本文關(guān)鍵詞： 空間望遠(yuǎn)鏡 精密穩(wěn)像 大口徑快擺鏡 精細(xì)導(dǎo)星儀 亞像素質(zhì)心算法 壓電陶瓷驅(qū)動電源 微位移檢測 系統(tǒng)辨識　出處：《中國科學(xué)院研究生院（上海技術(shù)物理研究所）》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著天文學(xué)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，需要研制高分辨率、大視場、寬波段的天文望遠(yuǎn)鏡。由于大氣擾動效應(yīng)、色散效應(yīng)、臭氧對紫外線的強烈吸收以及大氣背景噪聲的存在，地基天文望遠(yuǎn)鏡的觀測受到了一定限制�？臻g天文觀測可以徹底擺脫大氣的影響，觀測波長范圍廣，具有較低的天空背景噪聲，望遠(yuǎn)鏡角分辨率可以接近衍射極限，這些有利條件促使空間天文望遠(yuǎn)鏡成為天文觀測領(lǐng)域的研究熱點。然而，由于空間天文望遠(yuǎn)鏡是以航天器為平臺，航天器的姿態(tài)變化、軌道進動、運動部件的輕微振動甚至航天員的走動都能對空間探測產(chǎn)生影響，甚至無法捕獲觀測目標(biāo)。即便能夠捕獲觀測目標(biāo)，在成像探測器曝光時間內(nèi)，航天器平臺的隨機振動造成的干擾將造成像點相對傳感器的移動，致使圖像模糊，嚴(yán)重影響空間天文望遠(yuǎn)鏡的探測精度。為達(dá)到空間天文望遠(yuǎn)鏡預(yù)期的探測精度，必須采取措施抑制平臺振動等原因引起的圖像模糊，達(dá)到穩(wěn)像的目的。 目前空間平臺一般采用被動隔振并設(shè)計有優(yōu)良擾動抑制能力的精跟蹤系統(tǒng)來抑制平臺的振動。對穩(wěn)像的研究，主要有兩個方面，一是對反饋補償控制方法以及補償機構(gòu)的研究，另一個方面是對振動檢測方法和儀器的研究。 本課題以空間天文望遠(yuǎn)鏡為背景，首先調(diào)研了國內(nèi)外空間天文望遠(yuǎn)鏡精密穩(wěn)像系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀。其次，分析了影響空間天文望遠(yuǎn)鏡視軸穩(wěn)定度的擾動來源，根據(jù)空間望遠(yuǎn)鏡平臺的振動功率譜，將空間天文望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)像系統(tǒng)分為：隔振系統(tǒng)、指向跟蹤系統(tǒng)和精密穩(wěn)像系統(tǒng)三個大部分，劃分出各級穩(wěn)像系統(tǒng)的帶寬范圍。然后，以精密穩(wěn)像系統(tǒng)為課題研究重點，提出初步的技術(shù)指標(biāo)并研究技術(shù)方案。圍繞精密穩(wěn)像系統(tǒng)三大組成部分：大口徑快擺鏡視軸補償系統(tǒng)和精細(xì)導(dǎo)星模塊以及精密控制算法進行研究，分析各子系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)及控制模式。設(shè)計并實驗驗證了適用于精細(xì)導(dǎo)星模塊的改進型亞像素質(zhì)心定位算法；完成包括DSP數(shù)字控制器、壓電陶瓷驅(qū)動電源以及SGS微位移檢測電路的大口徑快擺鏡視軸補償系統(tǒng)電子學(xué)硬件設(shè)計和驗證；設(shè)計并完成大口徑快擺鏡系統(tǒng)辨識實驗，設(shè)計出高精度的精密穩(wěn)像控制算法。 本課題主要有3個創(chuàng)新點： 在研究了國內(nèi)外空間天文望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像技術(shù)案例和空間平臺擾動源及其頻譜范圍和強度的基礎(chǔ)上，提出了隔振系統(tǒng)、指向跟蹤系統(tǒng)和精密穩(wěn)像系統(tǒng)三級控制的空間望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像技術(shù)方案，主要針對屬于望遠(yuǎn)鏡核心技術(shù)之一的精密穩(wěn)像控制系統(tǒng)進行了詳細(xì)研究，為我國未來實現(xiàn)大口徑、大視場、高像質(zhì)觀測的空間望遠(yuǎn)鏡進入工程應(yīng)用打下了實用基礎(chǔ)。 根據(jù)精密穩(wěn)像控制系統(tǒng)總體方案，提出一種大口徑（340mm×330mm）快擺鏡系統(tǒng)辨識方法，通過分析快擺鏡機構(gòu)的一階頻和數(shù)學(xué)模型，設(shè)計出穩(wěn)定的精密穩(wěn)像系統(tǒng)內(nèi)閉環(huán)和光閉環(huán)控制環(huán)路，使精密穩(wěn)像系統(tǒng)的光閉環(huán)帶寬實現(xiàn)了優(yōu)于8Hz的預(yù)期設(shè)計指標(biāo)。 針對精密穩(wěn)像控制系統(tǒng)中的精細(xì)導(dǎo)星檢測環(huán)節(jié)，研究對比了各種亞像素質(zhì)心細(xì)分算法，，設(shè)計出一種兼顧精度和效率的改進型亞像素質(zhì)心細(xì)分算法，通過實驗證明，該算法在星圖信噪比為20，幀頻為110fps的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)1/50pixels的亞像素質(zhì)心細(xì)分精度，解決了精細(xì)導(dǎo)星模塊要求高精度、高幀頻的技術(shù)難題。 針對精密穩(wěn)像控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器補償環(huán)節(jié)，設(shè)計了大口徑快擺鏡仿真驗證系統(tǒng)，搭建出集DSP數(shù)字控制器、壓電陶瓷驅(qū)動電源和SGS微位移檢測技術(shù)于一體的大口徑快擺鏡驅(qū)動控制軟硬件環(huán)境。該系統(tǒng)的PZT驅(qū)動電源5kHz以下紋波噪聲小于0.12mV，電壓分辨率0.5mV，性能比國內(nèi)同類產(chǎn)品高一個數(shù)量級，為大口徑快擺鏡實現(xiàn)高精度驅(qū)動控制創(chuàng)造了有利條件。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（上海技術(shù)物理研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TH751

【參考文獻】

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本文編號：1481638