本发明涉及辐射计自动调焦的技术领域，尤其涉及一种昼夜恒星辐射计自动调焦方法及辐射计系统，方法包括以下步骤：S1、控制模块获取对应的望远镜的焦距f与温度T的关系式；S2、控制模块接收温度传感器检测到的温度T，控制模块根据步骤S1获得的关系式控制调焦机构上的相机直接移动到当前温度对应的焦距位置。该发明的优点在于：本发明通过获取的对应望远镜的焦距f与温度T的关系式，然后直接将相机自动调整到准确位置，能够实现设备在不同环境温度下始终在焦平面对恒星成像，避免了人工干预、降低了劳动强度、提高了设备的自动化运行水平。
1.一种昼夜恒星辐射计自动调焦方法，辐射计包括依次设置在光路上的望远镜、相机(5)，所述相机(5)设置在调焦机构上，所述望远镜按接收光路的顺序内依次设置有主镜(1)和副镜(2)，其特征在于，辐射计还包括与调焦机构连接的控制模块(10)、温度传感器(6)，温度传感器(6)的信号端与控制模块(10)连接，包括以下步骤：S1、控制模块(10)获取对应的望远镜的焦距f与温度T的关系式；
S2、控制模块(10)接收温度传感器(6)检测到的温度T，控制模块(10)根据步骤S1获得的关系式控制调焦机构上的相机(5)直接移动到当前温度对应的焦距位置；
步骤S1中望远镜的焦距f与温度T的关系式可以用以下三种方式中的一种、两种或三种获取，其中第一种方式为理论计算的方式，具体步骤如下：
S11、建立温度差ΔT、温度对望远镜的影响因子β、主镜(1)和副镜(2)之间的间距Δ之间的关系：Δ＝(1+β·ΔT)·Δ0 (1)
其中Δ0表示室温下主镜(1)和副镜(2)之间的间距，ΔT表示实时温度T与室温T0的差值；
主镜(1)和副镜(2)组合形成的透镜组的组合焦距f满足公式：其中f1表示室温下主镜(1)的焦距，f2表示室温下副镜(2)的焦距；
S12、根据公式(1)和公式(2)获得望远镜的焦距f与温度T之间的函数关系；
根据以上公式获得对应时间的目标焦距ft，而此时的焦距为上一时刻的目标焦距ft-1，从而计算需要出位移量d＝ft-ft-1；
S11、制作温度可变的温度箱，将辐射计放置到温度箱内；
S12、调节温度，然后人工调节对应温度的焦距，并记录对应温度下的焦距f；本方案中调节温度的方式是从室温25℃依次升温至30℃、40℃、50℃，接着从50℃以10℃为一个梯度降到-10℃，再按同一梯度升温至50℃；
S13、将多组数据进行拟合，获得对应的望远镜的焦距f与温度T的关系式；
在实际大气条件下对测量的焦距f与温度T的关系式对应函数图进行二次标定。
2.根据权利要求1所述的一种昼夜恒星辐射计自动调焦方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤如下：S21、温度传感器(6)将实时温度T发送到控制模块(10)内，根据步骤S1获得的关系式求取对应的目标焦距ft；
S22、将目标焦距ft与实时焦距ft-1做差获得带方向的调焦量，该带方向的调焦量对应相机(5)带方向的位移量d；
S23、控制模块(10)通过带方向的位移量中的方向确定调焦机构中驱动的转动方向，并实时获得与相机(5)一起移动位移传感器(8)的位移量，直至位移量为d时，控制模块(10)控制驱动停止工作；
3.根据权利要求1所述的一种昼夜恒星辐射计自动调焦方法，其特征在于，在步骤S1中，向控制模块(10)内输入位移设定值d0；在步骤S22与步骤S23之间还包括判断位移量d与设定值d0的关系：当位移量d小于设定值d0时，执行步骤S24；
4.根据权利要求1所述的一种昼夜恒星辐射计自动调焦方法，其特征在于，在辐射计中，在步骤S1之前，将延焦镜(4)与相机(5)同时设置在调焦机构上，且保证主镜(1)、副镜(2)、延焦镜(4)、相机(5)均位于光路上，调焦机构控制延焦镜(4)和相机(5)同时移动。
5.实现权利要求1-4任意一项所述的一种昼夜恒星辐射计自动调焦方法的辐射计系统，其特征在于，所述调焦机构包括与支撑相机(5)的安装块(7)，所述安装块(7)设置在滑轨上，且通过步进电机(9)带动，所述安装块(7)上还设置有位移传感器(8)，所述位移传感器(8)的信号输出端与控制模块(10)连接，步进电机(9)的受控端与控制模块(10)连接。
6.根据权利要求5所述的辐射计系统，其特征在于，安装块(7)上还固定有辐射计中的延焦镜(4)，所述延焦镜(4)与相机(5)为设定距离。
一种昼夜恒星辐射计自动调焦方法及辐射计系统
技术领域
[0001] 本发明涉及辐射计自动调焦的技术领域，尤其涉及一种昼夜恒星辐射计自动调焦方法及辐射计系统。
背景技术
[0002] 恒星辐射计长周期全天探测星光强度时，昼夜环境温度变化、一年四季环境温度变化以及全国不同区域环境温度差异等，这些大温差的工况下引起镜筒材料发生显著的热胀冷缩现象，导致光学成像系统的等效焦距发生变化，等效焦距的变化导致设备不能一直在光学成像系统的焦平面对星光成像，最终望远镜成像会产生明显的离焦问题。成像离焦对设备工作带来的坏处如下：
[0003] 1.成像信噪比下降引起星光成像强度的统计误差变大，引起透过率测量误差变大。
[0004] 2.昼夜恒星辐射计设计工作温度范围-40℃～60℃，一年四季范围环境温度变化范围超过40度、设备在太阳下工作设备的温度变化范围更大；大范围温度变化会引起成像离焦，在白天工作时由于天空背景的干扰即使恒星已经进入了设备成像视场也难以判断恒星在探测器的成像位置。该现象的严重后果是：在设备初始化(利用恒星校正仪器指向的方位、俯仰轴编码器初始值)时，因环境温度引起的离焦不能判断恒星是否进入视场、进而设备不能在白天完成初始化。在夜间开展设备初始化时虽然没有天空背景的干扰，但成像离焦也会给准确判断恒星是否进入视场带来干扰。为此，成像离焦给设备初始化带来了困扰，需要解决大温差引起的成像离焦问题，以实现设备在一年四季、全国不同区域均能够实时初始化。
[0005] 恒星辐射计通过探测恒星成像强度来得到大气透过率；目前恒星辐射计采用单孔望远镜方式，成像只有一个光斑；为提高成像信噪比在设计仪器参数时采用小焦比系统以提高恒星成像的峰值亮度，因此恒星成像较小、在探测器所占像素数相对较少。成像稍离焦就不能准确测量大气透过率。在实际应用中，针对实时温度变化引起的单孔望远镜离焦问题，缺少一种有效的方法对该光学系统进行自动调节。
发明内容
[0006] 为了实现在焦点实时探测恒星成像，为此，本发明提供一种昼夜恒星辐射计自动调焦方法及辐射计系统。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] 一种昼夜恒星辐射计自动调焦方法，所述辐射计包括依次设置在光路上的望远镜、相机，所述相机设置在调焦机构上，所述望远镜按接收光路的顺序内依次设置有主镜和副镜，辐射计还包括与调焦机构连接的控制模块、温度传感器，温度传感器的信号端与控制模块连接，包括以下步骤：
[0009] S1、控制模块获取对应的望远镜的焦距f与温度T的关系式；
[0010] S2、控制模块接收温度传感器检测到的温度T，控制模块根据步骤S1获得的关系式控制调焦机构上的相机直接移动到当前温度对应的焦距位置。
[0011] 优化的，步骤S1中获得关系式的步骤具体如下：
[0012] S11、建立温度差ΔT、温度对望远镜的影响因子β、主镜和副镜之间的间距Δ之间的关系：
[0013] Δ＝(1+β·ΔT)·Δ0 (1)
[0014] 其中Δ0表示室温下主镜和副镜之间的间距，ΔT表示实时温度T与室温T0的差值；
[0015] 主镜和副镜组合形成的透镜组的组合焦距f满足公式：
[0016]
[0017] 其中f1表示室温下主镜的焦距，f2表示室温下副镜的焦距；
[0018] S12、根据公式(1)和公式(2)获得望远镜的焦距f与温度T之间的函数关系；
[0019]
[0020] 优化的，所述步骤S2的具体步骤如下：
[0021] S21、温度传感器将实时温度T发送到控制模块内，根据步骤S1获得的关系式求取对应的目标焦距ft；
[0022] S22、将目标焦距ft与实时焦距ft-1做差获得带方向的调焦量，该带方向的调焦量对应相机带方向的位移量d；
[0023] S23、控制模块通过带方向的位移量中的方向确定调焦机构中驱动的转动方向，并实时获得与相机一起移动位移传感器的位移量，直至位移量为d时，控制模块控制驱动停止工作；
[0024] S24、结束。
[0025] 优化的，在步骤S1中，向控制模块内输入位移设定值d0；在步骤S22与步骤S23之间还包括判断位移量d与设定值d0的关系：
[0026] 当位移量d小于设定值d0时，执行步骤S24；
[0027] 当位移量d大于设定值d0时，执行步骤S23。
[0028] 优化的，在步骤S1中获得关系式还包括以下步骤：
[0029] S11、制作温度可变的温度箱，将辐射计放置到温度箱内；
[0030] S12、调节温度，然后人工调节对应温度的焦距，并记录；
[0031] S13、将多组数据进行拟合，获得对应的望远镜的焦距f与温度T的关系式；
[0032] S14、最后在实际大气条件下对测量的焦距f与温度T的关系式对应函数图进行二次标定。
[0033] 优化的，所述温度变化范围是-10℃～50℃。
[0034] 优化的，调节温度的方式是从室温25℃依次升温至30℃、40℃、50℃，接着从50℃以10℃为一个梯度降到-10℃，再按同一梯度升温至50℃
[0035] 优化的，在辐射计中，在步骤S1之前，将延焦镜与相机同时设置在调焦机构上，且保证主镜、副镜、延焦镜、相机均位于光路上，调焦机构控制延焦镜和相机同时移动。
[0036] 实现上述一种昼夜恒星辐射计自动调焦方法的辐射计系统，所述调焦机构包括与支撑相机的安装块，所述安装块设置在滑轨上，且通过步进电机带动，所述安装块上还设置有位移传感器，所述位移传感器的信号输出端与控制模块连接，步进电机的受控端与控制模块连接。
[0037] 优化的，安装块上还固定有辐射计中的延焦镜，所述延焦镜与相机为设定距离。
[0038] 本发明的优点在于：
[0039] (1)本发明通过获取的对应望远镜的焦距f与温度T的关系式，然后直接将相机自动调整到准确位置，能够实现设备在不同环境温度下始终在焦平面对恒星成像，避免了人工干预、降低了劳动强度、提高了设备的自动化运行水平。
[0040] (2)本发明通过理论计算、实验环境下获取、实际环境中获取三种方式择一、择二计算并校正的方式来获得对应望远镜焦距f与温度T的关系式。在实际大气条件下，由于太阳暴晒辐射计，导致辐射计的实际温度显著高于环境温度，通过实际大气条件下进行第二次标定，使得关系式对应的函数曲线更加准确。
[0041] (3)本发明通过温度传感器获得实时温度、位移传感器获得实时位移，再通过控制模块的控制来实现自动调焦。
[0042] (4)本发明将延焦镜与相机一起运动，可以降低相机的位移量，从而使得设备小型化。
[0043] (5)从光学机械角度出发建立成像位置-温度关系，设计使用步入式可编程高低温箱进行温度实验，得到焦距-温度关系，而后在实际大气条件下对测量的焦距-温度曲线进行二次标定。
[0044] (6)d0的设置可以避免温度稍微变化就需要调焦，防止设备始终处于调整状态，不利于设备进行恒星检测的工作。
附图说明
[0045] 图1为本发明恒星辐射计的结构原理图。
[0046] 图2为本发明辐射计中主镜和副镜的原理图。
[0047] 图3为本发明中包括将延焦镜设置副镜与相机之间的光路上且与相机同时移动的原理示意图。
[0048] 图4为自动调焦处的结构示意图。
[0049] 图5为本发明方法流程图。
[0050] 图6为理论计算、实验环境下获取、实际环境中获取三种方式下的焦距f与温度T对应的关系图。
[0051] 图中标注符号的含义如下：
[0052] 1-主镜 2-副镜 3-滤光片 4-延焦镜 5-相机
[0053] 6-温度传感器 7-安装块 8-位移传感器 9-步进电机
[0054] 10-控制模块
具体实施方式
[0055] 实施例1
[0056] 如图1-4所示，一种辐射计系统，包括依次设置在光路上的望远镜、滤光片3、延焦镜4、相机5，所述相机5设置在调焦机构上，所述望远镜按接收光路的顺序内依次设置有主镜1和副镜2，辐射计还包括与调焦机构连接的控制模块10、温度传感器6，温度传感器6的信号端与控制模块10连接，所述调焦机构包括与支撑相机5的安装块7，所述安装块7设置在滑轨上，且通过步进电机9带动，所述安装块7上还设置有位移传感器8，所述位移传感器8的信号输出端与控制模块10连接，步进电机9的受控端与控制模块10连接。
[0057] 实施例2
[0058] 如图1-5所示，一种昼夜恒星辐射计自动调焦方法，包括以下步骤：
[0059] S1、控制模块10获取对应的望远镜的焦距f与温度T的关系式；
[0060] S2、控制模块10接收温度传感器6检测到的温度T，控制模块10根据步骤S1获得的关系式控制调焦机构上的相机5直接移动到当前温度对应的焦距位置。
[0061] 步骤S1可以用三种方式实现，可以择一获取或择二、择三获取再标定。三种方式分别为理论计算、实验环境下获取、实际环境中获取。以下分别对三种方式进行描述。
[0062] 一、理论计算的方式的具体步骤如下：
[0063] S11、建立温度差ΔT、温度对望远镜的影响因子β、主镜1和副镜2之间的间距Δ之间的关系：
[0064] Δ＝(1+β·ΔT)·Δ0 (1)
[0065] 其中Δ0表示室温下主镜1和副镜2之间的间距，ΔT表示实时温度T与室温T0的差值；
[0066] 在该实施例中，影响因子β为2.2e-5/℃，且此时望远镜中支撑主镜1和副镜2的支撑材料为铝。25℃时测得两透镜间距Δ0＝＝400mm。
[0067] 主镜1和副镜2组合形成的透镜组的组合焦距f满足公式：
[0068]
[0069] 其中f1表示室温下主镜1的焦距，f2表示室温下副镜2的焦距；在该实施例中，主镜1焦距f1＝600mm，副镜2焦距f2＝-300mm。
[0070] S12、根据公式(1)和公式(2)获得望远镜的焦距f与温度T之间的函数关系；
[0071]
[0072] 根据以上公式获得对应时间的目标焦距ft，而此时的焦距为上一时刻的目标焦距ft-1，从而计算需要出位移量d＝ft-ft-1。
[0073] 二、实验环境下获取的方式获得关系式包括以下步骤：
[0074] S11、制作温度可变的温度箱，将辐射计放置到温度箱内；在该实施例中，为了提高温度变化的精准性，本方案使用步入式可编程高低温箱。温度箱的温度范围为-10℃～50℃。
[0075] S12、调节温度，然后人工调节对应温度的焦距，并记录对应温度下的焦距f；本方案中调节温度的方式是从室温25℃依次升温至30℃、40℃、50℃，接着从50℃以10℃为一个梯度降到-10℃，再按同一梯度升温至50℃，该种温度变化方式保证数据的准确性。
[0076] S13、将多组数据进行拟合，获得对应的望远镜的焦距f与温度T的关系式；在该方案中，如图6所示，焦距变化量与温度的关系为f＝-0.14mm/℃。
[0077] 三、实际环境中获取的方式获得关系式：
[0078] 在实际大气条件下对测量的焦距f与温度T的关系式对应函数图进行二次标定。在实际大气条件下由于太阳暴晒因素仪器温度显著高于环境温度；本发明在实际大气条件下实时标定设备温度与成像离焦量的关系，得到能实际应用的温度-离焦量关系式。为此，我们将恒星辐射计置于实验楼天台探测恒星强度，进行外场温度实验。
[0079] 综上三种方式，将理论数据与高低温箱实验数据及外场实验数据进行对比分析，对比结果如图6所示。综合外场实验、高低温箱实验及理论数据，结果表明，实验结果是可靠的，焦距变化量0.14mm/℃。
[0080] 为了提高检测的效率，在步骤S1中，向控制模块10内输入位移设定值d0；在步骤S22与步骤S23之间还包括判断位移量d与设定值d0的关系：
[0081] 当位移量d小于设定值d0时，执行步骤S24；
[0082] 当位移量d大于设定值d0时，执行步骤S23。
[0083] 所述步骤S2的具体步骤如下：
[0084] S21、温度传感器6将实时温度T发送到控制模块10内，根据步骤S1获得的关系式求取对应的目标焦距ft；
[0085] S22、将目标焦距ft与实时焦距ft-1做差获得带方向的调焦量，该带方向的调焦量对应相机5带方向的位移量d；
[0086] S23、控制模块10通过带方向的位移量中的方向确定调焦机构中驱动的转动方向，并实时获得与相机5一起移动位移传感器8的位移量，直至位移量为d时，控制模块10控制驱动停止工作；
[0087] S24、结束。
[0088] 为了降低相机5在调焦过程中的位移量，在实施例1的系统中，安装块7上还固定有辐射计中的延焦镜4，所述延焦镜4与相机5为设定距离。
[0089] 相应的，在实施例2的方法中，在步骤S1之前，将延焦镜4与相机5同时设置在调焦机构上，且保证主镜1、副镜2、延焦镜4、相机5均位于光路上，调焦机构控制延焦镜4和相机5同时移动。
[0090] 以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
