Активная, Адаптивная Оптика и автогидирование

[Александр Л.]

              Одно соображение по поводу стандартного интерфейса автогида (реле параллельно кнопкам пульта) . Поскольку в микропроцессорном пульте телескопа скорость ввода кодов клавиш вряд ли превышает 10 кодов в секунду, то частота работы генератора ШИМ должна быть много ниже, например 1 -  0.5 Гц. , что ограничивает возможность контролирования высокочастотных ошибок монтировки. Вывод – подобный интерфейс мало пригоден для применения с инженерной точки зрения.

[lorka]

Хочу обьяснить свою дотошность по поводу точности фотогида: гид, который я собираюсь строить, будет работать с "кассегреном" D=400мм, f=4000мм. Естественно, меня интересует проблема обеспечения достаточной точности фотогида. Сомнения возникли потому, что, на мой взгляд, искусственное увеличение диаметра ведущей звезды расфокусировкой приведет к снижению точности и чувствительности гида.

Цитата Pluto:

Это НЕ приводит к снижению чувствительности и точности (если расфокусировка в разумных пределах). Рабочая область фотокатода достаточно велика (2-3см), поэтому весь свет от звезды, даже сильно расфокусированной, попадает на него (в отличии от ПЗС, где расфокусировка действительно снижает чувствительность).
Точность тоже не уменьшается...

Pluto, ухудшение характеристик гида вызвано не тем, что при расфокусировке часть звезды может не попасть в фотоприемник, а совсем другой причиной. Здесь порочен не фотогид, а сам принцип увеличения диаметра звезды (даже если весь свет от звезды падает в фотоприемник).

Попробую пояснить:
Взгляните на вложенный рисунок. Пусть точно сфокусированная звезда имеет диаметр 5 сек. (рис. "A"). Теперь при смещении звезды влево (на рисунке) на 1 сек. откроется заштрихованная область звезды. Изменение светового потока от звезды приведет к появлению сигнала коррекции.
Теперь мы увеличили расфокусировкой диаметр звезды в 2 раза - до 10 сек. (рис. "B"). В этом случае при смещении звезды влево на те же 1 сек., изменение светового потока от звезды будет слабее. А именно таким, как если бы точно сфокусированная звезда сместилась бы не на 1 сек., а только на 0,5 сек. (рис. "C"). Естественно, чем сигнал слабее, тем сложнее его уловить. Именно по этому я утверждаю, что увеличение диаметра ведущей звезды расфокусировкой приведет к снижению точности и чувствительности гида (даже если весь поток от звезды падает в фотоприемник).
Если мы увеличим диаметр звезды с 5 сек. до 5 угловых минут, изменение светового потока от звезды при смещении на 1 сек. будет столь незначительным, что гид может его попросту и не заметить.
Теоретически если диаметр звезды стремится к бесконечности, чувствительность и точность фотогида стремится к нулю. Причем, это совершенно не зависит от схемы и типа фотогида (пусть это будет ПЗС, схема "Бахтинова-Пустыгина", схема "пирамида+4 фотодатчика" или схема с вращающимся ножом и одним фотодатчиком).
Однако, необходимость в расфокусировке есть. В связи с этим у меня и возникает вполне законный вопрос:
Как рассчитывать предельно допустимую расфокусировку, если точность, требующаяся от фотогида, нам задана (диктуется характеристиками астрографа).

Возможно, я сгущаю краски, и все это не так существенно влияет на характеристики фотогида. Но как то терзают смутные сомнения.

Очень хотелось бы услышать по этому поводу мнение П. Бахтинова.

[Pluto]

>>Pluto, ухудшение характеристик гида вызвано не тем, что при расфокусировке часть звезды может не попасть в фотоприемник, а совсем другой причиной....

Вы спрашивали про изменение ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ и ТОЧНОСТИ. Чувствительность не будет снижаться до тех пор пока пучок от звезды не срезается диафрагмой и целиком попадает на фотоприемник. Под чувствительностью я понимаю предельную яркость звезды, по которой еще можно осуществлять автоматическое гидирование.

Теперь по точности:
То, что Вы объясняли с помощью рисунка есть коэффициент усиления в контуре автогида, т.е. отношение изменения скорости автогида к смещению звезды в фокальной плоскости (cовершенно очевидно, что коэффициент усиления будет зависеть от диаметра изображения звезды в фокальной плоскости).
Его величина действительно влияет на точность слежения. Если усиление слишком велико, то привод будет склонен к возникновению колебаний (неустойчивый режим), естественно точность при этом ухудшается. Если  усиление  мало, то внешние возмущения (атмосферные флуктуации, изменение трения, ветровые нагрузки) будут также вызывать значительные ошибки слежения.
Аналитический расчет оптимального значения сделать довольно затруднительно из-за неопределенности некоторых параметров контура (моменты инерции монтировки, трение в подшипниках и червяке и т.п.) и его нелинейности. Для этого я строил математическую компьютерную модель привода на которой КАЧЕСТВЕННО оценивал влияние разных параметров.
На практике, гораздо легче будет определить требуемый коэффициент усиления (и расфокусировку) на основе испытаний готовой схемы. Вообще, необходимость рафокусировки и ее величина будет зависеть от конкретной реализации контура управления.

Для уменьшения внешних возмущений, целесообразно ввести в контур интеграл (как это сделано у Павла). В этом случае,  даже при расфокусированной звезде, коэффициент усиления в контуре на низких частотах будет стремиться к бесконечности. Такое решение позволяет свести к минимуму ошибки от медленно меняющихся возмущений. Однако, полностью избавится от влияния возмущающих факторов, не удастся НИКОГДА.

Все это является предметом изучения одной известной и полезной науки – теории автоматического регулирования.

P.S. На мой взгляд, никаких принципиальных трудностей для обеспечения требуемой точности автогида  в вашем случае возникнуть не должно.

[Денис Никитин]

Все это является предметом изучения одной известной и полезной науки – теории автоматического регулирования.

Посоветуйте литературу, пожалуйста! Названия учебников, авторы и т.д Есть ли в сети. Если не трудно конечно.

[lorka]

Pluto, причина наших разногласий становится понятной. Собственно, разногласий нет никаких. Просто мы под ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ подразумеваем разные вещи. Я рассуждаю так: задача автогида – обнаруживать смещение звезды от центра и подавать соответствующий сигнал на привод. Следовательно, ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ – это минимальное смещение ведущей звезды от центра, которое автогид в состоянии обнаружить. Согласитесь, в этом есть логика.
Если же под чувствительностью понимать ваше определение, совершенно очевидно, что увеличение диаметра звезды никак не повлияет на нее (пока не срезается диафрагмой).

Ну в общем я нашел ответы на свои вопросы (собственно, они были не столько технического сколько общетеоретического плана). Спасибо.

P.S.
Цитата Pluto:

Такое решение позволяет свести к минимуму ошибки от медленно меняющихся возмущений. Однако, полностью избавится от влияния возмущающих факторов, не удастся НИКОГДА.

Pluto, а можно вкратце перечислить эти факторы?

И еще, а есть какие нибудь наработки (хотя бы, соображения) по поводу автоматического гидирования по оси склонений?

[Pluto]

>>Следовательно, ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ – это минимальное смещение ведущей звезды от центра, которое автогид в состоянии обнаружить. Согласитесь, в этом есть логика.

Логика есть, но правильнее применять термин ТОЧНОСТЬ.

>>Pluto, а можно вкратце перечислить эти факторы?

Собственно я уже их упоминал. Это атмосферное дрожание и мерцание (турбулентность), погрешность изготовления редуктора и червячной пары, нестабильность параметров двигателя от времени и температуры, нестабильность питающего напряжения, ветровые возмущения, несбалансированность астрографа и т.д. и т.п.

2Teleglassmaker:
Литературы на эту тему много, только написана она очень тяжелым языком. Начинающему трудно что то посоветовать. Ну, пожалуй, классиков – Бисекерский,Попов “Теория автоматического регулирования” (кажется так она называется).

[Pluto]

>>И еще, а есть какие нибудь наработки (хотя бы, соображения) по поводу автоматического гидирования по оси склонений?

 Я исходил из того, что ручное гидирование, даже с помощью пульта вещь скучная и утомительная (и не всегда дает нужную точность). Применение автогида на часовой оси дает ОЧЕНЬ существенный выигрыш в точности и комфорте.
Автоматика на оси склонений такого очевидного выигрыша не дает, тем более что астрограф не автоматический. Все равно фокусировка, наведение на объект, смена кадра происходит вручную. Нет никакой проблемы в том, чтобы раз в 15-20мин визуально контролировать ошибку по склонению. Для небольшого, любительского астрографа нет особой необходимости в такой автоматизации нет (если сама автоматизация не самоцель).

[Павел Бахтинов]

К сожалению, в последние дни у меня не было возможности поучаствовать в дискуссии... Попробую ответить на заданные ранее вопросы.

Некоторые особенности фотоэлектрических гидов вынуждают нас искусственно увеличивать диаметр изображения ведущей звезды...

Я-то как раз не предпринимал никаких действий для искусственного увеличения размера изображения звезды (если не считать таким действием использование небольшого и не очень качественного объектива от 50-мм зрительной трубы ). Дело в том, что в схеме Бориса расфокусировка служит для обеспечения устойчивости (предотвращения паразитных автоколебаний в контуре регулирования), т.к. при использованной им простейшей схеме регулятора других средств для регулировки петлевого усиления просто нет (как нет и иных средств борьбы с возбуждением, кроме снижения петлевого усиления). В моей схеме применен несколько более сложный регулятор (пропорционально-интегральный), что позволило решить проблемы с устойчивостью, не прибегая к расфокусировке.
Конечно, это не значит, что размер звездного изображения в подобных схемах может быть сколь угодно малым, после определенного предела трудности с устойчивостью могут возникнуть даже при самой оптимальной частотной коррекции регулятора. Этот предел зависит и от других параметров, в частности, от диапазона требуемых при гидировании скоростей коррекции (качественная механика облегчает задачу!). В общей форме я этот вопрос не исследовал, но у меня есть просчитанный с точки зрения устойчивости вариант регулятора (с немного другим типом частотной характеристики), работоспособный при диаметре звездного изображения около 1" и диапазоне скоростей гидирования +-30%.

...Однако это приводит к снижению точности гидирования и чувствительности гида (причем в одинаковой степени как в схеме Бахтинова-Пустыгина так и в схеме со светоделительной пирамидой).

А вот и нет! Если в схеме с пирамидой и двумя фотоприемниками на ось (как и в других дифференциальных схемах) размер звездного изображения влияет на работу гида только косвенно (через ту же устойчивость, или, например, отношение сигнал/шум), а статическая ошибка гидирования может быть намного меньше пятна рассеяния, то в схеме с односторонней заслонкой (как у нас с Pluto) это не совсем так. При некоторых видах довольно распространенных на практике помех, таких как ослабление света звезды дымкой, легкими полупрозрачными облаками, и т.п. в такой схеме возникает статическая ошибка, тем большая, чем больше расфокусирована звезда.

Необходимость гидирования по оси склонений вызвано только неточной установкой полярной оси, или есть еще какие то причины, о которых я не знаю? Если есть, то какую долю от общего "ухода" звезды от центра креста нитей они могут дать (при точности установки полярной оси "обычной" в любительской практике)?

Не знаю, что можно считать "обычной" точностью... Я ставлю ось довольно точно, и атмосферная рефракция начинает оказывать преобладающее воздействие уже начиная с зенитных расстояний градусов в 50. Другие факторы - прогибы монтировки, у некоторых монтировок даже периодика часовой червячной пары "продавливается" на склонение (через неравномерное усилие прижима червяка и деформацию полярной оси).
Как я понимаю, вопрос был задан с прицелом на то, можно ли вообще не гидировать по склонению? На монтировке любительского класса и при высоких требованиях к точности - вряд ли. Хотя, в случае стационарной монтировки, можно подумать о построении ее модели ошибок и программной компенсации ухода по склонению - может, что и получится...

[Павел Бахтинов]

Быстрее всего, на таком мониторе все звезды будут иметь одинаковый размер (при нормальном объективе) и одинаковую яркость.
...
отождествление данного куска как и выбор звезды для гидирования вызовет определенные трудности...

А почему одинаковый размер? Светорассеяние, вроде, никто не отменял... Конечно, если выбрать индикатор слишком низкого разрешения, тогда да. И потом, зачем отождествлять звезду для гидирования? ИМХО, достаточно убедиться в ее наличии на экране (т.е. в достаточном блеске, раз сигнал от нее выше порога) и загнать в рабочую область, где автомат сам ее захватит.

Одно соображение по поводу стандартного интерфейса автогида (реле параллельно кнопкам пульта) . Поскольку в микропроцессорном пульте телескопа скорость ввода кодов клавиш вряд ли превышает 10 кодов в секунду, то частота работы генератора ШИМ должна быть много ниже, например 1 -  0.5 Гц. , что ограничивает возможность контролирования высокочастотных ошибок монтировки. Вывод – подобный интерфейс мало пригоден для применения с инженерной точки зрения.

Ну, если пульт не пропускает сигналы коротких нажатий на клавиши, то он и для ручного гидирования мало пригоден (особенно, если еще и скорость коррекции довольно высокая), а не только для автогида.
В принципе, я имел в виду импульсы "нажатий" со стороны автогида не короче 0,1-0,2 сек (т.е. ориентировался на длительности, встречающиеся при нажатии на кнопки рукой), подразумевая, что медленные скорости будут реализованы путем увеличения периода следования импульсов. Можно предусмотреть настройку минимальной длительности "нажатия" под конкретную монтировку (при наличии в схеме микроконтроллера - даже и автоматическую), тогда на "хорошей" монтировке система будет работать оптимальным образом, на "плохой" - тоже будет, хотя и похуже - но это уже проблема монтировки...
Кстати не у всех монтировок автогид подключается в буквальном смысле параллельно кнопкам, у многих есть для этого отдельный вход.

[lorka]

Цитата П. Бахтинова:

...в схеме с односторонней заслонкой (как у нас с Pluto) ... при некоторых видах довольно распространенных на практике помех, таких как ослабление света звезды дымкой, легкими полупрозрачными облаками, и т.п. в схеме возникает статическая ошибка, тем большая, чем больше расфокусирована звезда.

Да. Собственно я на это и намекал, когда говорил, что в вашей с Pluto схеме если возникшая дымка ослабит блеск звезды, то автогид воспримет это как смещение звезды за заслонку и ошибочно выдаст сигнал коррекции, хотя звезда в это время оставалась в центре креста нитей (и обратный эффект если дымка рассеялась). Причем, действительно, ошибка тем большая, чем больше расфокусирована звезда.
В схеме же "пирамида+2 датчика на одну координату" изменение блеска звезды за счет дымки одинаково на обоих датчиках, и операционный усилитель автоматически их вычитает.

Насколько я понимаю, если мы увеличиваем линейный диаметр звезды за счет увеличения фокусного расстояния гида (при этом звезда точно сфокусирована), этого не происходит.

Цитата П. Бахтинова:

Как я понимаю, вопрос был задан с прицелом на то, можно ли вообще не гидировать по склонению?

К сожалению  , какраз наоборот.
Вообще, все начиналось как у людей. Думал: "построю гид по схеме Бахтинова-Pluto и все дела". Для небольшого, любительского астрографа нет особой необходимости в большей автоматизации. Но постепенно начали "грызть" сомнения: "А можно считать небольшим, любительским астрографом "Кассегрен" D=400мм, f=4000мм (гид строится для такого монстра)?" По этому и решил поспрошать у людей.

[Pluto]

>> Насколько я понимаю, если мы увеличиваем линейный диаметр звезды за счет увеличения фокусного расстояния гида (при этом звезда точно сфокусирована), этого не происходит.

Для схемы с перегородкой и одним ФЭУ это будет происходить ВСЕГДА. Звезда в фокальной плоскости  имеет конечный размер, и не важно, чем он обусловлен – расфокусировкой, аберрациями или чистой дифракцией (естественно, в последнем случае размер звезды наименьший).
Т.е. изменения яркости звезды (или, например, колебания питания ФЭУ!) всегда будут приводить к смещению звезды относительно ножа.  Вопрос состоит лишь в том, чтобы эти смещения были меньше допустимой для астрографа погрешности гидирования, и какие затенения звезды допустимы. При большом затенении гид потеряет звезду, и никакая схема уже не спасет.

>> Вообще, все начиналось как у людей. Думал: "построю гид по схеме Бахтинова-Pluto и все дела"…

А в чем проблема? Попробуйте сначала простую схему, если не устроит, можно будет усложнять.  В любом случае, такая простая схема лучше чем ручное гидирование или устройства с коррекцией периодической ошибки.
Кстати, что за астрограф? Это любительский или профессиональный инструмент?

[Anton]

Вообще, все начиналось как у людей...

Не усложняйте себе жизнь! Для того, чтобы почувствовать грань, за которой начинается перфекционизм нужно начинать таки с чего то простого. Дабы получить опыт в дисциплине автогидирования, для начала, сделайте хотя бы простейший автогид из вебкамеры. Материальных затрат практически ноль, 3-4 секундный результат получается достаточно легко, ну а там видно будет. Опыт даст ответы на многие вопросы.

[lorka]

Цитата Pluto:

>> Насколько я понимаю, если мы увеличиваем линейный диаметр звезды за счет увеличения фокусного расстояния гида (при этом звезда точно сфокусирована), этого не происходит.

Для схемы с перегородкой и одним ФЭУ это будет происходить ВСЕГДА. Звезда в фокальной плоскости  имеет конечный размер, и не важно, чем он обусловлен – расфокусировкой, аберрациями или чистой дифракцией (естественно, в последнем случае размер звезды наименьший).

Pluto, вы меня неправильно поняли. Я хотел сказать, что с увеличением фокусного расстояния гида линейный диаметр звезды будет расти. Но это не будет приводить к росту погрешности, как это происходит при расфокусировке. Т.е. погрешности, конечно, будут, но они не будут возрастать при росте фокусного расстояния. В случае же расфокусировки погрешности не только есть, но они еще и возрастают с увеличением диаметра изображения звезды за счет расфокусировки.
Я не говорил, что погрешностей нет, я говорил, что погрешности не растут с ростом f гида (если звезда все время точно сфокусирована).

Не усложняйте себе жизнь! Для того, чтобы почувствовать грань, за которой начинается перфекционизм нужно начинать таки с чего то простого.

А в чем проблема? Попробуйте сначала простую схему, если не устроит, можно будет усложнять.

Да собственно уже и нет никаких проблем. За две недели дискуссии в форуме я уже точно представляю себе что я буду делать. Нопротив, это значительно упростило "мою жизнь". Думаю, если бы я шел по пути "Начни с простого..." (проще говоря "методом тыка"), эти две недели растянулись бы на многие месяцы. Наверняка определенная доля "тыка" будет и теперь, но теперь это частности. И никакого перфекционизма нет. Нет проблемы "Начать...". Просто, хотелось начать, выяснив у знающих людей некоторые нюансы.
Выяснил  .
Согласитесь, это разумнее чем сразу же хвататься за паяльник.

Цитата Anton:

...сделайте хотя бы простейший автогид из вебкамеры. Материальных затрат практически ноль, 3-4 секундный результат получается достаточно легко...

Судя по этой дискусии автогид из вебкамеры - не такая уж простая штука. Если вы знаете как "достаточно легко получить 3-4 секундный результат", расскажите нам.

[Anton]

Судя по этой дискусии автогид из вебкамеры - не такая уж простая штука. Если вы знаете как "достаточно легко получить 3-4 секундный результат", расскажите нам.

Рецепт опробованный лично:

1 вебкамера, любая.
1 Программа AstroVideo - keygen по вкусу, но 30 дней работает и без него.
4 резистора 10 ком
4 любых mosfet транзистора (вариантов миллион - непринципиально)
4 реле
Провода разьемы и прочая мелочь до полной готовности. Блок реле подключается к LPT порту и параллельно кнопкам пульта монтировки. Если пульт монтировки имеет входы для автогида - это намного лучше и проще.

Протестировано этой весной по Веге. В качестве гида использовался объектив Рубинар-500 с 2х барлоу. Те F=1000. Для измерения ошибки ведения использовался мак 7" с экв фокусом то ли 5 то ли 7 метров, не помню уже точно, но для гарантированной точности измерения - более чем достаточно.  Измеренная ошибка на интервалах порядка 20 минут получилась на уровне 4-5 секунд и была обусловлена заметной ВЧ периодикой монтировки (+-2 сек), с которой автогид справиться был не в состоянии.

Основная трудность была в подборе min/max длительностей импульсов в программе и скорости коррекции (0,3-0,5) в контроллере монтировки. В то время мой контроллер еще не имел компенсации люфтов, поэтому по склонению ничего не гидировалось. Попытки полноценно гидировать по склонению давали осцилляции, помогало ограничение длительности управляющих импульсов и работа только в одну сторону. Вообщем результат положительный.

[Pluto]

>>Я хотел сказать, что с увеличением фокусного расстояния гида линейный диаметр звезды будет расти. Но это не будет приводить к росту погрешности, как это происходит при расфокусировке. …

Да, я понял, Вы имели ввиду угловые погрешности, т.е рост линейных погрешностей не будет приводить к росту угловых, за счет большего фокусного расстояния.

2Anton:
Вы забыли включить в свой список компьютер.

[lorka]

Это конечно замечательно!
Но, Anton, вся фишка в том, что одним из главных условий является отказ от компьютера. Т.е. речь идет о простом, компактном, полностью автономном и потребляющем очень мало энергии автогиде. Об этом здесь говорили и другие. Вот цитата П. Бахтинова:

Все это так, но ведь прототип конструкции на ПЗС так пока никем и не опубликован... Понятно, речь именно об автономной (безкомпьютерной) схеме. Что касается варианта с использованием компьютера, то гидирование веб-камерой, сейчас уже, можно сказать, рутина...

Мой гид строится для работы в горах (Приэльбрусье), где нет розетки в 220 вольт. Как здесь быть?

[lorka]

Пока я набивал текст, подключился Pluto. Привет .

Как видите, Anton, и его смущает компьютер.

Да, я понял, Вы имели ввиду угловые погрешности, т.е рост линейных погрешностей не будет приводить к росту угловых, за счет большего фокусного расстояния.

Да, Pluto, мы просто недопоняли друг друга. Случается  .

[Arkady Vodyanik]

Читаю, читаю. И почти нечего сказать, но очень хочется

Что за суперзадачи: 400mm при f/10 и нет розетки 220V
Хотя бы и на Кавказе. В самом деле, получается регулирование ради регулирования. Кстати, тем кто собирается ТАР  изучать всерьез: главное, не спешите вникать в операционное исчисление, критерии Найквиста и Гурвица. Вы будете приятно удивлены тем, что настоящие результаты в этой области получаются хорошо вам знакомым численным моделированием.

Но это я отвлекся. Просто приведу слова одного товарища с Запада: "зачем тебе это гидирование? купи хорошую монтировку и забудь про гидирование "

P.S. Так если не секрет, для чего все-таки 400mm  f/10
Планеты снимать? Так там гид точно не нужен.

[Pluto]

>>Вы будете приятно удивлены тем, что настоящие результаты в этой области получаются хорошо вам знакомым численным моделированием.

Математическое моделирование, конечно, мощный инструмент, но без знания основ теории ТАР это может превратится в слепой перебор вариантов.

>> Просто приведу слова одного товарища с Запада: "зачем тебе это гидирование? купи хорошую монтировку и забудь про гидирование

Мы, увы, не на западе. Кроме того, даже очень хорошая монтировка не отменяет гидирование.

А вот какие задачи стоят перед заявленным астрографом, мне тоже интересно.

[lorka]

Просто приведу слова одного товарища с Запада: "зачем тебе это гидирование? купи хорошую монтировку и забудь про гидирование"

Ну так блин, если бы нам платили столько денег, сколько получает твой товарищ на Западе, купил бы  .
А зачем вообще телескоп нужен. Купи красивые картинки планет и галактик в магазине Звездочета и все дела. Или вообще скачай их из Инетернета и забудь про гидирование.

Так если не секрет, для чего все-таки 400mm  f/10

Для того, чтобы не только чужие картинки смотреть, но и вживую, своими глазами.