Меридіанний телескоп

1 Меридіанний телескоп, що містить зорову трубу з об'єктивом на одному КІНЦІ та ПЗЗмікрометр на основі ПЗЗ-матриці з віртуальною фазою та охолоджувача - на другому, засоби наведення візирної осі меридіанного телескопа в площині небесного меридіана, розділений круг схилень та засоби відліку з круга схилень, ДОПОМІЖНІ засоби для визначення інструментальних параметрів під час спостережень, засоби регулювання швидкості перенесення зарядів в площині ПЗЗ-матриці в залежності від схилення небесних світил, що спостерігаються, систему збору метеоданих, та має електронно-обчислювальну машину, з'єднану з ПЗЗ-мікрометром, засобами наведення візирної осі меридіанного телескопа в площині небесного меридіана, засобами відліку з круга схилень, допоміжними засобами для визначення інструментальних параметрів, засобами регулювання швидкості перенесення зарядів в площині ПЗЗ-матриці та системою збору метеоданих, який відрізняється тим, що в його оптичний тракт введено два колімаційні об'єктиви та призму Дове, причому оптичні осі колімаційних об'єктивів та поздовжню вісь призми Дове встановлено аксіально з оптичною віссю зорової труби, колімаційні об'єктиви розміщено так, що між ними утворено проміжок, в якому встановлено призму Дове, фокальну площину першого колімаційного об'єктива суміщено з фокальною площиною об'єктива зорової труби, а в фокальній площині другого колімаційного об'єктива розміщено ПЗЗматрицю ПЗЗ-мікрометра, центр якої суміщено з оптичною віссю зорової труби, колімаційні об'єктиви жорстко прикріплено до зорової труби, а призма Дове встановлена з можливістю обертання навколо оптичної осі зорової труби в жорстко прикріплених до зорової труби підшипниках та має ВІДПОВІДНИЙ привід, з'єднаний з електроннообчислювальною машиною 2 Меридіанний телескоп за п 1, який відрізняється тим, що кутова швидкість обертання призми Дове навколо оптичної осі зорової труби регулюється в залежності від схилення точки на небесному меридіані, в яку проектується візирна вісь меридіанного телескопа під час спостереження в режимі перенесення зарядів в площині ПЗЗ-матриці, а закон регулювання кутової швидкості с здійснюється у ВІДПОВІДНОСТІ з формуо лою Винахід належить до астрономічного приладобудування і може бути використаний в астрономи для високоточного та ефективного визначення координат небесних об'єктів Широко ВІДОМІ меридіанні телескопи, призначені для визначення координат небесних об'єктів [1] Серед них найбільш високу точність мають меридіанні круги [2 - 5] ВІДОМІ меридіанні телескопи містять зорову трубу з об'єктивом на одному КІНЦІ та фотоелектричний окулярний мікрометр на основі фотоелектричного помножувача (ФЕП) - на другому, засоби наведення візирної осі меридіанного телескопа в площині небесного меридіана, розділений круг схилень та засоби відліку з круга схилень, ДОПОМІЖНІ засоби для визначення інструментальних Ю со = (1/4)sin 5Q х к[рад /сек], де 5о - схилення точки на небесному меридіані, в яку проектується візирна вісь меридіанного телескопа під час спостереження в режимі перенесення зарядів в площині ПЗЗ-матриці, k - сталий коефіцієнт, числове значення якого дорівнює к = 2ті/(2х24х3600) ю CO 43597 параметрів під час спостережень, систему збору метеоданих, та мають електронно-обчислювальну машину (ЕОМ), з'єднану з фотоелектричним окулярним мікрометром, засобами наведення візирної осі меридіанного телескопа в площині небесного меридіана, засобами відліку з круга схилень, допоміжними засобами для визначення інструментальних параметрів та системою збору метеоданих Ці меридіанні телескопи дозволяють за спостереженням одної кульмінації, тобто одного проходження небесного об'єкта через небесний меридіан, визначити з вельми високою точністю обидві його екваторіальні координати Однак сучасним вимогам астрономії як точність, так і ефективність вищезгаданих меридіанних телескопів вже не задовольняють помогою ФЕП Головна з них полягає у відсутності необхідності використання рухомих модулюючих елементів та засобів їх позиціювання, що призводить до суттєвого підвищення точності Точність спостереження підвищується також за рахунок прецизійності метричних характеристик ПЗЗ-матриці, яка забезпечується сучасними технологіями виготовлення м світлочутливої напівпровідникової структури, та можливостей використання ефективних рекурсивних алгоритмів при знаходженні положення центроідів зображень небесних об'єктів в площині ПЗЗ-матриці під час обробки цифрових сигналів, отриманих на виході ПЗЗ-тракту під час спостережень Ефективність спостережень при цьому також суттєво підвищується за рахунок значного збільшення робочого поля зору меридіанного телескопа при використанні ПЗЗ-матриці замість ФЕП Недостатня точність цих телескопів обумовлена в першу чергу недостатньою точністю їх фотоелектричних мікрометрів, яка обмежена можливостями сучасної технології виготовлення основних вузлів такого мікрометра - модулюючого растру та механізму його позиціювання, а їх недостатня ефективність - використанням в фотоелектричних мікрометрах ФЕП та відповідної діафрагми, яка має зовсім невеликі кутові розміри (декілька кутових мінут) В меншій мірі вказані недоліки притаманні меридіанним телескопам [6,7], в яких в якості світлочутливих елементів їх окулярних мікрометрів використовуються прилади з зарядовим зв'язком (ПЗЗ) Найбільш близьким за технічною суттю до винаходу є меридіанний телескоп [8], що містить зорову трубу з об'єктивом на одному КІНЦІ та ПЗЗмікрометр на основі ПЗЗ-матриці з віртуальною фазою та охолоджувача - на другому, засоби наведення візирної осі меридіанного телескопа в площині небесного меридіана, розділений круг схилень та засоби відліку з круга схилень, ДОПОМІЖНІ засоби для визначення інструментальних параметрів під час спостережень, засоби регулювання швидкості перенесення зарядів в площині ПЗЗ-матриці в залежності від схилення небесних об'єктів, що спостерігаються, систему збору метеоданих, та має електронно-обчислювальну машину, з'єднану з ПЗЗ-мікрометром, засобами наведення візирної осі меридіанного телескопа в площині небесного меридіана, засобами відліку з круга схилень, допоміжними засобами для визначення інструментальних параметрів, засобами регулювання швидкості перенесення зарядів в площині ПЗЗматриці та системою збору метеоданих Однак таке конструктивне виконання відомого меридіанного телескопа має і суттєві недоліки Суть цих недоліків полягає у наступному При спостереженнях небесних об'єктів на відомому меридіанному телескопі в режимі "Scan mode" мають місце спотворення зображень об'єктів в площині ПЗЗ-матриці Ці спостворення полягають в наявності розтягування зображень по обох координатах внаслідок неспівпадання проекцій малих кіл небесної сфери, по яким рухаються небесні об'єкти, на площину ПЗЗ-матриці з прямолінійною траєкторією заряда при відслідковуванні руху зображень небесних об'єктів Цей ефект отримав назву "ПЗЗ-дисторсм" [6] Він має два негативні аспекти По-перше, "ПЗЗ-дисторсія" погіршує точність спостережень, причому вплив цього ефекту на точність по прямому сходженню і схиленню (екваторіальні координати об'єктів, що отримуються при спостереженнях) принципово ВІДМІННИЙ, тобто ВІДМІННИЙ закон розподілу яскравості в спотворенному зображенні по обох координатах По-друге, величина вищезгаданих спотворень залежить від координат зображень об'єктів в площині ПЗЗ-матриці та збільшується при зростанні схилення об'єктів, що призводить до неможливості проведення спостережень з прийнятною точністю при великих схиленнях небесних об'єктів Тому на відомих меридіанних телескопах такого типу [6-8], які є на сьогодні самими високоточними меридіанними телескопами, при спостереженнях в режимі "Scan mode" практично виключають з програм спостережень зони високих схилень, що знижує ефективність відомих меридіанних інструментів Використання в меридіанному телескопі ПЗЗмікрометра на основі ПЗЗ-матриці з віртуальною фазою та охолоджувача а також засобів регулювання швидкості перенесення зарядів в площині ПЗЗматриці в залежності від схилення небесних об'єктів, що спостерігаються, забезпечує можливість запровадити при меридіанних спостереженнях режим синхронного електронного відслідковування за рухом зображень небесних об'єктів в площині ПЗЗматриці, так званий режим Drift scan mode [6,7] (використовується і більш скорочена назва "Scan mode"), при нерухомому положенні як всього меридіанного телескопа, так і окремих його вузлів протягом всього часу експозиції небесних об'єктів Такий режим спостереження небесних об'єктів має декілька переваг перед режимом їх реєстрації за до В основу винаходу поставлено задачу забезпечити підвищення точності та ефективності визначення координат небесних об'єктів за допомогою меридіанного телескопа в режимі "Scan mode" шляхом суттєвого зменшення "ПЗЗ-дисторсм" Запропонований винахід забезпечує рішення поставленої задачі шляхом інструментального зменшення величини "ПЗЗ-дисторсм" З цією метою в оптичний тракт меридіанного телескопа, що містить зорову трубу з об'єктивом на одному КІНЦІ та ПЗЗ-мікрометр на основі ПЗЗматриці з віртуальною фазою та охолоджувача на другому, засоби наведення візирної осі меридіанного телескопа в площині небесного меридіана, розділений круг схилень та засоби відліку з круга схилень, ДОПОМІЖНІ засоби для визначення з ВІДПОВІДНОЮ діафрагмою 43597 інструментальних параметрів під час спостережень, засоби регулювання швидкості перенесення зарядів в площині ПЗЗ-матриці в залежності від схилення небесних свггил, що спостерігаються, систему збору метеоданих, та має електронно-обчислювальну машину, з'єднану з ПЗЗ-мікрометром, засобами наведення візирної осі меридіанного телескопа в площині небесного меридіана, засобами відліку з круга схилень, допоміжними засобами для визначення інструментальних параметрів, засобами регулювання швидкості перенесення зарядів в площині ПЗЗ-матриці та системою збору метеоданих, згідно винаходу, введено два колімаційні об'єктиви та призму Дове, причому, оптичні осі колімаційних об'єктивів та поздовжню вісь призми Дове встановлено аксіально з оптичною віссю зорової труби, колімаційні об'єктиви розміщено так, що між ними утворено проміжок, в якому встановлено призму Дове, фокальну площину першого колімаційного об'єктива суміщено з фокальною площиною об'єктива зорової труби, а в фокальній площині другого колімаційного об'єктива розміщено ПЗЗ-матрицю ПЗЗ-мікрометра, центр якої суміщено з оптичною віссю зорової труби, колімаційні об'єктиви жорстко прикріплено до зорової труби, а призма Дове встановлена з можливістю обертання навколо огтгичної осі зорової труби в жорстко прикріплених до зорової труби підшипниках та має ВІДПОВІДНИЙ привод, з'єднаний з електронно-обчислювальною машиною Найбільш оптимальним з точки зору забезпечення максимального зменшення "ПЗЗ-дисторсм" одночасно по обох координатах є такий режим управління обертанням призми Дове навколо оптичної осі зорової труби, коли її кутова швидкість регулюється в залежності від схилення точки на небесному меридіані, в яку проектується візирна вісь меридіанного телескопа під час спостереження в режимі перенесення зарядів в площині ПЗЗматриці, а закон регулювання кутової швидкості с о здійснюється у ВІДПОВІДНОСТІ з формулою со = (1/4)sin 5Q х к[рад /сек], де 5о - схилення точки на небесному меридіані, в яку проектується візирна вісь меридіанного телескопа під час спостереження в режимі перенесення зарядів в площині ПЗЗ-матриці, k - сталий коефіцієнт, числове значення якого дорівнює к = 2ті/(2х24х3600) Така конструкція меридіанного телескопа дозволяє значно зменшити величину спотворень зображень небесних об'єктів, які отримуються в площині ПЗЗ-матриці під час спостережень в режимі "Scan mode", у всьому діапазоні схилень і ВІДПОВІДНО забезпечити як суттєве підвищення точності, так і ефективності визначення їх координат З метою математичного обгрунтування можливостей отримання нових технічних властивостей винаходу звернемось до фіг 1, де схематично зображені необхідні для обгрунтування кути та вектори, що характеризують взаємне розташування елементів меридіанного телескопа та основних напрямків на небесній сфері під час спостережень в режимі "Scan mode" Нехай О - центр небесної сфери і ВІДПОВІДНО центр топоцентричної горизонтальної астрономічної системи координат {х, у, z}, ВІСІ Ох, Оу та Oz якої спрямовані ВІДПОВІДНО В ТОЧ КИ заходу W, півдня S та зеніту'%Тобто хОу - площина горизонту, в якій лежать точки W, S та N точка ПІВНОЧІ і Е - точка сходу, xOz - площина першого вертикалу, a yOz - площина небесного меридіана, що проходить через точки N, О, S, % та Р (точка на небесній сфері, в яку направлена полярна вісь ОР) Зауважимо, що полярна вісь утворює з площиною горизонту кут ф, який дорівнює географічній широті місця спостереження Нехай також візирна вісь О'О" меридіанного телескопа лежить в горизонтальній площині та зорієнтована в напрямку "схід - захід", тобто в площині першого вертикалу, де О" - центр об'єктива зорової труби, О' центр фокальної площини об'єктива зорової труби, суміщений з початком системи координат {хпзз, Упзз, Znaa} ПЗЗ - матриці, відрізок О'О" дорівнює фокальній відстані f об'єктива зорової труби Припустимо також, що як і в випадку [8] засоби наведення візирної осі меридіанного телескопа в площині небесного меридіана реалізуються можливістю обертання зорової труби навколо її візирної осі та наявністю розташованого перед об'єктивом телескопа жорстко скріпленого з зоровою трубою дзеркального блока, відбиваюча поверхня якого розміщена під кутом 45° до візирної осі зорової труби телескопа Орієнтацію нормалі до відбиваючої поверхні будемо позначати ортом N За номінальне положення зорової труби виберемо таке, коли внаслідок її обертання навколо візирної осі система координат ПЗЗ-матриці займе положення, позначене на фіг 1 як {х0ПЗз, Уопзз, Zoma} В І Д П О В І Д Н Є НОМІНаЛЬНе ПОЛОЖЄННЯ N о (на фіг 1 не показане) орта N буде записуватись в системі координат {х, у, z} як No = (-1, 0, (1) Тобто при номінальному положенні зорової труби фактична візирна вісь меридіанного телескопа буде направлена в зеніт Спочатку отримаємо формули, які дають можливість проаналізувати величину та характер спотворень зображень небесних об'єктів для меридіанного телескопа [8], а потім математично обгрунтуємо можливість суттєвого зменшення "ПЗЗдисторсм" за рахунок нових технічних можливостей винаходу Нехай візирна вісь меридіанного телескопа спрямована в точку Со, що має схилення 50 та лежить в площині меридіану Нехай також в полі зору інструмента фіксується зображення небесного об'єкта С, який має схилення 5 = 50 + А5 та годинний кут t Кути Д5 та t - малі, для них виконується умова |Д5|, |t cos 50| COS/ (4) = О sin/ sin