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维普资讯 http://www.cqvip.com Ｖｏ１．５ Ｎｏ．３ 天文研究与技术（国家天文台台刊） 第５卷第３期 Ｓｐｅ．，２００８ ＡＳＴＲ０Ｎ０ＭＩＣＡＬ ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２００８年９月 ＣＮ ５３—１１８９／Ｐ ＩＳＳＮ １６７２—７６７３ １．２ｍ地平式望远镜视场旋转研究与消旋 鞠青华 ，熊耀恒 （１．中国科学院国家天文台云南天文台，云南昆明６５００１１；２．中国科学院研究生院，北京１０００４９） 摘要：简要地讨论了１．２ｍ地平式望远镜的运动特征，定量地给出物方视场旋转的公 式，并对像方视场旋转的量和方向给予确定。通过对三种消旋方式的比较得出物理消旋更适 合１．２ｍ地平式望远镜视场消旋的结论。 关键词：地平式望远镜；视场旋转；像场消旋 中图分类号：Ｐ１１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—７６７３（２００８）０３—０２５９—０５ 云南天文台１．２ｍ望远镜是地平式机架结构，方位轴转动范围０。～３６０。，高度轴转动范围０。～ ９０。，有效口径１１ １４ｍｍ，望远镜视场是３ ，指向精度±１ （ＲＭＳ）。由于１．２ｍ望远镜是地平式系统， 地平式的视场（指卡焦上）相当于地平经圈是固定的，而在做周日跟踪时，地平经圈相当于赤经圈 是在不断变化的，所以在跟踪过程中，会引起物像空间的旋转。即处在同一个视场中，所跟踪的星和 相距一定距离的其他参考星会围绕视轴中心旋转。另外，１．２ｍ望远镜成像系统由多块平面反射镜组 合而成，独特的折轴平面反射镜的安装位置，以及随望远镜系统运动时诸块反射镜之间相对变化的关 系会使望远镜的像方视场产生旋转。这样，在望远镜出瞳处的目标像的旋转，就是地平式装置引起的 物方视场旋转和折轴平面反射镜系统引起的像方视场旋转的叠加。因此，望远镜在跟踪目标时，在望 远镜出瞳处的目标像相对于真实情况发生了转动。即使目标的姿态没有发生任何变化，采集到的目标 图像也是随着望远镜的方位轴和高度轴的转动而旋转的。这就给实时目标识别和基于多帧积累的图像 处理算法带来了不便。分析图像旋转与望远镜的转动之间的关系，并采取何种措施解决此问题是本文 所涉及的重点内容 １ 地平式望远镜的运动特征 地平式望远镜在跟踪过程中各运动轴线与地球自转轴不平行，在定位和跟踪过程中要求方位轴和 ｓｉｎＡｓｉｎＺ＝ｃｏｓＳｓｉｎｔ， （１） 图１ 赤道坐标与地平坐标的关系 ｃｏｓＡｓｉｎＺ＝ｓｉｎｔｂｃｏｓＳｃｏｓｔ—ｃｏｓ￣ｂｓｉｎ８． Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕａｔｏｒｉａｌ 由（１）式求得方位角 和天顶距ｚ。 ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ａｎｄ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ 收稿日期：２００８—０１—０７；修定日期：２００８—０３—１４ 作者简介：鞠青华，女，硕士，研究方向：天体力学
维普资讯 http://www.cqvip.com 天文研究与技术（国家天文台台刊） ５卷 ’ （２） ｃｏｓＺ＝ｓｉｎ￣ｂｓｉｎ６＋ｃｏｓ６ｃｏｓ６ｃｏｓｔ． 由于（２）式中方位角和天顶距的这种复杂的函数关系，因此地平式望远镜在跟踪天体周Ｅｌ运动 时，方位轴和高度轴均应做非匀速运动，其运动速度公式为： 警…ｓ ｄＡ ｓｉｎ￣ｂｓｉｎＺ ｃｏｓＺｃｏｓＡｃｏｓ６ 、 ———— ——～ 其运动加速度公式为： … ｓＡ ＋ ） 一 ［ｓｉｎｚｃ０ｓｚｓｉｎ咖…ｓ ｓＡ（１…ｓ 驯 一 根据以上公式，由计算机求得相应的驱动跟踪信号，就可以通过驱动控制系统实现地平式望远镜 对天体目标的指向定位和自动跟踪。 ２ １．２ｍ地平式望远镜物方视场的旋转 假设 。、 ：为地平式望远镜视场中的两颗星，望远镜对准 。星进行跟踪，那么在跟踪过程中Ｌ 始终处于望远镜的视轴中心，由于星体的周Ｅｌ视运动，望远镜观测到的图像会以 。为中心旋转。 。、 ：在天球上的关系可由球面三角形给出。见图２中，ｚ为望远镜所在台站天顶，Ｐ为北天极，Ａ为方 位角，ｔ为时角，西为台站纬度，６为赤纬，ｑ为星位角。 Ｚ ｐ ｐ ９０ Ｚ ２ Ｌ２ 图２天文三角形 Ｆｉｇ．２ Ａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌ ｔｒｉａｎｇｌｅ 。、Ｌ：两点相对于天顶Ｚ的变化 ，可由ｑ的变化得出，根据Ｌ：在Ｌ。的上下左右不同位置 ， 有： ＝Ｐｌ±ｑ ＝ｑ～Ｐｌ （５） ＝２７ｒ—Ｐｌ一１ 因为位置角Ｐ。在天球运动中不变，所以 对时间求微分有 ｃｌ ＝±ｄ９ （６） 对于北半球，ｑ的变化率可由此时 点对应的望远镜的方位角、 天顶角以及台站的地理纬度得 出：
维普资讯 http://www.cqvip.com ３期 鞠青华等：１．２ｍ地平式望远镜视场旋转研究与消旋 ｄｑ ｃｏｓＡｃｏｓ￣ｂ 一ｄ ＝十一一 ｓｉｎＺ ＋『一９０。＜Ａ＜９０。 —ｌ ９０ｏ＜Ａ＜２７０。 门、 、，，、 根据云南天文台１．２ｍ地平式望远镜，台站纬度为２５。，起始方位为天球北点Ｎ，顺时针取值０。 ～３６０。，天顶角以天顶ｚ为起点，取值０。～９０。。 对于云南天文台１．２ｍ地平式望远镜观测星体而言，当 。方位角位于一９０。～９０。，则望远镜物方 视场随星体运动逆时针旋转；当 方位角位于９０。～２７０。，望远镜物方视场随星体运动顺时针旋转。 ３ １．２ｍ地平式望远镜像方视场的旋转 对于云南天文台１．２ｍ地平式望远镜，在跟踪星 体的过程中，随着方位角、天顶角的变化，望远镜自Ｍ１ 身的像方视场也存在旋转。图３为该望远镜光路图， 方位角变化时， 镜与 镜有一个相对变化；天顶 角变化时， 镜与 镜有一个相对变化。 为了分析星体经过望远镜系统所成像，随望远镜 运动的旋转关系 Ｊ，假定一束成右旋坐标关系的光 束，经过望远镜系统后，由图３可见 ｍ后光束仍成右 旋关系。当方位角增加时， 后光束由Ｙ到 旋转， 则Ｍｓ后光束由Ｙ到 旋转， ｏ后光束迎着望远镜的方 图３云南天文台１．２ 望远镜光路图 向看顺时针旋转。反之，当方位角减小时，Ｍ１ｏ后光束 Ｆｉｇ．３ Ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ ｏｆ １．２ｍ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ 迎着望远镜的方向看逆时针旋转；天顶角增大时，Ｍ３ ａｔ Ｙｕｎｎａｎ Ｏｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ 后光线由 到Ｙ旋转，则Ｍ４后光线由 到Ｙ旋转， ，。后光束迎着望远镜的方向看逆时针旋转。反 之， 。后光束迎着望远镜的方向看顺时针旋转。 Ｍｌ 图４ 光束经过１．２ｍ望远镜旋转特性分析 】 Ｆｉｇ．４ Ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｈｅｎ ａ ｂｅａｍ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｔｒａｎｓｍｉｔｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ １．２ｍ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ［ ４ １．２ｍ地平式望远镜的视场消旋 地平式望远镜为了获得稳定的、质量优良的星像，必须对视场旋转进行补偿。目前常用的消旋的 方法主要有三种：电子消旋、光学消旋、物理消旋 。无论采用何种消旋方式，它们所采用的消旋 指令角都是一样的，可按照一定的消旋标准由计算机实时计算。图５是消旋系统的原理图。
维普资讯 http://www.cqvip.com 天文研究与技术（国家天文台台刊） ５卷 图５ 图像消旋系统原理方框图 Ｆｉｇ．５ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ 电子消旋是通过处理实时采集来的图像视频信号，按要求的消旋角旋转处理后，控制监示器成 像来旋正图像；它的优点是快速，简洁，可靠。但也存在以下缺点：（１）增加图象处理时间；（２） 降低了一定量的图像精度；（３）有效显示的视场要比摄像头视场小，否则旋转时画面将出现空白； （４）由于监视器的分辨率有限，画面沿其中心转动时，会造成显示图像的局部扭曲，当高速转动时 住往会形成画面的闪烁，给观察造成不便。 光学消旋是在系统光路中，目标成像器件前，沿器件光轴方向装一个消旋棱镜，依靠消旋棱镜的 转动来产生目标光线的转动，从而形成图像的旋转。对于实际应用的地平式望远镜，可用一只道威棱 镜或者反射镜组来消旋 ７１。光学消旋原理见图６。消旋棱镜通常由力矩电机驱动，旋转变压器测角。 光学消旋通常用在成像器件质量较大的红外跟踪系统中。 目标入射光线 出射光线 消旋棱镜 成像器件 图６光学消旋原理 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｆｉｅｌｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ 通过旋转成像光路中的消旋棱镜来旋正图像，虽然这种光学消旋方法速度快，但光学消旋系统存 在加工困难，功耗大，角度分辨率低，系统体积大，以及图像信噪比降低等缺陷。 物理消旋则是直接控制电视成像器件（如ＣＣＤ）沿其轴线转动来旋正图像。这是因为ＣＣＤ成像 器件质量较小，容易形成较好的动态性能。通过对三种消旋方式的比较，物理消旋应用于１．２ｍ地平 式望远镜的视场消旋是最为快捷简单的，本文讨论和采用物理消旋方案。为了减轻消旋电机负载，可 把成像光学系统和ＣＣＤ成像芯片做成分体式的，使它们同轴安装，消旋时仅需要旋转ＣＣＤ成像芯片 即可。 消旋控制系统是一个角位置随动系统， ＣＣＤ芯片安装在台体上，沿其轴线可相对台体 转动。ＣＣＤ芯片由力矩电机驱动，转角由感应 同步器测量。基本框图见图７。 ５结论 本文通过分析１．２ｍ地平式望远镜存在视 图７ 图像消旋控制系统框架图 Ｆｉｇ，７ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｉｍａｇｅ 场旋转的原因，对物方视场和像方视场的旋转 ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ 进行了讨论。通过对三种消旋方式的比较得出： 物理消旋更适合１．２ｍ地平式望远镜视场消旋的结论，并简单介绍了消旋控制系统的构成。需要说明 的是：由于图像消旋是一个较为复杂的人机工程问题，消旋参考标准不可能完全统一，即使同一标准 时。在不同状态下的图像方向也不完全一致，所以图像消旋系统有待在进一步的实践和试验过程中不 断验证、修改和完善。 致谢：感谢伏红林老师在学习中给予的热情指导和帮助，对柳光乾、李祝莲、郭锐、周钰、常翔 等给予的帮助。在此一并表示感谢。
维普资讯 http://www.cqvip.com ３期 鞠青华等：１．２ｍ地平式望远镜视场旋转研究与消旋 ２６３ 参考文献： ［１］ 程景全．天文望远镜原理和设计［Ｍ］．北京：中国科学技术出版社，２００４． ９２～９５ ［２］ 马文章．球面天文学［Ｍ］．北京：北京师范大学出版社，１９９１．２６２～２６５． ［３］ 熊耀恒，冯和生．１．２米地平式望远镜视场的旋转［Ｊ］．云南天文台台刊， １９９１，（４）： ４０～４５． ［４］ 郭锐，李荣旺，熊耀恒．自适应光学应用于月球激光测距视场旋转对大气波前倾斜量提 取的影响［Ｊ］．天文研究与技术——国家天文台台刊，２００７，（３）：２３８～２４２． ［５］ 柳光乾．云台红外太阳望远镜驱动控制系统仿真［Ｄ］．２００４．７～８． ［６］ 高宏昌．机载电光跟踪系统图像消旋原理研究［Ｊ］．电光与控制，１９９５，，（３）：１４～２４． ［７］ 程景全，徐欣圻．地平式天文望远镜的有关问题［Ｊ］．天文学进展，１９８６，（４）：３２７～ ３３８． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｒｏｔａｔｉｏｎ ｏｆ １．２ｍ Ａｌｔ—Ａｚ Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ａｎｄ Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｍａｇｅ－・Ｒｏｔａｔｉｏｎ ＪＵ Ｑｉｎｇ—ｈｕａ ．ＸＩＯＮＧ Ｙａｏ—ｈｅｎｇ （１ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌ Ｏｂｓｅｒｖａｔｏｒｉｅｓ／Ｙｕｎｎａｎ Ｏｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５００１１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ １．２ｍ Ａｌｔ—Ａｚ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｉＳ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｂｒｉｅｆｌｙ．Ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｆｉｅｌｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｆｉｅｌｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｒｅｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｔｈａｔ ｔ 