空间望远镜精密稳像控制关键技术研究

发布时间：2018-02-01 10:27

本文关键词： 空间望远镜精密稳像大口径快摆镜精细导星仪亚像素质心算法压电陶瓷驱动电源微位移检测系统辨识　出处：《中国科学院研究生院（上海技术物理研究所）》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着天文学和科学技术的发展，需要研制高分辨率、大视场、宽波段的天文望远镜。由于大气扰动效应、色散效应、臭氧对紫外线的强烈吸收以及大气背景噪声的存在，地基天文望远镜的观测受到了一定限制。空间天文观测可以彻底摆脱大气的影响，观测波长范围广，具有较低的天空背景噪声，望远镜角分辨率可以接近衍射极限，这些有利条件促使空间天文望远镜成为天文观测领域的研究热点。然而，由于空间天文望远镜是以航天器为平台，航天器的姿态变化、轨道进动、运动部件的轻微振动甚至航天员的走动都能对空间探测产生影响，甚至无法捕获观测目标。即便能够捕获观测目标，在成像探测器曝光时间内，航天器平台的随机振动造成的干扰将造成像点相对传感器的移动，致使图像模糊，严重影响空间天文望远镜的探测精度。为达到空间天文望远镜预期的探测精度，必须采取措施抑制平台振动等原因引起的图像模糊，达到稳像的目的。目前空间平台一般采用被动隔振并设计有优良扰动抑制能力的精跟踪系统来抑制平台的振动。对稳像的研究，主要有两个方面，一是对反馈补偿控制方法以及补偿机构的研究，另一个方面是对振动检测方法和仪器的研究。本课题以空间天文望远镜为背景，首先调研了国内外空间天文望远镜精密稳像系统发展现状。其次，分析了影响空间天文望远镜视轴稳定度的扰动来源，根据空间望远镜平台的振动功率谱，将空间天文望远镜的稳像系统分为：隔振系统、指向跟踪系统和精密稳像系统三个大部分，划分出各级稳像系统的带宽范围。然后，以精密稳像系统为课题研究重点，提出初步的技术指标并研究技术方案。围绕精密稳像系统三大组成部分：大口径快摆镜视轴补偿系统和精细导星模块以及精密控制算法进行研究，分析各子系统的软硬件架构及控制模式。设计并实验验证了适用于精细导星模块的改进型亚像素质心定位算法；完成包括DSP数字控制器、压电陶瓷驱动电源以及SGS微位移检测电路的大口径快摆镜视轴补偿系统电子学硬件设计和验证；设计并完成大口径快摆镜系统辨识实验，设计出高精度的精密稳像控制算法。本课题主要有3个创新点：在研究了国内外空间天文望远镜稳像技术案例和空间平台扰动源及其频谱范围和强度的基础上，提出了隔振系统、指向跟踪系统和精密稳像系统三级控制的空间望远镜稳像技术方案，主要针对属于望远镜核心技术之一的精密稳像控制系统进行了详细研究，为我国未来实现大口径、大视场、高像质观测的空间望远镜进入工程应用打下了实用基础。根据精密稳像控制系统总体方案，提出一种大口径（340mm×330mm）快摆镜系统辨识方法，通过分析快摆镜机构的一阶频和数学模型，设计出稳定的精密稳像系统内闭环和光闭环控制环路，使精密稳像系统的光闭环带宽实现了优于8Hz的预期设计指标。针对精密稳像控制系统中的精细导星检测环节，研究对比了各种亚像素质心细分算法，，设计出一种兼顾精度和效率的改进型亚像素质心细分算法，通过实验证明，该算法在星图信噪比为20，帧频为110fps的条件下，能够实现1/50pixels的亚像素质心细分精度，解决了精细导星模块要求高精度、高帧频的技术难题。针对精密稳像控制系统中的执行器补偿环节，设计了大口径快摆镜仿真验证系统，搭建出集DSP数字控制器、压电陶瓷驱动电源和SGS微位移检测技术于一体的大口径快摆镜驱动控制软硬件环境。该系统的PZT驱动电源5kHz以下纹波噪声小于0.12mV，电压分辨率0.5mV，性能比国内同类产品高一个数量级，为大口径快摆镜实现高精度驱动控制创造了有利条件。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海技术物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH751

【参考文献】