
1. Устройство активной адаптивной оптико-электронной системы управления телескопом. - Патент №2273872 от 10.04.2006 г.
2. Устройство активной адаптивной оптико-электронной системы управления телескопом. - Патент №2324959 от 20.05.2008 г. (Прототип).
3. Никонов В.В., Кравцов С.Г., Самошин В.Н. Систологическая обработка информации: Элементная база и алгоритмы. - Зарубежная радиоэлектроника, 1987, №7, с.34-51.
4. Буцев С.В. Алгоритмы функционирования адаптивной оптической системы фазового сопряжения. - Квантовая электроника, 1996, №8, с.753-758.
5. Бурцев С.В. Эффективность функционирования адаптивных оптических систем. - Квантовая электроника, 1995, №4, с.345-349.