本发明提供一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置，包括太阳望远镜系统（1），光纤夹具插槽（2），面阵光纤夹具端（3），支撑圆盘（4），刚性连接体（5），电动旋转台（6），光纤束（7），线阵光纤夹具端（8），狭缝式光栅光谱仪（9），成像系统（10），计算机数据处理系统（11）和旋转角度控制器（12），通过光纤束连接望远镜焦面和后端的狭缝式光栅光谱仪，依据简单的光纤束柔性传像原理，将进入狭缝式光谱仪的太阳像进行中继，并通过柔性旋转实现对太阳像范围进行变换。本发明结构小、重量轻，使用简单，结构灵活，能够实现望远镜系统与光谱仪在空间上的分离，光谱仪的位置及其摆放范围不受限制。
1.一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置，包括：太阳望远镜系统(1)，光纤夹具插槽(2)，面阵光纤夹具端(3)，支撑圆盘(4)，刚性连接体(5)，电动旋转台(6)，光纤束(7)，线阵光纤夹具端(8)，狭缝式太阳光栅光谱仪(9)，成像系统(10)，计算机数据处理系统(11)和旋转角度控制器(12)；
其中：该太阳望远镜系统(1)为地基式大口径太阳望远镜，把太阳像成像在该太阳望远镜的焦面，由于地基式大口径太阳望远镜采用地平式机架结构，在跟踪太阳观测时，该太阳望远镜所在的地平经圈相对于太阳运行的赤经圈是在不断的变化的，在该太阳望远镜的焦面上采集到的太阳像就会随着该太阳望远镜方位轴和高度轴而旋转，即像旋，通常用星位角p来表示，其星位角的位置和变化速度分别由(1)式和(2)式表示，具体如下：其中，A和Z分别表示天体的方位角和天顶距，方位角A以正北为零点，向东为正，向西为负，天顶距Z以天顶为零点，其范围是0°～90°，φ为望远镜所在的地理纬度，δ和t分别表示被观测目标的赤纬和时角；
为消除该太阳望远镜的焦面上的像旋转，在狭缝式太阳光栅光谱仪和该太阳望远镜中引入一个像消旋装置，并把像消旋装置放在该太阳望远镜的焦面处代替狭缝式太阳光栅光谱仪的狭缝，就能实现像消旋，其具体的消旋方式是：把面阵光纤夹具端(3)插入支撑圆盘(4)中，由刚性连接体(5)实现支撑圆盘(4)与电动旋转台(6)的连接，通过电动旋转台(6)驱动支撑圆盘(4)旋转，并与太阳像同方向同速度旋转，假设在该太阳望远镜跟踪太阳的过程中，在该太阳望远镜焦面上太阳像的星位角变化速度为 因此确定电动旋转台的转速也为 并且旋转方向与太阳像相同，就能在固定于狭缝式太阳光栅光谱仪的狭缝处的线阵光纤夹具端的太阳像不动，从而消除了太阳像旋转的问题，同时实现了该太阳望远镜与狭缝式太阳光栅光谱仪的分离，改变了传统的狭缝式太阳光栅光谱仪刚性连接结构，提高了狭缝式太阳光栅光谱仪与该太阳望远镜连接的灵活性；
由 φ为望远镜所在的地理纬度是已知量，方位角A和天顶距Z是望
远镜跟踪时能提供的参量，由此可以得出望远镜焦面上太阳像实时旋转的速度为 所以通过旋转角度控制器(12)对计算机数据处理系统(11)提供的A和Z控制电动旋转台(6)的旋转角速度为 即能消除望远镜焦面上的太阳像旋转；
其中， δ和t分别表示被观测目标的赤纬和时角，φ为
望远镜所在的地理纬度，p为像旋开始时的星位角，也是旋转角度控制器(12)的初始星位角，经过这一步处理后的消旋图像就能与世界上其他地理纬度的望远镜的图像进行统一的换算，并且不换算不影响实际的结果。
2.根据权利要求1所述的一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置，其特征在于：支撑圆盘(4)的插槽宽度可调，满足面阵光纤夹具端(3)的插入。
3.根据权利要求1所述的一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置，其特征在于：所述的支撑圆盘(4)和刚性连接体(5)是面阵光纤夹具端(3)和电动旋转台(6)之间最适合的支撑结构。
4.根据权利要求1所述的一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置，其特征在于：所述的面阵光纤夹具端(3)和线阵光纤夹具端(8)均能实现其他面阵形式的的排列。
5.根据权利要求1所述的一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置，其特征在于：所述的电动旋转台(6)的负载根据支撑圆盘(4)和刚性连接体(5)来定；其转角转过180度后置零，继续下个周期的像消旋过程。
6.根据权利要求1所述的一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置，其特征在于：所述的电动旋转台(6)的台面可以任意正反旋转，方便读数和初始定位。
7.根据权利要求1所述的一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置，其特征在于：所述的放在太阳望远镜焦面的面阵光纤夹具端(3)通过光纤耦合器把望远镜焦面上的太阳像耦合进面阵光纤夹具端(3)。
一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种太阳望远镜狭缝式太阳光栅光谱仪的像消旋装置。
背景技术
[0002] 地基式大口径太阳望远镜都是采用地平式机架结构，因此在跟踪太阳进行观测时就需要转动望远镜的方位轴和俯仰轴的协调联动，由于望远镜的方位轴和俯仰轴均不与地球的自转轴平行，所以在望远镜跟踪太阳进行观测时就会在望远镜焦面上的太阳像存在像旋转的问题（程景全.天文望远镜的原理和设计[M].北京：中国科学技术出版社，2003：95-96.）。而像旋转将给实时目标的识别、图像处理和后端的科学仪器如光谱仪的工作都带来了严重的问题，因此必须消除望远镜的像旋转问题。
[0003] 目前，消除视场像旋转的方法主要有光学消旋和机械消旋。机械消旋的方法是直接采用高功率的电机直接转动光谱筒的方式实现，即后端的整个光谱仪随视场旋转来实现，其实现难度大，对系统的电控和机械要求严格。目前美国的4米ATST太阳望远镜采用此种消旋方式。常见的光学消旋包括K镜和道威棱镜，K镜和道威棱镜都能实现视场像消旋。道威棱镜是最早用于望远镜视场的像消旋，而道威棱镜则是受工作波段的限制，只能工作于可见光波段，对后端的光谱仪是不合适的。目前望远镜消旋常采用K镜，如美国威尔逊山天文台胡克100英寸望远镜在Coude焦点前就安装了K镜消旋装置（SCOTT W T.UnISIS field de-ratator,2000）,1.5米的德国太阳望远镜GREGOR也是是采用K镜进行光学消旋（Manuel Collados et al,"A high-resolution spectrograph for the solar telescope GREGOR",2008），国内云南天文台的1.2米望远镜也是采用K镜消旋（鞠青华；1.2米地平式望远镜视场旋转研究与消旋[D]；中国科学院研究生院（云南天文台）；2008年）。但是K镜对装校要求极高，其要求K镜的光轴、K镜的自转轴和望远镜系统的光轴三轴合一。
[0004] 本发明基于以上背景，提出一种可用于太阳望远镜狭缝式太阳光栅光谱仪的像消旋装置。通过采用光纤束来连接望远镜系统和狭缝式太阳光栅光谱仪，通过电动旋转台驱动支撑圆盘上的面阵光纤阵列旋转，其转速和方向与焦面上的太阳像转速和方向相同，从而实现望远镜焦面上的太阳像消旋。本发明借助光纤柔软、重量轻和易弯曲的特点，改变了传统的光学仪器刚性连接的方式，提高了狭缝式太阳光谱仪与望远镜连接的灵活性；能够实现望远镜系统与光谱仪在空间上的分离，其位置和空间摆放范围不受限制，有利于光谱仪小型化的实现。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题是：针对传统的像消旋技术如光学消旋和机械消旋技术受限于光学调试、电控和机械控制严格等问题，提出了一种相对现有的消旋结构更简单、体积更小和更容易实现的消旋装置，以避开传统的像消旋技术所遇到的问题。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置，包括：太阳望远镜系统，光纤夹具插槽，面阵光纤夹具端，支撑圆盘，刚性连接体，电动旋转台，光纤束，线阵光纤夹具端，狭缝式光栅光谱仪，成像系统，计算机数据处理系统和旋转角度控制器；
[0007] 其中：该太阳望远镜系统为地基式大口径太阳望远镜，把太阳像成像在该太阳望远镜的焦面，由于地基式大口径太阳望远镜采用地平式机架结构，在跟踪太阳观测时，该太阳望远镜所在的地平经圈相对于太阳运行的赤经圈是在不断的变化的，在该太阳望远镜的焦面上采集到的太阳像就会随着该太阳望远镜方位轴和高度轴而旋转，即像旋，通常用星位角p来表示，其星位角的位置和变化速度分别由（1）式和（2）式表示，具体如下：
[0008]
[0009]
[0010] 其中，A和Z分别表示天体的方位角和天顶距，方位角A以正北为零点，向东为正，向西为负，天顶距Z以天顶为零点，其范围是0°～90°，φ为望远镜所在的地理纬度，δ和t分别表示被观测目标的赤纬和时角；
[0011] 为消除该太阳望远镜的焦面上的像旋转，在狭缝式光栅光谱仪和该太阳望远镜中引入一个像消旋装置，并把像消旋装置放在该太阳望远镜的焦面处代替光谱仪的狭缝，就能实现像消旋，其具体的消旋方式是：把面阵光纤阵列插入支撑圆盘中，由刚性连接体实现支撑圆盘与电动旋转台的连接，通过电动旋转台驱动支撑圆盘旋转，并与太阳像同方向同速度旋转，假设在该太阳望远镜跟踪太阳的过程中，在该太阳望远镜焦面上太阳像的星位角变化速度为 因此确定电动旋转台的转速也为 并且旋转方向与太阳像相同，就能在固定于太阳光栅光谱仪的狭缝处的线阵光纤夹具端的太阳像不动，从而消除了太阳像旋转的问题，同时实现了该太阳望远镜与光谱仪的分离，改变了传统的光谱仪刚性连接结构，提高了狭缝式太阳光谱仪与该太阳望远镜连接的灵活性；
[0012] 由 φ为望远镜所在的地理纬度是已知量，方位角A和天顶距Z是望远镜跟踪时能提供的参量，由此可以得出望远镜焦面上太阳像实时旋转的速度为所以通过旋转角度控制器对计算机数据系统提供的A和Z控制电动旋转台的旋转角度为即能消除望远镜焦面上的太阳像旋转；
[0013] 其中， δ和t分别表示被观测目标的赤纬和时角，φ为望远镜所在的地理纬度，p为像旋开始时的星位角，也是旋转角度控制器的初始星位角，经过这一步处理后的消旋图像就能与世界上其他地理纬度的望远镜的图像进行统一的换算，并且不换算不影响实际的结果。
[0014] 支撑圆盘的插槽宽度可调，满足面阵光纤夹具端的插入。
[0015] 所述的支撑圆盘和刚性连接体是面阵光纤阵列和电动旋转台之间最适合的支撑结构。
[0016] 所述的面阵光纤夹具端和线阵夹具端均能实现其他面阵形式的的排列。
[0017] 所述的电动旋转台的负载根据支撑圆盘和刚性连接体来定；其转角转过180度后置零，继续下个周期的像消旋过程。
[0018] 所述的电动旋转台的台面可以任意正反旋转，方便读数和初始定位。
[0019] 所述的放在望远镜焦面的面阵光纤夹具端通过光纤耦合器把望远镜焦面上的太阳像耦合进面阵光纤夹具端。
[0020] 本发明与现有技术相比有如下优点：
[0021] (1).本发明提出的一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置，改变了传统的光谱仪与望远镜刚性连接的结构方式，提高了狭缝式太阳光谱仪与望远镜连接的灵活性；
[0022] (2).本发明提出的一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置，提出了一种相对现有的消旋结构更简单、体积更小和更容易实现的消旋装置；
[0023] (3).本发明提出的一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置，能够实现望远镜系统与光谱仪在空间上的分离，其位置和空间摆放范围不受限制，有利于光谱仪小型化的实现。
[0024] 总之，本发明提出的一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置，通过光纤束连接望远镜焦面和后端的狭缝式光栅光谱仪，把排成面阵的光纤夹具端通过电动旋转台的驱动，确定面阵光纤夹具端与望远镜焦面上的太阳像同方向同速转动，而线阵光纤夹具端作为狭缝式光谱仪的入射端代替狭缝；因此在太阳观测过程中就能在固定的线阵光纤夹具端的图像消旋。本发明基于光纤束柔性传像的原理，通过光纤束的旋转实现消除由于太阳望远镜跟踪太阳产生的像旋转的目的。本发明提出的像消旋装置相对于传统的光学消旋或机械消旋方式而言，其结构小、重量轻，使用简单，结构灵活，光谱仪的位置及其摆放范围不受限制，其实用性和创新性明显。
附图说明
[0025] 图1为一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置的结构示意图。
[0026] 图中标记：1为太阳望远镜系统，2为光纤夹具插槽，3为面阵光纤夹具端，4为支撑圆盘，5为刚性连接体，6为电动旋转台，7为光纤束，8为线阵光纤夹具端，9为狭缝式光栅光谱仪，10为成像系统，11为计算机数据处理系统和12为旋转角度控制器。
具体实施方式
[0027] 以下将结合实例对本发明做进一步的说明。
[0028] 如图1所示，一种可用于太阳望远镜狭缝式光栅光谱仪的像消旋装置，包括：太阳望远镜系统1，光纤夹具插槽2，面阵光纤夹具端3，支撑圆盘4，刚性连接体5，电动旋转台6，光纤束7，线阵光纤夹具端8，狭缝式光栅光谱仪9，成像系统10，计算机数据处理系统11和旋转角度控制器12。太阳望远镜系统1为地基式大口径太阳望远镜。
[0029] 地基式大口径太阳望远镜把太阳像成像在地基式大口径太阳望远镜的焦面，但由于地基式大口径太阳望远镜一般都采用地平式机架结构，因此在跟踪太阳观测时，望远镜所在的地平经圈相对于太阳运行的赤经圈是在不断的变化的，因此在望远镜的焦面上采集到的太阳像就会随着望远镜方位轴和高度轴而旋转，即像旋，通常用星位角p来表示，其星位角的位置和变化速度分别由（1）式和（2）式表示，具体如下：
[0030]
[0031]
[0032] 其中，A和Z分别表示天体的方位角和天顶距，方位角A以正北为零点，向东为正，向西为负，天顶距Z以天顶为零点，其范围是0°～90°，φ为望远镜所在的地理纬度，δ和t分别表示被观测目标的赤纬和时角。
[0033] 像旋的存在将给实时目标的识别、图像处理和后端的科学仪器如光谱仪的工作都带来了严重的问题。为消除望远镜系统焦面上的像旋转，在狭缝式光栅光谱仪和望远镜系统中引入一个像消旋装置，并把像消旋装置放在望远镜的焦面处代替传统光谱仪的狭缝，就能实现像消旋。其具体的消旋方式是：把面阵光纤阵列3插入支撑圆盘4的光纤夹具插槽2中，并用锁紧装置锁紧；由刚性连接体5实现支撑圆盘4与电动旋转台6的连接，通过电动旋转台6驱动支撑圆盘4旋转，并与太阳像同方向同速度旋转，假设在望远镜跟踪太阳的过程中，在望远镜焦面上太阳像的星位角变化速度为 因此确定电动旋转台的转速也为 并且旋转方向与太阳像相同，就能在固定于太阳光栅光谱仪的狭缝处的线阵光纤夹具端的太阳像不动，从而消除了太阳像旋转的问题，同时实现了望远镜系统与光谱仪的分离，改变了传统的光谱仪刚性连接结构，提高了狭缝式太阳光谱仪与望远镜连接的灵活性。从而消除了地基式太阳望远镜像旋转的问题。
[0034] 其中，支撑圆盘4的插槽宽度可调，满足面阵光纤夹具端3的插入。
[0035] 其中，所述的支撑圆盘4和刚性连接体5是面阵光纤阵列3和电动旋转台6之间最适合的支撑结构，其他形式的支撑结构也在本发明的保护范围。
[0036] 其中，所述的面阵光纤夹具端3和线阵夹具端8均能实现其他面阵形式的的排列。
[0037] 其中，所述的电动旋转台6的负载根据支撑圆盘4和刚性连接体5来定；其转角转过180度后置零，继续下个周期的像消旋过程。
[0038] 其中，所述的电动旋转台6的台面可以任意正反旋转，方便读数和初始定位。
[0039] 其中，所述的放在望远镜焦面的面阵光纤夹具端3通过光纤耦合器把望远镜焦面上的太阳像耦合进面阵光纤夹具端3。
[0040] 其中，由 φ为望远镜所在的地理纬度是已知量，方位角A和天顶距Z是望远镜跟踪时能提供的参量，由此可以得出望远镜焦面上太阳像实时旋转的速度为 由于通过计算机数据处理11能够获得方位角A和天顶距Z并传送到旋转角度控制器12，而望远镜所在的地理纬度是已知的，因此旋转角度控制器12的旋转角度为 从而消除望远镜焦面上的太阳像旋转的问题。
[0041] 其中，p由式 确定，δ和t分别表示被观测目标的赤纬和时角，p为像旋开始时的星位角，也是旋转角度控制器12的初始星位角，经过这一步处理后的消旋图像就能与世界上其他地理纬度的望远镜的图像进行统一的换算。不换算不影响实际的结果。
[0042] 采用本发明做成的像消旋装置与现有的扫描装置相比，降低了实现的难度，同时系统结构也更加灵活简单，更容易实现，能够实现望远镜系统与光谱仪在空间上的分离，其位置和空间摆放范围不受限制，有利于光谱仪小型化的实现。
[0043] 上述实例只是帮助读者理解本发明的基本原理，而本发明的保护范围并不局限于这样的特别实例。而根据本发明的启示做出的各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
