Störgrößenkompensation bei Riesenteleskopen

Bearbeiter Dipl.-Ing. Michael Böhm (seit 10/2011)
Dipl.-Ing. Alexander Keck (seit 01/2012)
Dipl.-Ing. Martin Glück (seit 10/2014)


Prjektpartner Max-Planck-Institut für Astronomie, LBTO

 

 

 

Beschreibung

Das Large Binocular Telescope (LBT) ist das weltweit modernste Teleskop für die Messung im infraroten und sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts. Dazu besitzt das Spiegelteleskop zwei symmetrische Spiegelsysteme mit jeweils einem Primärspiegel von 8.4m Durchmesser und einem adaptiven Sekundärspiegel von ca. 1m Durchmesser.

Während des Betriebs kommt es am LBT zu unerwünschten Vibrationen, die durch auftretende Windlasten oder hochfrequente mechanischen Störungen durch Geräte und Maschinen im Teleskop-Gebäude hervorgerufen werden. Dies führt wiederum dazu, dass das einfallende Licht in den beiden symmetrischen Spiegelsystemen nicht genau den gleichen optischen Weg zum Detektor zurücklegt und diese Differenz bei interferometrischen Messungen während der Lichtintegration am Detektor zu einem Verschmieren der sogenannten Fringe-Muster führt.

Ziel dieses Projektes ist es daher, Methoden zur zuverlässigen Schätzung von Teleskopvibrationen aus vorhandenen Beschleunigungsmessungen zu entwickeln und die Differenz im optischen Strahlengang (Optical Pathway Difference - OPD) zu schätzen. Nachfolgend wird ein Regler entworfen, der unter Zuhilfenahme eines opto-mechanischen Korrekturlements die gestörte OPD korrigiert und die maximalen Phasenabweichungen im optischen Strahlengang des Teleskops auf weniger als 100nm minimiert. Die unterlagerte Regelung für das mittels Piezoaktuatoren verschiebbare optische Korrekturelement wurde ebenfalls am ISYS entwickelt.

Das in dem oberen Bild vom Large Binocular Telescope dargestellte Entwicklungsstadium des mechanischen Aufbaus lässt bereits die zwei Primärspiegel (auf der rot gestrichenen Trägerstruktur) und die zwei adaptiven Sekundärspiegel (an den schwarz gestrichenen Auslegerarmen) erkennen. Die zwei adaptiven Sekundärspiegel können ihre Oberfläche durch je 672 verteilte Schwingspulen-Aktuatoren verformen. Damit kann eine Phasenkorrektur des einfallenden Lichtes zur Kompensation atmosphärischer Turbulenzen in Echtzeit durchgeführt werden.

Das Projekt ist in folgende fünf Teilabschnitte gegliedert:

  • Mathematische Modellierung des Teleskops und simulative Ermittlung der Teleskopvibrationen
  • Vergleich von Simulationsergebnissen und Messdaten
  • Identifikation bzw. Validierung und Anpassung des entwickelten Teleskopmodells
  • Entwurf eines Beobachters für die Teleskopvibrationen und die Differenz im optischen Pfad
  • Reglerentwurf für das opto-mechanische Korrekturelement

 

Das in der Entwicklung befindliche European Extremely Large Telescope (E-ELT) mit einem Hauptspiegel-Durchmesser von 39,3 Metern wird mit einem neuartigen Kamerasystem, MICADO (Multi Adaptive Optics Imaging Camera for Deep Observations), ausgestattet, um das räumliche Auflösungsvermögen des E-ELT um den Faktor fünf und die Lichtsammelleistung um den Faktor zwanzig gegenüber existierenden Riesenteleskopen zu steigern.
MICADO, das First Light Kamerasystem des E-ELT, wird vom Max-Planck-Institut für Astronomie mit Unterstützung des ISYS entwickelt.

In diesem Projekt wird das Ziel verfolgt, eine Kompensation von Bildstörungen durch atmosphärische Turbulenzen und durch Wind erregte strukturmechanische Schwingungen des Teleskops mit separaten Regelungssystemen zu erreichen. Der Zweck dieses Ansatzes ist es, den klassischen Regelkreis der adaptiven Optik durch eine zusätzliche modellbasierte Störgrößenaufschaltung zu entlasten.

Image: European Southern Observatory (ESO)

Der klassische Regelkreis besteht aus einem Wellenfrontsensor zur optischen Messung der Bildstörungen, die durch Turbulenzen in der Atmosphäre und mechanische Schwingungen der Teleskopstruktur hervorgerufen werden und einem verformbaren Spiegel zur Kompensation der Störungen. Typischerweise werden durch diesen Regelkreis sowohl die Störungen aufgrund atmosphärischer Turbulenzen als auch die aus mechanischen Vibrationen des optischen Systems resultierenden Störungen ausgeglichen.

Da die beiden Störquellen typischerweise Störungen mit sehr weit auseinander liegenden spektralen Anteilen erzeugen, sind die Anforderungen an eine optimale Auslegung des optischen Regelkreises widersprüchlich. Bisher werden Regelkreise mit sehr hohen Abtastraten am Wellenfrontsensor verwendet, dies verringert jedoch das Auflösungsverhalten für schwache Himmelsobjekte in großem Maße.

Der neuartige, vom ISYS bereits am Large Binocular Telescope (LBT) verfolgte Ansatz hingegen, erlaubt es durch Messung der mechanischen Vibrationen des optischen Systems mit Beschleunigungssensoren, den Wellenfrontsensor nur zur Messung der atmosphärisch bedingten Störungen zu nutzen und somit eine deutlich niedrigere Abtastrate am Wellenfrontsensor zu implementieren, die auch die Beobachtung schwach leuchtender Himmelsobjekte erlaubt.

Das Projekt ist in folgende Abschnitte geglieder:

  • Aufbau eines Versuchsstandes zur Nachbildung der Störungen im optischen Pfad des Teleskops und deren Kompensation
  • Entwicklung eines dynamischen Modells des mechanischen Systems unter besonderer Berücksichtigung der optischen Komponenten
  • Entwicklung einer geeigneten modellbasierten Störgrößenaufschaltung, mit deren Hilfe die Bandbreite des optischen Regelkreises verringert werden kann
  • Einbringung der erarbeiteten Resultate in die Konstruktion des E-ELT

 

Projektpartner

Das LBT- und das E-ELT-Projekt werden in einer Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg durchgeführt.

Publikationen
Beiträge in Zeitschriften
  • M. Böhm, J.-U. Pott, M. Kürster, O. Sawodny, D. Defrère & P. Hinz, “Delay Compensation for Real Time Disturbance Estimation at Extremely Large Telescopes”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2016, doi:10.1109/TCST.2016.2601627
  • M. Böhm, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Real Time Vibration Compensation for Large Telescopes”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 442, pp. 2446-2455, 2014, doi:10.1093/mnras/stu1012
Konferenzbeiträge
  • M. Böhm, J.-U. Pott, J. Borelli, P. Hinz, D. Defrère, E. Downey, J. Hill, K. Summers, A. Conrad, M. Kürster, T. Herbst & O. Sawodny, “OVMS-plus at the LBT. Disturbance compensation simplified.”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Edinburgh, UK, 2016, pp. 99062R, doi:10.1117/12.2231268
  • M. Glück, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Simulation of an Accelerometer-based Feedforward Vibration Suppression in an Adaptive Optics System for MICADO”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Edinburgh, UK, 2016, doi:10.1117/12.2231852
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Accelerometer-based online reconstruction of fast telescope vibrations from delayed measurements”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Edinburgh, UK, 2016, doi:10.1117/12.2231667
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Accelerometer-based online reconstruction of vibrations from delayed measurements”, IEEE Conference on Control Applications (CCA), Sydney, NSW, Australia, 2015, doi:10.1109/CCA.2015.7320666
  • M. Böhm, J.-U. Pott, O. Sawodny, T. Herbst & M. Kürster, “Real Time Estimation of Differential Piston at the LBT”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Montreal, Canada, 2014, doi:10.1117/12.2055833
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Accelerometer-based position reconstruction for the feedforward compensation of fast telescope vibrations in the E-ELT/MICADO”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Montreal, Canada, 2014, doi:10.1117/12.2053769
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Accelerometer-based online reconstruction of vibrations in extremely large telescopes”, IFAC World Congress, Cape Town, South Africa, 2014, pp. 7467-7473, doi:10.3182/20140824-6-ZA-1003.00265
  • M. Böhm, J. Pott, M. Kürster & O. Sawodny, “Modeling and Identification of the Optical Path at ELTs – a Case Study at the LBT”, IFAC Symposium on Mechatronic Systems, Hangzhou, China, 2013, pp. 249-255, doi:10.3182/20130410-3-CN-2034.00014
  • A. Keck, J.-U. Pott & O. Sawodny, “An accelerometer based dual loop approach to minimize the impact of fast telescope vibrations seen by the E-ELT/MICADO wavefront sensors”, Adaptive Optics for Extremely Large Telescopes Conference (AO4ELT), Florence, Italy, 2013
  • M. Böhm, T. Ruppel, J.-U. Pott, O. Sawodny, T. Herbst & M. Kürster, “Modelling the optical pathway of the Large Binocular Telescope”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Amsterdam, Netherlands, 2012, doi:10.1117/12.926293
  • A. Keck, J.-U. Pott, T. Ruppel & O. Sawodny, “Development of new concepts to minimize the impact of fast telescope vibrations seen by the E-ELT/MICADO wavefront sensors”, SPIE Conference on Astronomical Telescopes and Instrumentation, Amsterdam, Netherlands, 2012, doi:10.1117/12.927030
Sonstige Veröffentlichungen
  • M. Böhm, J.-U. Pott & O. Sawodny, “Störgrößenkompensation im optischen Pfad von Riesenteleskopen mittels aktiver Optik”, 2013