一種新型等高儀的制作方法
【專利摘要】一種新型等高儀，屬于天體測量儀器【技術領域】，解決了現(xiàn)有等高儀難于克服大氣層傾斜的影響，觀測精度低的問題，包括一架呈水平方向放置的反射望遠鏡，所述反射望遠鏡包括鏡體、主鏡和副鏡，鏡體內有支架；支架上方有第一反射鏡和第二反射鏡，其法線相對于水平方向分別偏上和偏下；支架上方有第三反射鏡和第四反射鏡，其法線相對于水平方向分別偏上和偏下；鏡體的頂部設置有第一入射窗和第二入射窗；第二反射鏡和第四反射鏡下方有水銀盤。本發(fā)明將30度等高儀和55度等高儀集中設計在一個鏡體內，結構簡化，可以在兩個不同天頂距的等高圈上進行觀測，從而檢測出大氣層傾斜的量值和方向，提高了等高儀觀測精度。
【專利說明】一種新型等高儀【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于天體測量儀器【技術領域】，特別涉及一種天文經緯度測量的儀器。
【背景技術】[0002]等高觀測方法是十九世紀初葉由高斯提出的，一直沒有被推廣，到二十世紀初葉法國人克勞德發(fā)明了 60°棱鏡等高儀，它是在一架水平放置的折射望遠鏡前面，裝有一塊三個棱角都是60°的等面棱鏡，在一個天頂距為30°的等高圈上觀測，視場中會出現(xiàn)兩個星像，一個星像是被測星星光垂直于棱鏡上面的一個面射入，經過棱鏡下面的另一個面反射進入物鏡而形成的直接像，另一個是星光經過水銀面反射再垂直于棱鏡下面的一個面射入，經過棱鏡上面的一個面反射進入物鏡而形成的水銀反射像，兩顆星像上下相向(或斜向)而行，記錄兩星像相遇的時刻，就是被測星通過等高圈的時刻，利用不少于三顆星的觀測，就能解算出觀測站的天文經、緯度和等高圈的天頂距?？藙诘掳l(fā)展了多星等高法觀測的誤差理論和計算方法。這種經典等高儀的儀器結構比較穩(wěn)定，儀器常數(shù)也比較穩(wěn)定，儀器誤差對觀測結果的影響小，觀測結果受大氣折射模型誤差的影響也小，不需要測定水平差；但是它有兩個不能忽視的缺點:一是每顆被測星一次觀測只有一個記錄時刻讀數(shù)，必然帶進比較大的隨機誤差和人差，二是物鏡的焦距隨著溫度變化而改變，影響被測星通過等高圈的時刻。1938年，法國天文學家丹容提出將一個由雙折射棱鏡構成的超人差測微器裝于光路中，以克服上述的兩個缺點，從而發(fā)明了目視的“超人差棱鏡等高儀”，也是在天頂距30°的等高圈上觀測，1951年生產了一架樣機。為配合國際地球物理年，前后生產了幾十架，我國先后進口了三架。這種儀器成為其后國際時間局系統(tǒng)測時、測緯的主要儀器之一，也對我國的世界時系統(tǒng)起了支撐作用。我國在上世紀60年代開始研制的光電等高儀，是由目視觀測改為光電記錄，并采用反射望遠鏡來替代折射望遠鏡，觀測原理沒有變化，僅把棱鏡改為左右兩塊反射鏡組成的角鏡，相應地把物鏡前光欄的上下瞳孔改為左右瞳孔，從而免去了檢測望遠鏡焦距變化的麻煩。然而，進一步提高觀測精度的努力卻受到了阻力，原因是不能克服大氣層傾斜的影響，因為在當代高精度的要求下，這是一種不可忽視的影響。因此，如果能有辦法基本排除大氣層傾斜的影響，就可以充分發(fā)揮等高方法的觀測原理對儀器加工、裝配、安裝誤差要求不高的優(yōu)勢，得到更高精度的觀測結果。

【發(fā)明內容】

[0003]為解決現(xiàn)有等高儀觀測時難于克服大氣層傾斜的影響，導致觀測精度低的問題，本發(fā)明提供一種新型等聞儀，其技術方案如下:
[0004]一種新型等高儀，包括一架呈水平方向放置的反射望遠鏡，所述反射望遠鏡包括鏡體，鏡體內安裝有主鏡和副鏡，主鏡為凹面鏡，副鏡為凸面鏡；
[0005]位于副鏡后端的鏡體內安裝有支架；
[0006]位于反射望遠鏡的光軸之上的支架上沿水平方向依次安裝有第一反射鏡和第二反射鏡，其中第一反射鏡位于第二反射鏡和副鏡之間，第一反射鏡的法線相對于水平方向偏上30°.0,第二反射鏡的法線相對于水平方向偏下30°.0,第一反射鏡設置于經過反射望遠鏡的光軸的豎直平面的一側，第二反射鏡設置于經過反射望遠鏡的光軸的豎直平面的另一側；
[0007]位于反射望遠鏡的光軸之下的支架上沿水平方向依次安裝有第三反射鏡和第四反射鏡，其中第三反射鏡位于第四反射鏡和副鏡之間，其中第三反射鏡的法線相對于水平方向偏上17°.5，第四反射鏡的法線相對于水平方向偏下17°.5，第三反射鏡設置于經過反射望遠鏡的光軸的豎直平面的一側，第四反射鏡設置于經過反射望遠鏡的光軸的豎直平面的另一側；
[0008]位于第一反射鏡和副鏡之間的鏡體的頂部設置有第一入射窗；
[0009]位于第三反射鏡和副鏡之間的鏡體的頂部設置有第二入射窗；
[0010]位于第二反射鏡和第四反射鏡下方的鏡體內安裝有水銀盤。
[0011]優(yōu)選地，所述主鏡前面的鏡體內安裝有數(shù)碼相機；
[0012]所述鏡體下方設置有底盤，鏡體和底盤之間安裝有軸承；
[0013]所述底盤的旋轉中心處設置有電機，電機的輸出軸與傳動軸連接，傳動軸與鏡體連接；
[0014]所述底盤下方設置有基墩，底盤和基墩之間安裝有支撐座。
[0015]優(yōu)選地，所述主鏡和副鏡之間設置有光欄，光欄上設置有均呈圓孔狀的第一通光孔徑、第二通光孔徑、第三通光孔徑和第四通光孔徑，其中第一通光孔徑與第一反射鏡相對應，第二通光孔徑與第二反射鏡相對應，第三通光孔徑與第三反射鏡相對應，第四通光孔徑與第四反射鏡相對應。
[0016]優(yōu)選地，所述主鏡的有效口徑為300毫米，焦距為3米；
[0017]所述副鏡的口徑為100毫米；
[0018]所述第一反射鏡長18厘米，寬15厘米；
[0019]所述第二反射鏡長18厘米，寬15厘米；
[0020]所述第三反射鏡長16厘米，寬15厘米；
[0021]所述第四反射鏡長16厘米，寬15厘米；
[0022]所述第一通光孔徑、第二通光孔徑、第三通光孔徑和第四通光孔徑的直徑均小于等于124毫米；
[0023]所述水銀盤為一個呈倒置的四棱臺狀的槽體，水銀盤中的水銀面長30厘米、寬16厘米，水銀盤的底部長20厘米、寬6厘米，水銀深度為1.2毫米。
[0024]本發(fā)明儀器的主體是一架水平方向放置的反射望遠鏡，主鏡的有效口徑3 O O毫米，焦距3米。主鏡前面固定裝有一只不作跟蹤的數(shù)碼相機，主鏡后面是口徑約100毫米的凸面副鏡。副鏡后面(主鏡對面)，是前后各有錯開地左右上下順序排列的、法線的俯仰角不同的四塊平面反射鏡。
[0025]本發(fā)明中的第一反射鏡為30°天頂距直接像的反射鏡，用于天頂距30°等高圈的待測恒星生成直接像，第二反射鏡為30°天頂距水銀像的反射鏡，用于天頂距30°等高圈的待測恒星生成水銀反射像；
[0026]第三反射鏡為55度天頂距直接像的反射鏡，用于天頂距55°等高圈的待測恒星生成直接像，第四反射鏡為55度天頂距水銀像的反射鏡，用于天頂距55°等高圈的待測恒星生成水銀反射像；
[0027]本發(fā)明中的四塊平面反射鏡左右、上下排列著，下面的兩塊長16公分，寬15公分，用于天頂距55°等高圈的觀測，從主鏡向前看，其中右邊一塊的法線相對于水平方向偏上17°.5，用于生成直接像，左邊一塊的法線偏下17°.5，用于生成水銀反射像。上面的兩塊平面反射鏡長18公分，寬15公分，用于天頂距30°等高圈的觀測，其中右邊一塊的法線相對于水平方向偏上30°.0，用于生成直接像，左邊一塊的法線偏下30°.0，用于生成水銀反射像。
[0028]這樣，生成的四個星像所對應的通光孔徑示意如圖4所示，在主鏡前面設置一塊具有四個圓孔的光欄，對于有效口徑300毫米的主鏡而言，則每個圓孔的直徑不超過124毫米，相當于一架有效口徑約100毫米左右的反射望遠鏡。
[0029]平面反射鏡的這樣安排，對同一個等高圈的觀測而言，雖然都是左右瞳孔，但各自的兩顆星像都是由主鏡的上半部分或下半部分的反射光生成的，望遠鏡焦距隨溫度的變化對星像在數(shù)碼相機靶面上的位置會產生微小的影響，即同時影響兩顆星像相遇時刻的上下位置，不過它對兩顆星像相遇的時刻卻沒有影響。
[0030]至于只采用主鏡的一部分反射光成像，會不會產生比較大的像差問題，這從前人的實踐來看，沒有問題。超人差棱鏡等高儀是在主鏡前面設置了上下兩個橢圓光孔的光欄，我國的光電等高儀也在主鏡前面設置了左右兩個橢圓光孔的光欄，都取得了滿意的成像效果；另從在多功能天文經緯儀上僅占用1%主鏡面積形成的人造星像來看，還是能達到要求的。
[0031]四塊平面反射鏡安裝在同一個支架上，要求能夠微調每塊平面反射鏡法線指向的左右偏角和俯仰偏角，并能鎖緊。支架的材料要求膨脹系數(shù)盡量小，能否用微晶玻璃膠粘而成，或者采用其他材料，待具體設計時考慮。
[0032]在左邊兩塊平面反射鏡的下方，有一只水銀面寬16公分、長30公分的長方形水銀盤，底面的平底部分寬6公分、長20公分，每邊的斜面寬5公分，斜度為1/40，平底的水銀深度約為1.2毫米。
[0033]反射望遠鏡及其作為接受終端的數(shù)碼相機、平面反射鏡及其支架、水銀盤等部件，都安裝在一個帶有入射光窗口的鏡筒內，這是儀器的上半部分，固定在一個帶有方位傳動系統(tǒng)的平臺上，鏡筒與平臺之間具有進行鏡筒相對于平臺的左右方向和前后方向水平差微調機構和鎖緊裝置。儀器僅需要作方位傳動，采用分辨率達到±0'，.1、重復精度達到±1' /.0的圓感應同步器來控制和讀取儀器的方位轉角。方位傳動系統(tǒng)要求具備兩個功能:一是能在35秒鐘時間內把儀器旋轉到觀測綱要給定的方位角，最大旋轉角度為330°，并且含正負兩個方向；二是能以隨等高圈的天頂距和被測星的預置方位而變的速度跟蹤星像，跟蹤速度由觀測綱要給出，也含正負兩個方向。
[0034]平臺下方有點、線、面的三支撐，用于把儀器的水平差和方位差調節(jié)到允許的范圍內(例如±5'')。
[0035]本儀器上不設置精確測定水平差和方位差的裝置，僅從數(shù)碼相機上圖象處理得到的兩星像的左右距離、兩星像相遇時刻的豎直位置(y坐標)和水平位置(X坐標)，來分別判斷出儀器左右方向的水平差、前后方向的水平差和方位差，以便利用三支撐把它們調節(jié)到允許的范圍內。[0036]本發(fā)明中，第一反射鏡和第二反射鏡構成30度等高儀，用于天頂距30°等高圈的觀測；第三反射鏡和第四反射鏡構成55度等高儀，用于天頂距55°等高圈的觀測。本發(fā)明將上述30度等高儀和55度等高儀巧妙地集中設計在一個鏡體內，結構簡化，通過本發(fā)明等高儀，在兩個不同天頂距的等高圈上進行觀測，可以檢測出大氣層傾斜的量值和方向。也就是在一組被測星的觀測綱要中，穿插排列在兩個等高圈上觀測的被測星，分別進行觀測，取得各自通過等高圈的記錄時刻，再把這些記錄時刻按等高圈分為兩個分組，用最小二乘法分別計算得到各自的天文經緯度測定值，通過兩個分組天文經緯度測定值之差值，計算出大氣層傾斜的量值和傾斜方向，用于對天文經緯度測定值作修正，從而排除大氣層傾斜的影響，達到提聞等聞儀觀測精度的目的。
[0037]具體過程如下所述:
[0038]鑒于地球大氣對地面觀測的不利影響是觀測誤差的主要來源之一，可以分為三個層次來對待:一是寧靜大氣的天文大氣折射，二是變化周期為小時量級到幾天量級的大氣等密度層傾斜，三是隨機的大氣抖動和湍流。
[0039]我們的地球被一層濃密的大氣所包圍，我們稱之為大氣層。遙遠的星光來到地球，穿過大氣層之后被我們的人眼所接收，從而我們看到了遙遠的星星。光線(更廣泛地講，電磁波)有一種特點，當它通過不同的物質，或者是物質本身不均勻，就會有折射發(fā)生，光線就不再沿直線傳播，這一點在生活上最常見的例子是斜放在水碗中的筷子，看起來好像變彎折了的樣子。由于大氣層是由于重力的原因才包圍在地球周圍，所以地球表面的空氣密度大，而遠離地球表面的空氣密度小，所以當星光從太空的真空環(huán)境進入大氣層的時候，隨著空氣密度的增加，光線的傳播路徑也逐漸彎曲，以至于我們看到的星星的方向(就是光線進入人眼或者儀器時的反方向)并不是真正的星星的所在位置的方向。這一點，就如同在水中看岸上的景物一樣，存在著偏差。這點偏差就會對天文觀測產生影響，隨著天頂距的增加，這個偏差逐漸增大。人類經過長期的研究，逐漸掌握了大氣折射的規(guī)律，并且基于一種理想假設編制了大氣折射表:假設地球表面的大氣是由一層層的同心等密度層球殼組成的。然而，這個表基本反映了大氣折射的情況，有著廣泛的應用。
[0040]但因為大氣層并不總是這樣呈均勻的同心球層，由于氣象的原因，局部的大氣等密度層會發(fā)生傾斜，也就是說局部地區(qū)不再是同心球層，這一現(xiàn)象即稱之為“大氣等密度層傾斜”，又簡稱“大氣層傾斜”。在同心球層的條件下，局部大氣層可以認為是平行于水平面的平行層，所謂的傾斜情況，也就是局部的等密度大氣層不再平行于水平面。當存在大氣層傾斜的時候，來自頭頂正上方的星光雖然仍然是垂直于水平面，但是在通過大氣層的時候就會產生折射，以至于看起來這個星星不再是位于正頭頂?shù)姆较蛄?。由于正頭頂?shù)姆较蚴瞧渌叨确较虻钠鹚泓c，因此頭頂方向的偏差就使得所有星體的觀測結果存在偏差，雖然偏差很小，但對于高精度的測量是不可忽略的。
[0041]寧靜大氣的天文大氣折射通常采用已有的大氣折射表，根據(jù)觀測時刻的氣溫、氣壓讀數(shù)來計算和修正。在高要求的情況下，則采用本地的大氣折射實測模型作修正。
[0042]從幾十年等高儀觀測結果來看，大氣等密度層傾斜的影響是存在的，使用本發(fā)明等高儀在兩個天頂距的等高圈上觀測，就是為了檢測大氣等密度層傾斜量和傾斜方向，用于對每組星觀測得到的天文經緯度測定值作修正，以保證觀測數(shù)據(jù)的干凈可靠。天頂距是用來描述天體位置的一個參量，其定義為:在天體方位圈上，天體與天頂之間的角距離。[0043]隨機的大氣抖動和湍流，是影響觀測精度的主要因素之一，利用連續(xù)短曝光取得的多幅圖像進行星像定位，并對它們的量度坐標作平滑處理，可以壓縮這種隨機的影響。
[0044]等高方法觀測求解天文經緯度測定值的誤差方程式為:
【權利要求】
1.一種新型等高儀，包括一架呈水平方向放置的反射望遠鏡，所述反射望遠鏡包括鏡體(13)，鏡體(13)內安裝有主鏡(2)和副鏡(3)，主鏡(2)為凹面鏡，副鏡(3)為凸面鏡； 其特征在于: 位于副鏡(3)后端的鏡體(13)內安裝有支架(20)； 位于反射望遠鏡的光軸之上的支架(20)上沿水平方向依次安裝有第一反射鏡(8)和第二反射鏡(10)，其中第一反射鏡(8)位于第二反射鏡(10)和副鏡(3)之間，第一反射鏡(8)的法線相對于水平方向偏上30° O，第二反射鏡(10)的法線相對于水平方向偏下3(Τ.0 ,第一反射鏡(8)設置于經過反射望遠鏡的光軸的豎直平面的一側，第二反射鏡(10)設置于經過反射望遠鏡的光軸的豎直平面的另一側； 位于反射望遠鏡的光軸之下的支架(20)上沿水平方向依次安裝有第三反射鏡(9)和第四反射鏡(11)，其中第三反射鏡(9)位于第四反射鏡(11)和副鏡(3)之間，其中第三反射鏡(9)的法線相對于水平方向偏上17°5,第四反射鏡(11)的法線相對于水平方向偏下17°5,第三反射鏡(9)設置于經過反射望遠鏡的光軸的豎直平面的一側，第四反射鏡(11)設置于經過反射望遠鏡的光軸的豎直平面的另一側； 位于第一反射鏡(8)和副鏡 (3)之間的鏡體(13)的頂部設置有第一入射窗(7)； 位于第三反射鏡(9)和副鏡(3)之間的鏡體(13)的頂部設置有第二入射窗(5)； 位于第二反射鏡(10)和第四反射鏡(11)下方的鏡體(13)內安裝有水銀盤(12)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種新型等高儀，其特征在于: 所述主鏡(2)前面的鏡體(13)內安裝有數(shù)碼相機(I)； 所述鏡體(13)下方設置有底盤(15)，鏡體(13)和底盤(15)之間安裝有軸承(14)； 所述底盤(15)的旋轉中心處設置有電機(17)，電機(17)的輸出軸與傳動軸(16)連接，傳動軸(16)與鏡體(13)連接； 所述底盤(15 )下方設置有基墩(19 )，底盤(15 )和基墩(19 )之間安裝有支撐座(18 )。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種新型等高儀，其特征在于: 所述主鏡(2)和副鏡(3)之間設置有光欄(25)，光欄(25)上設置有均呈圓孔狀的第一通光孔徑(21)、第二通光孔徑(22)、第三通光孔徑(23)和第四通光孔徑(24)，其中第一通光孔徑(21)與第一反射鏡(8)相對應，第二通光孔徑(22)與第二反射鏡(10)相對應，第三通光孔徑(23)與第三反射鏡(9)相對應，第四通光孔徑(24)與第四反射鏡(11)相對應。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種新型等高儀，其特征在于: 所述主鏡(2)的有效口徑為300毫米，焦距為3米； 所述副鏡(3)的口徑為100毫米； 所述第一反射鏡(8)長18厘米，寬15厘米； 所述第二反射鏡(10)長18厘米，寬15厘米； 所述第三反射鏡(9)長16厘米，寬15厘米； 所述第四反射鏡(11)長16厘米，寬15厘米； 所述第一通光孔徑(21)、第二通光孔徑(22 )、第三通光孔徑(23 )和第四通光孔徑(24 )的直徑均小于等于124毫米；.所述水銀盤(12)為一個呈倒置的四棱臺狀的槽體，水銀盤(12)中的水銀面長30厘米、寬16厘米，水銀盤(12)的底部長20厘米、寬6厘米，水銀深度為1.2毫米。
【文檔編號】G01C1/02GK103499331SQ201310449850
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月28日 優(yōu)先權日:2013年9月28日
【發(fā)明者】程向明, 張益恭, 陳林飛, 楊磊, 蘇婕, 王建成, 冒蔚, 鐵瓊仙 申請人:中國科學院云南天文臺