天文观测中快速倾斜镜控制系统的应用

　　引　言

　　在天文观测中,星体由于大气湍流及计算机引导星体的跟踪残差使得能量很不集中,从而影响了天文观测者对星体的精确有效观测,针对这个问题,配合21单元自适应光学系统,我们研制了一套快速倾斜反射镜控制系统。这套系统由于不但要跟踪亮星同时也要跟踪光子数只有1K左右的暗星,而成象探测器是通过把入射的光子数进行光积分,实现光电转换,因此这就限制了探测器的采样频率,同时又由于目标很弱,使得CCD成象探测器转换的信号的信噪比很低,所有这些因素都限制了系统的控制带宽和控制精度的提高。

　　1　系统结构

　　系统由CCD探测器、AT386/66计算机、高压放大器及由压电陶瓷驱动的快速倾斜反射镜组成。系统结构框图见图1。

　　由高压放大器输入信号,经快速倾斜反射镜、CCD探测器,计算机、D/A输出,用频谱分析仪测出这个开环回路的幅频和相频曲线如图2。

　　经曲线拟合可得系统的广义对象传递函数:

　　2　控制算法

　　该控制系统采用数字控制。控制算法用C语言编写。

　　在系统光路中,由于CCD探测光路与快速倾斜反射镜跟踪目标的光路之间成45°的夹角,为保证系统的跟踪精度,由CCD探测到的数据E′必须进行角度变化,将其换算到快速倾斜反射镜跟踪目标的光路上,得到数据E。光路转换如图3所示。

　　2.1　PI控制算法

　　该控制系统采用PI控制算法,这是因为它的噪声较大,而微分的引入会对噪声进行放大,使系统很不稳定,故未采用PID算法。

　　连续系统中的PI控制算法为

　　2.2　剔野值

　　在探测暗星时,光源噪声常常干扰到CCD的探测,使得探测数据中有大的野值出现,因而影响了跟踪精度。为了保证较高的跟踪精度,控制算法中加入了剔野值的算法。算法如下:

　　其中e[k]为误差信号;ε为设定的值;u[k]为输出量。因为在跟踪的过渡过程中,误差信号中很可能有大值出现,为了不影响跟踪的过渡过程,剔野值的算法在k≥n时有效,n为过渡过程完成时间t与采样周期T之比。

　　2.3　滤波算法

　　系统中,因噪声较大,所以系统中引入了滤波算法。滤波采用两点递归滤波方法,其公式如下:

　　在用系统观测不同的星等时,信噪比是不同的。在观测亮星时信噪比高,观测暗星时信噪比低。为提高信噪比,又不过度牺牲系统的带宽,系统在观测不同星等时,使用不同的a、b、c值,从而使滤波的深度各不相同。图4示出,在观测不同星等时,使用的不同参数的滤波频响曲线。图中实线为亮星的滤波曲线,虚线为中等亮星的滤波曲线,点划线为暗星的滤波曲线。星体越暗滤波深度越深。