空间望远镜精密稳像控制关键技术概述

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1、空间望远镜精密稳像控制关键技术概述第一章引言1.1课题研究背景随着天文学和科学技术的发展，目前天文研究中最受关注的方向集中在以下几个方面：一是对宇宙早期星系的研究；二是大尺度宇宙结构的研究；三是太阳系外行星的搜寻；四是恒星形成机制的研究。为了实现上述研究，需要研制高分辨率、大视场、宽波段的天文望远镜。天文望远镜可用辐射、光谱、空间、时间等特性来描述。这些系统特性的具体内涵又可用一些基本的技术指标来描述。对天文望远镜研究的科学目标可以归结为5大类：灵敏度：天文望远镜对弱目标的探测能力可用系统灵敏度表示。系统灵敏度通常与探测过程伴随的噪声有关，

2、包括探测器噪声、外部的背景光子噪声，以及信息采集电路噪声[1,2]。探测器的噪声性能决定了系统灵敏度的极限，为了无限接近系统灵敏度极限，就要最大程度的减少背景光子噪声和信息采集电路噪声。角分辨率：是指天文望远镜的分辨能力。即能有差别的区分开相邻物体，或者一个物体相邻局部特征的能力。角分辨率理论上限与光学系统口径和焦距具有一定函数关系，即光学系统的衍射极限。事实上，大气的扰动限制了天文望远镜在地面上和空气中的角分辨率，因此地面天文望远镜的角分辨率受到观测条件限制。衍射极限只有在观测条件极好的地方或者空间天文望远镜上才能获得。波长覆盖范围：指天

3、文望远镜中部署的科学仪器的工作波长范围。光谱分辨率：描述的是区分光谱中相邻波长的能力，这主要取决于用来产生光谱的科学设备的类型和能力。瞬时分辨率：是天文望远镜的时间特性，指对记录的图像的读出率，主要依靠探测器设备和读取软件。.1.2空间天文望远镜国外发展历程及现状1946年，美国天体物理学家NymanSpitzer在论文《AstronomicalAdvantagesofanExtra-terrestrialObservatory》中首次提出，把天文望远镜建到太空去，避开大气的影响，提高望远镜的观测能力[25]。自此，NASA和ESA拟定了研

4、制空间天文望远镜的宏伟计划。1990年，―发现号航天飞机将哈勃空间天文望远镜成功送入近地轨道。哈勃空间天文望远镜（HST）的任务为长期空基观测，设计寿命为15年，经过6次维修和服务，寿命增长至2013年。哈勃空间天文望远镜主镜口径2.4m，次镜口径0.3m，焦距57.6m（折叠成6.4m），长13米，宽4.2米，重达11.11吨，是迄今为止最大的空间天文望远镜。哈勃的观测波段为0.11μm～1.1μm，覆盖了从紫外到近红外波段，角分辨率高达0.1arcsec，指向稳定度达0.007arcsec（10分钟），可以对距离大于100亿

5、光年的遥远天体目标进行观测[26]。为了回答―Ho，面积25m2，有效焦距131.4m，F数20，遮阳板长22米，宽12米，有效载荷质量6.5吨（包括四个有效载荷）。观测波段为0.06μm～27μm,衍射极限2.0μm，视轴稳定度高达0.0073arcsec[27]，具有7倍于哈勃望远镜的强大的聚光能力，将可能观测到宇宙最早形成的恒星和星系[28]。JPUS通信卫星上安装三个彼此正交的微加速计对平台颤振进行测量，结果显示其颤振频率主要集中在200Hz以下；从美国宇航局/戈达德航天中心提供的LANDSAT24实测颤振数据不难

6、看出，平台颤振频率从低频扩展到高频(约125Hz)且主要集中在0.1Hz～10Hz的低频区[39]；从国际空间站（ISS）的有限元模型得到的振动数据显示空间站的颤振主要存在于50Hz以下[40]，如图2-5所示。.第三章精密稳像控制系统及关键技术......293.1精密稳像控制系统软硬件架构.........293.2精密稳像控制系统控制模式......353.2.1开环控制.........353.2.2闭环控制.........363.3精密稳像控制系统技术参数分析.....373.4精密稳像系统关键技术.......40第四章精细导

7、星与亚像素质心细分算法.........414.1亚像素算法比较与选取.......414.2灰度质心定位算法窗口大小的选取........444.3亚像素质心细分算法误差分析和改善.....454.4改进型灰度质心定位算法..........544.5三角形灰度质心法.....57第五章大口径快摆镜补偿机构硬件设计.........595.1国内外FSM研究现状.........595.2FSM驱动方式........615.3FSM控制系统硬件电路设计......63第七章精密稳像系统关键技术验证7.1精密稳像试验验证系统精密稳像验证系

8、统主要由隔振平台、平行光管、星点模拟源、扰动模拟FSM、光学分光系统、CCD像质验证相机、精细导星仪、LAFSM等组件组成。星点模拟源、像质验证CCD相机和精细导星仪都放在平行光