Активная, Адаптивная Оптика и автогидирование

[lorka]

Да, действительно, как то стали забывать об АО. Хотя все начиналось с этого. Конечно для всех гораздо актуальнее автогид (да и для меня, собственно, тоже), но если появляется какая то идея, я бы просил оратора вкратце рассмотреть возможность ее применения и в АО (по возможности).

По поводу АО: я считаю, если она и найдет широкое применение в любительской практике, то скорее всего для фотографирования планет. Причем в качестве ведущей звезды будет выступать сама планета. А диск планеты, в отличие от звезды, имеет "рисунок". Не усложнит ли это работу системы на ПЗС? Хотя здесь, наверное, ПЗСка может более ycкopeнно cчuтывaть.

[Павел Бахтинов]

Кстати, а зачем нужны такие огромные частоты обновления? Если речь идет об устройстве типа AO-7, то понятно зачем. Но это уже система совершенно другого уровня и она вполне заслуживает того, чтобы иметь отдельную трубу для гидирования,

Так точно, речь идет об АО с отдельной трубой-гидом.

И каким же образом совместить отдельную трубу гида с качающимся зеркалом АО? Разомкнутая система управления? Боюсь, это был бы совсем уж нереальный вариант…
И потом, зачем для АО отдельная труба? Ведь система может быть эффективна только при очень близком расположении ведущей звезды и объекта (в АО-7 – около 10', см. первую страницу темы) и преимущество отдельной трубы в выборе ведущей звезды в более широкой области здесь теряется.

lorka:

По поводу АО: я считаю, если она и найдет широкое применение в любительской практике, то скорее всего для фотографирования планет.

Тот же вопрос: а зачем? Освоенный многими любителями метод съемки с короткими выдержками с последующим совмещением кадров дает результат, ничем не уступающий рассматриваемому варианту любительской АО (а с учетом отбора лучших изображений – даже превосходящий его). Этот метод и для дип-скаев применялся бы, будь они поярче

[lorka]

Согласен. В моих словах "...если она и найдет широкое применение в любительской практике..." сквозит изрядная доля пессимизма по поводу целесоообразности АО для любителей. Взвесив все "за" и "против" я, как то незаметно для себя перешел в стан пессимистов (не в смысле невозможности построения АО, а в смысле ее целесообразности). Я и вспомнил то о ней после сообщения Teleglassmaker. Да и постройка качающегося зеркала с необходимыми характеристиками - я тут пообщался с инженерами из Баксанской нейтринной обсерватории - дело, похоже, гораздо сложнее чем я предполагал.

И коль скоро

...метод съемки с короткими выдержками с последующим совмещением кадров дает результат, ничем не уступающий рассматриваемому варианту любительской АО.

,
а для дип-скаев угол зрения АО явно маловат, то я думаю для продолжения беседы по АО (если это еще кому то интересно  ) надо бы сначала оконтурить круг ее задач и область применения. Мне пока в голову приходит только одно - компенсация погрешностей привода телескопа (с чего, собственно, и тема началась). Но сдается мне, что постройка приличной монтировки будет и легче, и дешевле.

И каким же образом совместить отдельную трубу гида с качающимся зеркалом АО?

Я подумал, что Teleglassmaker имеет ввиду отдельный автономный автогид + автономный АО с собственным датчиком на основном телескопе (качающееся зеркало работает от собственного датчика АО). Определенная логика в развязке автогида и АО, мне кажется, есть. АО, наверняка, будет использоваться гораздо реже, а автогид почти всегда (к тому же его можно легко переставить на другой телескоп). Другое дело, что АО может одновременно работать и как автогид. Тогда, конечно, только на основном телескопе.

[Денис Никитин]

Мужики, да че вы внатуре...
Паша:

И потом, зачем для АО отдельная труба? Ведь система может быть эффективна только при очень близком расположении ведущей звезды и объекта

Ну это понятно, мы выяснили, что существует подобное ограничение при попытке исправить атмосферные помехи с помощью АО. Но ведь, там же, я несколько раз уточнил, что задумывается качающееся зеркало исключительно для гидирования, а не для подавления “атмосферы”. Давайте другой термин, что ли, придумаем, что бы не путаться, как на счет “скоростного автогида”.

 Кстати, в формуле центра тяжести, действительно опечатка. Павлу спасибо за бдительность.

И каким же образом совместить отдельную трубу гида с качающимся зеркалом АО? Разомкнутая система управления?

В каком смысле? А чем эта схема в принципе отличается от автогида на ФЭУ с отдельной трубой?

Если скажете, что для простого гидирования можно смело снизить частоту коррекции скажем до 1Hz, ну что ж, так будет даже лучше.

[lorka]

Мужики, да че вы внатуре...

Да все в порядке, Teleglassmaker, заседание продолжается!

...задумывается качающееся зеркало исключительно для гидирования, а не для подавления “атмосферы”. Давайте другой термин, что ли, придумаем, что бы не путаться, как на счет “скоростного автогида”.

Этот фокус называется "местное гидирование" и довольно часто применяется. Загляни сюда http://you-talents.narod.ru/435.gif.
Тут тоже есть подводные камни: оси качающегося зеркала не совпадают с "экваториальными" осями (от градусов до десятков градусов), и вращение поля (точнее, покачивание вокруг ведущей звезды) неизбежно. Вероятно оно незначительно, но предварительно прикинуть стоило бы.

А чем эта схема в принципе отличается от автогида на ФЭУ с отдельной трубой?

Отличие принципиальное:
Автогид с отдельной трубой - система замкнутая. ФЭУ (или любой другой детектор) и исполнительный механизм (привод телескопа) связаны обратной связью. По этому ФЭУ контролирует работу исполнительного механизма и в случае ошибки подает сигнал коррекции. Строго говоря, в этом случае мы гидируем сам гид, предпологая, что телескоп жестко с ним связан и будет повторять его движения (на практике это условие строго не выполняется из за деформаций и других заморочек).
В случае местного гидирования, исполнительный механизм (в качестве такового теперь выступает качающееся зеркало) по определению распологается на основном телескопе. Чтобы сохранить условие замкнутости (грамотнее говоря, иметь обратную связь), чтобы детектор мог контролировать работу исполнительного механизма, его тоже неизбежно придется ставить на основной телескоп.
В общем, наличие обратной связи - залог успеха, и он необходим. Павел справедливо сокрушается по поводу "размыкания" системы.

Если скажете, что для простого гидирования можно смело снизить частоту коррекции скажем до 1Hz, ну что ж, так будет даже лучше.

Для простого может быть. Вы же хотите применить местное гидирование и для быстродействия тоже. Тут надо думать.

[anovikov]

>Кстати, а зачем нужны такие огромные частоты обновления? Если речь идет
>об устройстве типа AO-7, то понятно зачем. Но это уже система совершенно
>другого уровня и она вполне заслуживает того, чтобы иметь отдельную трубу
>для гидирования,
 
>Так точно, речь идет об АО с отдельной трубой-гидом

Хм, я сам прогнал и согласен с предыдущими ораторами. Никакой АО с отдельной трубой-гидом не будет, потому что угловое расстояние между наблюдаемым объектом и опорной звездой должно быть маленьким, иначе колебания атмосферы в направлении на опорную звезду и наблюдаемый объект будут просто разными. Т.е. отдельную трубу практически ни в каких случаях применять нет смысла: для АО она не поможет, а для автогидирования - не нужна, т.к. выдержку можно делать сильно больше 10мс (как минимум на два порядка, а это снимает все проблемы с поиском опорной звезды в поле, если не считать совсем уж "невезучих" участков неба)

[Денис Никитин]

lorka, про обратную связь я ни чего не понял. Неужели я такой тупой?!
Вернее по следующей фразе:

Чтобы сохранить условие замкнутости (грамотнее говоря, иметь обратную связь), чтобы детектор мог контролировать работу исполнительного механизма, его тоже неизбежно придется ставить на основной телескоп.

я понял, что Вы думаете, я собираюсь использовать “автогид с отдельной трубой”, как отдельный телескоп стоящий отдельно от гидируемого телескопа. Так что ли?  :oЕсли так, то…да шо я дурик что ли? Я имею в виду, отдельную трубу автогида, закрепленную на корпусе основного (гидируемого) телескопа.

Потом, если под гидом на ФЭУ, подразумевается гид, сконструированный Павлом, то в каком смысле употребляется термин “обратная связь”? Я понимаю обратную связь, как наличие датчика положения или скорости на исполнительном механизме – то есть серво систему. Поэтому я и спрашивал в чем принципиальное различие, между гидом на ФЭУ и гидом с качающимся зеркалом? В обоих обратной связи с исполнительным механизмом нет.

Ксати, Iorka, фотография про местное гидирование на которую Вы ссылаетесь, случайно не страница из книги Н.Н.Михельсона “Оптические Телескопы”?

[Павел Бахтинов]

Потом, если под гидом на ФЭУ, подразумевается гид, сконструированный Павлом, то в каком смысле употребляется термин “обратная связь”? Я понимаю обратную связь, как наличие датчика положения или скорости на исполнительном механизме – то есть серво систему. Поэтому я и спрашивал в чем принципиальное различие, между гидом на ФЭУ и гидом с качающимся зеркалом? В обоих обратной связи с исполнительным механизмом нет.

Как это нет???
Нет только местной обратной связи, охватывающей сам двигатель (которая в некоторых случаях могла бы понадобиться, но шаговикам она уж точно ни к чему), а общая-то есть! Любой "обычный" гид сидит на одной монтировке с телескопом и все ошибки исполнительного механизма "видны" фотодатчику. Точно так же и в АО-7, гидирующая и снимающая матрицы "смотрят" в одно и то же качающееся зеркало, поэтому система способна исправлять не только "внешние" ошибки (вносимые атмосферой и монтировкой) но и свои собственные, в частности, ошибки привода зеркала. Только благодаря этому привод качающегося зеркала, как и прочие элементы системы, стало возможно сделать относительно простыми, иначе устройство оказалось бы вообще недоступно любителям.

[anovikov]

Т.е. смысл обсуждаемой проблемы с обратной связью состоит в том, что устройство с качающимся зеркалом в одной трубе, а с фотодатчиком - в другой не "видит" ошибок привода зеркала? it makes sense... Хотя это неважно, собственно - один черт на ПЗС ничего таког не построишь, так чтобы работало в любой точке неба. АО-7 имеет тот же недостаток. О нем впрямую нигде не говорится, но это четко видно из его технического описания.

Кстати, на комбинации ПЗС, ФЭУ и двух последовательных качающихся зеркал такая штуковина вполне вероятно, заработала бы - делаем экспозицию в ~секунду ПЗС, ищем в поле подходящую звезду, вторым качающимся зеркалом наводим ее на ФЭУ, а дальше автогидируем как в схеме Бахтинова (есть, кажется, ее двухкоординатный вариант?), ведь чувствительность ФЭУ существенно больше, а в качестве привода используем первой качающееся зеркало. Может быть, так и удалось бы создать устройство, пригодное для применения в любой или почти любой точке неба...

Хотя это уже достаточно хитроумное устройство и с оптической, и с электронной точки зрения, так что у меня опять же большие сомнения в реализуемости его в любительских условиях.

[Денис Никитин]

Теперь все понятно. Выходит, я действительно тупой, раз такие очевиднейшие вещи не могу разглядеть без помощи.

[anovikov]

Ну что я говорил, господа, переврали вы правило 10/10/10! Вот как оно выглядит в оригинале:

---
As a general rule one can guide at 10 frames a second on a 10th magnitude star with a 10 inch (25cm) telescope
---

Автогидная матрица в ST-7, о которой там шла речь, достигает проницающей способности 10m при экспозиции 16мс (14.5m при 1сек. на 10'' телескопе). Вполне понятно, что еще как минимум 10мс занимает коррекция зеркалом, а остальное - время считывания с матрицы, расчетов компом и т.п. Так что все встает на свои места.

[anovikov]

Кстати, а каким образом обеспечить автогидной матрице поле в 10минут (радиусом, т.е. диаметром 20'?). Это уже более-менее достаточное значение (количество звезд до 10m на расстоянии 10' от любой точки неба - около 0.6, т.е. в областях, более-менее близких к галактическому экватору, звезды будут досаточно надежно находиться), но его же трудно достичь!

В описанном 10'' f/10 телескопе линейный размер 20' в поле зрения - 14,7мм! Много ли Вы знаете ПЗС-матриц такого размера? У всего более-менее доступного размеры обычно около 3.5x5мм, т.е. в 4 раза меньше чем нужно. Опять приходим к необходимости большой светосилы, только теперь с другого конца, и опять эта потребная светосила вылезает в диапазон как минимум f/4...

[anovikov]

Но тут, правда, все решаемо - можно использовать для наведения автогида отдельную трубу типа какого-нибудь фотообъектива - телевика, согласовать их оси можно чуть ли не автоматически, введя поправки в угол наклона управляющего зеркала. Т.е. получается схема "подводочная ПЗС на отдельном объективе -> автогид по двухкоординатному аналогу схемы Бахтинова на ФЭУ + качающееся зеркало в основном телескопе.

Кстати, а как совместить в одном поле ФЭУ для гидирования и собственно съемочную ПЗС?

[Павел Бахтинов]

2anovikov:
Честно говоря, я не понял и половины из того, что Вы предлагаете. Напишите подробнее, пожалуйста.
Пока отвечу на то, что понятно без расшифровки.

...дальше автогидируем как в схеме Бахтинова (есть, кажется, ее двухкоординатный вариант?)

Нет. Профессиональные системы, конечно, есть (они описаны в той же книге Михельсона), но о работающем любительском варианте мне неизвестно.

Ну что я говорил, господа, переврали вы правило 10/10/10! Вот как оно выглядит в оригинале:
---
As a general rule one can guide at 10 frames a second on a 10th magnitude star with a 10 inch (25cm) telescope

Вроде, я то же самое писал на первой странице темы (10.10.03)...

[lorka]

Я тоже долго думал, но так и не "въехал".
"Подводочная ПЗС на отдельном объективе"... Искатель на ПЗС чтоли?

Цитата anovikov:

Кстати, а как совместить в одном поле ФЭУ для гидирования и собственно съемочную ПЗС?

Не иначе как разделить пучок полупрозрачным зеркалом. В системах АО именно так и делается.

Цитата Teleglassmaker:

Ксати, Iorka, фотография про местное гидирование на которую Вы ссылаетесь, случайно не страница из книги Н.Н.Михельсона “Оптические Телескопы”?

Ну да. В одном из предыдущих сообщений в этой теме я упоминал и автора, и название книги, и выложил ссылки на все страницы главы "Гиды".

[Денис Никитин]

Ну что я говорил, господа, переврали вы правило 10/10/10! Вот как оно выглядит в оригинале:

Это я переврал...отдохнуть мне надо, а то крыша уже совсем едет.

[anovikov]

Хорошо, попробую изложить мысль более детально. Писал впопыхах вчера, т.к. была куча работы. Сейчас план на неделю уже выполнен и можно расслабиться :-)

Итак, у нас есть 2 проблемы:

1. Необходимость привода зеркала с большой скоростью.
2. Необходимость нахождения гидируемой звезды в радиусе 10' от наблюдаемого объекта - насколько я знаю это называется "изопланатический угол", иначе колебания звезды и объекта будут настолько разными, что АО не получится.
3. Как следствие (2), необходимость гидирования по достаточно слабым звездам, чтобы можно было найти ее в таком радиусе.
4. В сочетании с (1), это означает необходимость в чрезвычайно высокой чувствительности приемника. Чувствительности, недоступной для ПЗС-матрицы.
5. Кроме того, 10' - это достаточно широкое поле (особенно учитывая что это радиус), и нужно иметь приемник с по крайней мере таким полем зрения.
6. А ведь еще нужно полупрозрачное зеркало, стало быть все экспозиции нужно умножать как минимум на 2.

Теперь в числах. Кружок радиусом 10' - это 1/472724-я часть небесной сферы. Получается, нужно гидировать по звездам до такого блеска, чтобы таких звезд на небе были как минимум 472724, тогда в местах со средней населенностью неба звездами в среднем 1 звезда будет попадать в поле.

Формула для подсчета числа звезд от визуальной величины:
log(N) = 0.754 + 0.4896 V + 0.001159 V^2 - 0.000235 V^3
N = 10^(log(N))

Получаем 10.33m. Необходимое время интеграции, как заявлено - 10мс, т.е. в сравнении с секундной экспозицией прибавляем 5m (100-кратная разница). Получается 15.83m. 10'' инструмент за 1с с матрицей типа ТС-237 выдаст 14.48m, не больше. Разница в 1.35m - это 3.5 раза. Получается, что у нас либо:

1. Нужно использовать в 3.5 раза более чувствительный приемник, чем стандартная ПЗС (ФЭУ например подошел бы, определенно).
2. Нужно использовать большее время интеграции, например 35мс. Умножаем на два из-за полупрозрачного зеркала (оптимистичный вариант). 70мс. Учитывая, что у качающегося зеркала в АО-7 время реакции - 10мс, получаем полное время реакции 80мс+время на считывание и расчеты. 5 гц частоты коррекции в такой ситуации реальны, 10 - видимо нет. Это практически предел полезности для АО.

Кроме того, проблема поля зрения. Поле диаметром 20' для f/10 10'' телескопа - это 14.7мм, а таких матриц не бывает (бывают, но стоят они по 5+ килобаксов и время считывания у них гораздо больше допустимого для нас). Получается, нужен светосильный инструмент, где-то f/4, чтобы поле поместилось в нормальную ПЗС хотя бы по большей части (для обычной охранной камеры это будет примерно как описанная окружность, т.е. примерно 60% прощади покроется). Т.е. уже получаем в среднем 0.6 звезды на матрице, предельная светосила, вносящая сильные искажения, и предельно низкая частота коррекции для АО. Фактически бесполезный инструмент.

[anovikov]

На ПЗС, как получаем, можно сделать хороший автогид. При периоде коррекции в секунду оно будет уже хорошо работать на зеркале, отсекающем скажем 35-40% света на инструменте даже f/10.

Но чтобы получилось настоящее АО, работающее не номинально, а применимое с большой вероятностью в реальных наблюдениях, нужен более чувствительный приемник, способный работать на более широком поле.

Можно сделать, действительно, ПЗС-искатель с масштабом изображения раз в 5 более мелком, чем основной инструмент (какой-нибудь фотообъектив-телевик или отдельная труба Ньютона с фокусом миллиметров 400-500) на той же оси. При таком масштабе 20' поле уже полностью поместится в кадр маленькой ПЗСки. С помощью ПЗС (делая длительную, хоть до секунды, экспозицию) ищем в кадре самую яркую звезду. Потом с помощью второго (заднего, стоящего после основного качающегося зеркала и полупрозрачного зеркала, отсекающего свет в сторону основного съемочного приемника) качающегося зеркала в основной трубе наводим на эту опорную звезду ФЭУ. Затем автогидируем с его помощью, используя в качестве привода первое качающееся зеркало.

Схема получается очень сложная, с 2 ПЗС (искателем и основной съемочной), 2 качающимися зеркалами, полупрозрачным зеркалом, да еще и ФЭУ с его оплеткой - зверски высоковольтным источником питания, всеми приспособами для его изоляции, осущения и т.п., и крутой цифровой и аналоговой систмой обработки данных от всего этого добра. Выглядит почти нереально, но это единственно что кажется мне возможным вариантом АО в любительских условиях. Иначе реально получится просто автогид.

[anovikov]

Если же двухкоординатных автогидов на ФЭУ не бывает - значит можно просто сделать вывод, что построить систему адаптивной оптики в любительских условиях невозможно. Вернее возможно, но работать она будет примерно на 3% неба (для f/10 инструмента) в окрестностях ярких звезд.

[lorka]

Если же двухкоординатных автогидов на ФЭУ не бывает - значит можно просто сделать вывод, что построить систему адаптивной оптики в любительских условиях невозможно.

Почему же? Бывают. Первые фотогиды были именно на ФЭУ. В нашей дискуссии я их и подразумеваю. Рисунок ниже (взят из книги Михельсона) показывает принцип их работы. Я дорисовал полупрозрачное зеркало и подсмотровой окуляр (как у Пустыгина). Здесь без деления пучка полупрозрачным зеркалом (как у Бахтинова) не обойтись.
Блок-схему АО выложу позже (сейчас нету времени).
Фактически, АО получается добавлением только качающегося зеркала.

Необходимость нахождения гидируемой звезды в радиусе 10' от наблюдаемого объекта - насколько я знаю это называется "изопланатический угол", иначе колебания звезды и объекта будут настолько разными, что АО не получится.

Только не 10 минут, а 10 секунд. Точнее "изопланатический угол" находится в пределах 10 - 30 секунд (по данным разных авторов). Причем, 30 - это, скорее всего, перебор.
Из этого следует много неприятностей для нас. Об этом позже.

Откуда же взялось значение 10' - это отдельная полукриминальная (в прямом смысле) история. Об этом тоже расскажу позже.