一种新型等高仪的制作方法
【专利摘要】一种新型等高仪，属于天体测量仪器【技术领域】，解决了现有等高仪难于克服大气层倾斜的影响，观测精度低的问题，包括一架呈水平方向放置的反射望远镜，所述反射望远镜包括镜体、主镜和副镜，镜体内有支架；支架上方有第一反射镜和第二反射镜，其法线相对于水平方向分别偏上和偏下；支架上方有第三反射镜和第四反射镜，其法线相对于水平方向分别偏上和偏下；镜体的顶部设置有第一入射窗和第二入射窗；第二反射镜和第四反射镜下方有水银盘。本实用新型将30度等高仪和55度等高仪集中设计在一个镜体内，结构简化，可以在两个不同天顶距的等高圈上进行观测，从而检测出大气层倾斜的量值和方向，提高了等高仪观测精度。
【专利说明】一种新型等高仪
【技术领域】
[0001]本实用新型属于天体测量仪器【技术领域】，特别涉及一种天文经纬度测量的仪器。【背景技术】
[0002]等高观测方法是十九世纪初叶由高斯提出的，一直没有被推广，到二十世纪初叶法国人克劳德发明了 60°棱镜等高仪，它是在一架水平放置的折射望远镜前面，装有一块三个棱角都是60°的等面棱镜，在一个天顶距为30°的等高圈上观测，视场中会出现两个星像，一个星像是被测星星光垂直于棱镜上面的一个面射入，经过棱镜下面的另一个面反射进入物镜而形成的直接像，另一个是星光经过水银面反射再垂直于棱镜下面的一个面射入，经过棱镜上面的一个面反射进入物镜而形成的水银反射像，两颗星像上下相向(或斜向)而行，记录两星像相遇的时刻，就是被测星通过等高圈的时刻，利用不少于三颗星的观测，就能解算出观测站的天文经、纬度和等高圈的天顶距。克劳德发展了多星等高法观测的误差理论和计算方法。这种经典等高仪的仪器结构比较稳定，仪器常数也比较稳定，仪器误差对观测结果的影响小，观测结果受大气折射模型误差的影响也小，不需要测定水平差；但是它有两个不能忽视的缺点:一是每颗被测星一次观测只有一个记录时刻读数，必然带进比较大的随机误差和人差，二是物镜的焦距随着温度变化而改变，影响被测星通过等高圈的时刻。1938年，法国天文学家丹容提出将一个由双折射棱镜构成的超人差测微器装于光路中，以克服上述的两个缺点，从而发明了目视的“超人差棱镜等高仪”，也是在天顶距30°的等高圈上观测，1951年生产了一架样机。为配合国际地球物理年，前后生产了几十架，我国先后进口 了三架。这种仪器成为其后国际时间局系统测时、测纬的主要仪器之一，也对我国的世界时系统起了支撑作用。我国在上世纪60年代开始研制的光电等高仪，是由目视观测改为光电记录，并采用反射望远镜来替代折射望远镜，观测原理没有变化，仅把棱镜改为左右两块反射镜组成的角镜，相应地把物镜前光栏的上下瞳孔改为左右瞳孔，从而免去了检测望远镜焦距变化的麻烦。然而，进一步提高观测精度的努力却受到了阻力，原因是不能克服大气层倾斜的影响，因为在当代高精度的要求下，这是一种不可忽视的影响。因此，如果能有办法基本排除大气层倾斜的影响，就可以充分发挥等高方法的观测原理对仪器加工、装配、安装误差要求不高的优势，得到更高精度的观测结果。
实用新型内容
[0003]为解决现有等高仪观测时难于克服大气层倾斜的影响，导致观测精度低的问题，本实用新型提供一种新型等高仪，其技术方案如下:
[0004]一种新型等高仪，包括一架呈水平方向放置的反射望远镜，所述反射望远镜包括镜体，镜体内安装有主镜和副镜，主镜为凹面镜，副镜为凸面镜；
[0005]位于副镜后端的镜体内安装有支架；
[0006]位于反射望远镜的光轴之上的支架上沿水平方向依次安装有第一反射镜和第二反射镜，其中第一反射镜位于第二反射镜和副镜之间，第一反射镜的法线相对于水平方向偏上30°.0,第二反射镜的法线相对于水平方向偏下30°.0,第一反射镜设置于经过反射望远镜的光轴的竖直平面的一侧，第二反射镜设置于经过反射望远镜的光轴的竖直平面的另一侧；
[0007]位于反射望远镜的光轴之下的支架上沿水平方向依次安装有第三反射镜和第四反射镜，其中第三反射镜位于第四反射镜和副镜之间，其中第三反射镜的法线相对于水平方向偏上17°.5，第四反射镜的法线相对于水平方向偏下17°.5，第三反射镜设置于经过反射望远镜的光轴的竖直平面的一侧，第四反射镜设置于经过反射望远镜的光轴的竖直平面的另一侧；
[0008]位于第一反射镜和副镜之间的镜体的顶部设置有第一入射窗；
[0009]位于第三反射镜和副镜之间的镜体的顶部设置有第二入射窗；
[0010]位于第二反射镜和第四反射镜下方的镜体内安装有水银盘。
[0011]优选地，所述主镜前面的镜体内安装有数码相机；
[0012]所述镜体下方设置有底盘，镜体和底盘之间安装有轴承；
[0013]所述底盘的旋转中心处设置有电机，电机的输出轴与传动轴连接，传动轴与镜体连接；
[0014]所述底盘下方设置有基墩，底盘和基墩之间安装有支撑座。
[0015]优选地，所述主镜和副镜之间设置有光栏，光栏上设置有均呈圆孔状的第一通光孔径、第二通光孔径、第三通光孔径和第四通光孔径，其中第一通光孔径与第一反射镜相对应，第二通光孔径与第二反射镜相对应，第三通光孔径与第三反射镜相对应，第四通光孔径与第四反射镜相对应。
[0016]优选地，所述主镜的有效口径为300毫米，焦距为3米；
[0017]所述副镜的口径为100毫米；
[0018]所述第一反射镜长18厘米，宽15厘米；
[0019]所述第二反射镜长18厘米，宽15厘米；
[0020]所述第三反射镜长16厘米，宽15厘米；
[0021]所述第四反射镜长16厘米，宽15厘米；
[0022]所述第一通光孔径、第二通光孔径、第三通光孔径和第四通光孔径的直径均小于等于124毫米；
[0023]所述水银盘为一个呈倒置的四棱台状的槽体，水银盘中的水银面长30厘米、宽16厘米，水银盘的底部长20厘米、宽6厘米，水银深度为1.2毫米。
[0024]本实用新型仪器的主体是一架水平方向放置的反射望远镜，主镜的有效口径300毫米，焦距3米。主镜前面固定装有一只不作跟踪的数码相机，主镜后面是口径约100毫米的凸面副镜。副镜后面(主镜对面)，是前后各有错开地左右上下顺序排列的、法线的俯仰角不同的四块平面反射镜。
[0025]本实用新型中的第一反射镜为30°天顶距直接像的反射镜，用于天顶距30°等高圈的待测恒星生成直接像，第二反射镜为30°天顶距水银像的反射镜，用于天顶距30°等高圈的待测恒星生成水银反射像；
[0026]第三反射镜为55度天顶距直接像的反射镜，用于天顶距55°等高圈的待测恒星生成直接像，第四反射镜为55度天顶距水银像的反射镜，用于天顶距55°等高圈的待测恒星生成水银反射像；
[0027]本实用新型中的四块平面反射镜左右、上下排列着，下面的两块长16公分，宽15公分，用于天顶距55°等高圈的观测，从主镜向前看，其中右边一块的法线相对于水平方向偏上17°.5，用于生成直接像，左边一块的法线偏下17°.5，用于生成水银反射像。上面的两块平面反射镜长18公分，宽15公分，用于天顶距30°等高圈的观测，其中右边一块的法线相对于水平方向偏上30°.0，用于生成直接像，左边一块的法线偏下30°.0，用于生成水银反射像。
[0028]这样，生成的四个星像所对应的通光孔径示意如图4所示，在主镜前面设置一块具有四个圆孔的光栏，对于有效口径300毫米的主镜而言，则每个圆孔的直径不超过124毫米，相当于一架有效口径约100毫米左右的反射望远镜。
[0029]平面反射镜的这样安排，对同一个等高圈的观测而言，虽然都是左右瞳孔，但各自的两颗星像都是由主镜的上半部分或下半部分的反射光生成的，望远镜焦距随温度的变化对星像在数码相机靶面上的位置会产生微小的影响，即同时影响两颗星像相遇时刻的上下位置，不过它对两颗星像相遇的时刻却没有影响。
[0030]至于只采用主镜的一部分反射光成像，会不会产生比较大的像差问题，这从前人的实践来看，没有问题。超人差棱镜等高仪是在主镜前面设置了上下两个椭圆光孔的光栏，我国的光电等高仪也在主镜前面设置了左右两个椭圆光孔的光栏，都取得了满意的成像效果；另从在多功能天文经纬仪上仅占用1%主镜面积形成的人造星像来看，还是能达到要求的。
[0031]四块平面反射镜安装在同一个支架上，要求能够微调每块平面反射镜法线指向的左右偏角和俯仰偏角，并能锁紧。支架的材料要求膨胀系数尽量小，能否用微晶玻璃胶粘而成，或者采用其他材料，待具体设计时考虑。
[0032]在左边两块平面反射镜的下方，有一只水银面宽16公分、长30公分的长方形水银盘，底面的平底部分宽6公分、长20公分，每边的斜面宽5公分，斜度为1/40，平底的水银深度约为1.2毫米。
[0033]反射望远镜及其作为接受终端的数码相机、平面反射镜及其支架、水银盘等部件，都安装在一个带有入射光窗口的镜筒内，这是仪器的上半部分，固定在一个带有方位传动系统的平台上，镜筒与平台之间具有进行镜筒相对于平台的左右方向和前后方向水平差微调机构和锁紧装置。仪器仅需要作方位传动，采用分辨率达到±0".1、重复精度达到±1".0的圆感应同步器来控制和读取仪器的方位转角。方位传动系统要求具备两个功能:一是能在35秒钟时间内把仪器旋转到观测纲要给定的方位角，最大旋转角度为330°，并且含正负两个方向；二是能以随等高圈的天顶距和被测星的预置方位而变的速度跟踪星像，跟踪速度由观测纲要给出，也含正负两个方向。
[0034]平台下方有点、线、面的三支撑，用于把仪器的水平差和方位差调节到允许的范围内(例如±5")。
[0035]本仪器上不设置精确测定水平差和方位差的装置，仅从数码相机上图象处理得到的两星像的左右距离、两星像相遇时刻的竖直位置(y坐标)和水平位置(X坐标)，来分别判断出仪器左右方向的水平差、前后方向的水平差和方位差，以便利用三支撑把它们调节到允许的范围内。[0036]本实用新型中，第一反射镜和第二反射镜构成30度等高仪，用于天顶距30°等高圈的观测；第三反射镜和第四反射镜构成55度等高仪，用于天顶距55°等高圈的观测。本实用新型将上述30度等高仪和55度等高仪巧妙地集中设计在一个镜体内，结构简化，通过本实用新型等高仪，在两个不同天顶距的等高圈上进行观测，可以检测出大气层倾斜的量值和方向。也就是在一组被测星的观测纲要中，穿插排列在两个等高圈上观测的被测星，分别进行观测，取得各自通过等高圈的记录时刻，再把这些记录时刻按等高圈分为两个分组，用最小二乘法分别计算得到各自的天文经纬度测定值，通过两个分组天文经纬度测定值之差值，计算出大气层倾斜的量值和倾斜方向，用于对天文经纬度测定值作修正，从而排除大气层倾斜的影响，达到提闻等闻仪观测精度的目的。
[0037]具体过程如下所述:
[0038]鉴于地球大气对地面观测的不利影响是观测误差的主要来源之一，可以分为三个层次来对待:一是宁静大气的天文大气折射，二是变化周期为小时量级到几天量级的大气等密度层倾斜，三是随机的大气抖动和湍流。
[0039]我们的地球被一层浓密的大气所包围，我们称之为大气层。遥远的星光来到地球，穿过大气层之后被我们的人眼所接收，从而我们看到了遥远的星星。光线(更广泛地讲，电磁波)有一种特点，当它通过不同的物质，或者是物质本身不均匀，就会有折射发生，光线就不再沿直线传播，这一点在生活上最常见的例子是斜放在水碗中的筷子，看起来好像变弯折了的样子。由于大气层是由于重力的原因才包围在地球周围，所以地球表面的空气密度大，而远离地球表面的空气密度小，所以当星光从太空的真空环境进入大气层的时候，随着空气密度的增加，光线的传播路径也逐渐弯曲，以至于我们看到的星星的方向(就是光线进入人眼或者仪器时的反方向)并不是真正的星星的所在位置的方向。这一点，就如同在水中看岸上的景物一样，存在着偏差。这点偏差就会对天文观测产生影响，随着天顶距的增加，这个偏差逐渐增大。人类经过长期的研究，逐渐掌握了大气折射的规律，并且基于一种理想假设编制了大气折射表:假设地球表面的大气是由一层层的同心等密度层球壳组成的。然而，这个表基本反映了大气折射的情况，有着广泛的应用。
[0040]但因为大气层并不总是这样呈均匀的同心球层，由于气象的原因，局部的大气等密度层会发生倾斜，也就是说局部地区不再是同心球层，这一现象即称之为“大气等密度层倾斜”，又简称“大气层倾斜”。在同心球层的条件下，局部大气层可以认为是平行于水平面的平行层，所谓的倾斜情况，也就是局部的等密度大气层不再平行于水平面。当存在大气层倾斜的时候，来自头顶正上方的星光虽然仍然是垂直于水平面，但是在通过大气层的时候就会产生折射，以至于看起来这个星星不再是位于正头顶的方向了。由于正头顶的方向是其他高度方向的起算点，因此头顶方向的偏差就使得所有星体的观测结果存在偏差，虽然偏差很小，但对于高精度的测量是不可忽略的。
[0041]宁静大气的天文大气折射通常采用已有的大气折射表，根据观测时刻的气温、气压读数来计算和修正。在高要求的情况下，则采用本地的大气折射实测模型作修正。
[0042]从几十年等高仪观测结果来看，大气等密度层倾斜的影响是存在的，使用本实用新型等高仪在两个天顶距的等高圈上观测，就是为了检测大气等密度层倾斜量和倾斜方向，用于对每组星观测得到的天文经纬度测定值作修正，以保证观测数据的干净可靠。天顶距是用来描述天体位置的一个参量，其定义为:在天体方位圈上，天体与天顶之间的角距离。
[0043]随机的大气抖动和湍流，是影响观测精度的主要因素之一，利用连续短曝光取得的多幅图像进行星像定位，并对它们的量度坐标作平滑处理，可以压缩这种随机的影响。
[0044]等高方法观测求解天文经纬度测定值的误差方程式为:
[0045]公式一:
【权利要求】
1.一种新型等高仪，包括一架呈水平方向放置的反射望远镜，所述反射望远镜包括镜体(13)，镜体(13)内安装有主镜(2)和副镜(3)，主镜(2)为凹面镜，副镜(3)为凸面镜；其特征在于: 位于副镜(3)后端的镜体(13)内安装有支架(20)； 位于反射望远镜的光轴之上的支架(20)上沿水平方向依次安装有第一反射镜(8)和第二反射镜(10)，其中第一反射镜(8)位于第二反射镜(10)和副镜(3)之间，第一反射镜(8)的法线相对于水平方向偏上30° 0，第二反射镜(10)的法线相对于水平方向偏下3(^.0 ,第一反射镜(8)设置于经过反射望远镜的光轴的竖直平面的一侧，第二反射镜(10)设置于经过反射望远镜的光轴的竖直平面的另一侧； 位于反射望远镜的光轴之下的支架(20)上沿水平方向依次安装有第三反射镜(9)和第四反射镜(11)，其中第三反射镜(9)位于第四反射镜(11)和副镜(3)之间，其中第三反射镜(9)的法线相对于水平方向偏上17°5,第四反射镜(11)的法线相对于水平方向偏下17°5,第三反射镜(9)设置于经过反射望远镜的光轴的竖直平面的一侧，第四反射镜(11)设置于经过反射望远镜的光轴的竖直平面的另一侧； 位于第一反射镜(8)和副镜(3)之间的镜体(13)的顶部设置有第一入射窗(7)； 位于第三反射镜(9)和副镜(3)之间的镜体(13)的顶部设置有第二入射窗(5)； 位于第二反射镜(10)和第四反射镜(11)下方的镜体(13)内安装有水银盘(12)。
2.根据权利要求1所述的一种新型等高仪，其特征在于: 所述主镜(2)前面的镜体(13)内安装有数码相机(I)； 所述镜体(13)下方设置有底盘(15)，镜体(13)和底盘(15)之间安装有轴承(14)； 所述底盘(15)的旋转中心处设置有电机(17)，电机(17)的输出轴与传动轴(16)连接，传动轴(16)与镜体(13)连接； 所述底盘(15 )下方设置有基墩(19 )，底盘(15 )和基墩(19 )之间安装有支撑座(18 )。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型等高仪，其特征在于: 所述主镜(2)和副镜(3)之间设置有光栏(25)，光栏(25)上设置有均呈圆孔状的第一通光孔径(21)、第二通光孔径(22)、第三通光孔径(23)和第四通光孔径(24)，其中第一通光孔径(21)与第一反射镜(8)相对应，第二通光孔径(22)与第二反射镜(10)相对应，第三通光孔径(23)与第三反射镜(9)相对应，第四通光孔径(24)与第四反射镜(11)相对应。
4.根据权利要求3所述的一种新型等高仪，其特征在于: 所述主镜(2)的有效口径为300毫米，焦距为3米； 所述副镜(3)的口径为100毫米； 所述第一反射镜(8)长18厘米，宽15厘米； 所述第二反射镜(10)长18厘米，宽15厘米； 所述第三反射镜(9)长16厘米，宽15厘米； 所述第四反射镜(11)长16厘米，宽15厘米； 所述第一通光孔径(21)、第二通光孔径(22 )、第三通光孔径(23 )和第四通光孔径(24 )的直径均小于等于124毫米；所述水银盘(12)为一个呈倒置的四棱台状的槽体，水银盘(12)中的水银面长30厘米、宽16厘米，水银盘(12 )的底部长20厘米、宽6厘米，水银深度为1.2毫米。
【文档编号】G01C1/02GK203534580SQ201320602521
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年9月28日 优先权日:2013年9月28日
【发明者】程向明, 张益恭, 陈林飞, 杨磊, 苏婕, 王建成, 冒蔚, 铁琼仙 申请人:中国科学院云南天文台