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全日面矢量磁像仪稳像系统研究

2020-12-08阅读(448)

全日面矢量磁像仪稳像系统研究

论文摘要

全日面矢量磁像仪是ASO-S卫星的主载荷之一,将以高分辨率和高灵敏度测量太阳磁场,通过连续稳定的观测,研究太阳磁场的发生、发展、相互作用、以及作用的后果,从而深入研究耀斑和日冕物质抛射过程中的能量积累、触发、释放和传输机制,并为空间天气事件预报提供观测基础,为我国空间环境的安全提供保障。空间光学系统在进行天文观测时,彻底摆脱了大气影响,背景噪声的降低极大的提高了观测分辨率。然而,空间光学系统搭载在卫星平台,卫星的轨道进动、姿态调整以及星上各个运动部件的微振动等外界干扰,会造成空间光学系统光轴抖动,使观测对象相对探测器焦面产生像移,成像质量下降,影响观测精度。卫星平台的运动和微振动是影响空间光学系统分辨率的最大因素。全日面矢量磁像仪采用深积分观测模式,需要多幅图像进行叠加观测,在最长观测时间30s内需要保证图像稳定在0.25″内。我国在空间望远镜等空间天文观测设备的研究与国外相比还处于相对落后的情况,对空间光学系统的稳像技术研究还处于探索阶段。空间稳像技术集成了光、机、电、算等众多学科,系统复杂涉及很多关键技术难点。本论文以全日面矢量磁像仪（FMG）的稳像需求出发,对比参考国内外空间光学系统稳像方案,提出了一套基于边缘检测的偏差检测器、偏摆镜、稳像控制器组成的闭环系统,用于全日面矢量磁像仪的稳像工作。根据工程科学指标逐步推算稳像系统各个分系统的设计指标,并对稳像系统中的关键技术进行分析研究。本论文重点对光轴偏差检测器进行了理论数学建模和研制测试,在分析比较了传统偏差检测方法的基础上提出了基于边缘检测的偏差检测方法,相比于基于CCD或CMOS的相关计算算法和基于四象限探测器的检测方法,光电二极管结构简单,引入系统的误差来源较少,便于补偿矫正。并且在长期在轨工作时,抗辐照、静电和单粒子能力较强,适合空间的复杂工作环境。本论文分析了偏差检测器件在理想均匀入射光和实际太阳观测中的输出特性,完成了偏差检测器件的结构、软硬件设计。最后对稳像系统各个分系统进行了测试,并对整个稳像系统进行了闭环测试。经过测试,偏差检测器的分辨率可以达到0.05″,线性测量范围达到±50″;偏摆镜的分辨可以达到0.05″,行程达到4.5′;整个稳像系统的稳像精度达在水平轴达到0.2″/30s,垂直轴0.23″/30s;扰动抑制带宽在水平轴达到58Hz,竖直轴达到55Hz。测试结果符合设计指标,可以应用与全日面矢量磁像仪的实际科学观测。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 第1章 引言
  •   1.1 课题研究背景及意义
  •     1.1.1 空间太阳观测
  •     1.1.2 空间光学系统稳像需求
  •   1.2 国内外稳像技术的研究进展
  •     1.2.1 国外空间稳像技术研究进展
  •     1.2.2 国内空间稳像技术研究现状
  •   1.3 本论文的研究内容
  • 第2章 全日面矢量磁像仪稳像系统方案设计
  •   2.1 整体方案设计
  •   2.2 需求分析及指标要求
  •     2.2.1 扰动抑制带宽
  •     2.2.2 稳像精度
  •     2.2.3 主要元器件指标参数
  •   2.3 小结
  • 第3章 稳像系统偏差检测原理分析
  •   3.1 传统位置偏差检测原理
  •     3.1.1 基于CCD/CMOS的相关算法
  •     3.1.2 基于四象限探测器的检测原理
  •   3.2 基于边缘检测的偏差测量
  •   3.3 偏差检测器件性能分析
  •     3.3.1 均匀光入射时的的性能分析
  •     3.3.2 考虑临边昏暗的性能分析
  •   3.4 小结
  • 第4章 稳像系统偏差检测器研制
  •   4.1 结构设计
  •   4.2 电子学设计
  •     4.2.1 光电二极管选型及电子学参数计算
  •     4.2.2 前置放大电路设计
  •     4.2.3 A/D转换模块设计
  •     4.2.4 MCU模块设计
  •     4.2.5 电源及PCB设计
  •     4.2.6 软件设计
  •   4.3 非均匀误差补偿
  •   4.4 小结
  • 第5章 稳像系统偏摆镜补偿机构方案及跟踪控制
  •   5.1 偏摆镜的光线反射原理
  •   5.2 偏摆镜的驱动方式
  •   5.3 偏摆镜补偿机构方案
  •   5.4 偏摆镜补偿机构的跟踪控制
  •     5.4.1 偏摆镜补偿机构的系统模型结构
  •     5.4.2 偏摆镜补偿机构控制器
  •   5.5 小结
  • 第6章 稳像系统测试试验
  •   6.1 试验设备与试验环境
  •   6.2 偏差检测器验证试验
  •     6.2.1 试验系统组成
  •     6.2.2 试验步骤
  •     6.2.3 结果与分析
  •   6.3 偏摆镜验证试验
  •     6.3.1 试验系统组成
  •     6.3.2 试验步骤
  •     6.3.3 结果与分析
  •   6.4 稳像系统整体测试
  •     6.4.1 试验系统组成
  •     6.4.2 稳像精度测试
  •     6.4.3 扰动抑制带宽测试
  • 第7章 总结与展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 何嘉伟

    导师: 杨建峰

    关键词: 全日面矢量磁像仪,空间稳像,偏差检测,扰动抑制

    来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 天文学

    单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

    分类号: P111

    DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000037

    总页数: 76

    文件大小: 3339K

    下载量: 33

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