南极光学天文望远镜控制软件关键技术

南极天文望远镜控制软件是望远镜软件系统的重要组成部分,是控制计算机在望远镜用户层和设备层之间运行的关键技术。对于用户层,控制软件需具备全自动观测的交互接口、卫星通信条件下的远程访问和故障诊断等功能;对于设备层,控制软件不但要完成对天体目标的精确指向和精密跟踪、计算并补偿系统误差和控制关键部件以达到目标像质,而且需实现对电源分配系统、除霜及加热系统的控制、设备及环境信息的采集和监测等。相比于普通台址,在南极大陆运行的光学天文望远镜有其独特的特点,控制软件需进行特殊设计。本文重点从操作系统选择、远程建立望远镜指向误差修正模型方法、全自动观测软件接口、卫星通信及远程运维、望远镜实时状态监测和故障诊断等方面探讨了南极天文光学望远镜控制软件的关键技术和设计原则,并展望未来技术的发展,为南极天文望远镜的研制和控制系统研发提供技术储备。

天文光谱高精度波长定标技术研究进展(特邀)

基于多普勒效应的视向速度法是探测太阳系外行星的重要方法,探测类地岩石行星需要至少10 cm/s的长期测量精度,这对波长定标技术提出了较高的要求。自2008年锁模激光器天文光梳系统在天文台光谱仪上进行波长定标测试以来,高精度波长定标技术得到了飞速发展,并在之后几年相继出现了使用连续光法布里珀罗标准具、电光调制天文光梳、微腔天文光梳等进行波长定标测试的报道。这些技术所实现的定标精度已经超越上一代基于气体吸收池或空心阴极灯的定标精度,并具有支持10 cm/s或更高长期定标精度的潜力。本文总结了这几种技术的现状并对其未来发展做了展望。

基于焦面复制方法的自适应光学系统静态像差校正技术

限制自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统表现的一个关键因素是由波前传感器所在路径和科学成像路径之间差异引起的非共光路像差(Non-Common Path Aberration,NCPA),同时AO系统共光路部分也会不可避免地引入静态像差。为此,本文提出了一种基于焦面点扩散函数(Point Spread Function,PSF)复制的技术,用于校正AO系统中的静态像差。此技术利用点光源产生的PSF图像作为参考图像,通过迭代优化算法控制可变形镜改变其面型,将参考PSF图像复制到AO系统科学成像路径。实验结果表明,校正后的斯特列尔比(Strehl Ratio,SR)从初始的0.312提高到0.995。此技术可以稳定、快速地获得全局校正结果,特别是在系统具有较大的初始静态像差时。

光子灯笼技术及在天文中的应用(特邀)

天文观测仪器的蓬勃发展推动了对小体积、低成本、高效率的新一代仪器的研究工作。近年来,集成光学元件的发展为天文技术与方法带来了新机遇,天文光子学应运而生,为天文观测提供低成本、集成化的新一代高性能天文光学仪器。光子灯笼是一种低插入损耗、高模式选择性的新型全光纤线性光学器件,以综合单模光纤系统与多模光纤系统的优势,并实现模式转换与模式控制,可用于天文红外光谱滤波、光纤扰模、波前传感等方面。本文就光子灯笼器件的概况、工艺制备、天文领域前沿应用、挑战与前景等方面进行介绍。

新一代帕洛马天文台光谱仪的虚拟刀口欠采样像质测量方法

天文光谱仪的成像质量可用点扩散函数或线扩散函数来表征,但其相对于光谱仪探测器通常为欠采样,很难直接测量。在新一代帕洛马天文台光谱仪的像质测试中引入虚拟刀口法进行光源物面扫描,并应用虚拟刀口法开展欠采样光谱仪像质及光源尺度测量,通过模拟和实验研究,对比分析过采样经典直边刀口法和过采样直接测量方法,验证了虚拟刀口法具有良好的测量精度。在693 nm处,直边刀口法测得光谱仪过采样线扩散函数的半高全宽为7.05μm,虚拟刀口法测量欠采样线扩散函数的半高全宽为7.14μm,测量误差为1.3%。在0.3"视场的光源尺度下,虚拟刀口法测得689、693、701 nm欠采样线扩散函数的半高全宽分别为24.2、27.7、30.8μm,以过采样直接测量结果为参考,其测量准确度分别为98.3%,93.9%和88.8%。实验结果表明,探测器成像严重欠采样时,采用光源物面扫描的虚拟刀口法可准确测量光谱仪的成像质量,该方法结合色散系数还可实现光谱仪分辨率的测量,相关研究工作可为天文光谱仪像质的直接测量提供借鉴。

离轴大口径全反射式平行光管装调技术研究

随着空间光学系统的发展,光学检测设备的精度要求也更高.介绍了一套口径525 mm、大视场离轴平行光管光学系统的高精度计算机辅助装调方法.该大型平行光管要求全视场波像差优于1/20波长,给装调策略带来了挑战.该方法基于多视场点灵敏度矩阵模型,利用5个不同视场点干涉测得的像差数据,采用阻尼最小二乘法求解系统失调量.通过多次迭代装调,快速成功完成装调,在波长λ=632.8 nm时,该平行光管系统取得了中心视场点波像差均方根粗糙度(rms)值0.036λ、全像面波像差rms平均值0.045λ的装调精度.

天文光子学研究现状及其应用展望

天文学是一门观测学科,其发展受观测技术及仪器进步所推动,而天文科学发展同样不断对观测仪器提出新的要求.天文学发展至今,对观测仪器的要求逐渐走向极致和极端,这在实现成本及难度两方面均带来极大挑战.为应对上述挑战,基于新原理、新技术的下一代天文光学技术及观测仪器已成为天文学发展的内在需要.近年来,集成光子学的发展为天文光学技术带来了新的变革性机遇,在此基础上产生的新兴交叉学科天文光子学(Astrophotonics)可为天文观测提供低成本、高度集成化(芯片化)的新一代高性能光学终端仪器,这类仪器将在空间天文观测、大规模光谱巡天、高分辨高精度光谱成像等应用中起到关键作用.主要从仪器/器件功能出发介绍天文光子学主要研究内容及现状,并简要讨论其发展所面临的主要问题,最后对其发展趋势做出展望.

30m级光学/红外望远镜的宽视场多目标光谱仪

宽视场多目标光谱仪具有宽波段、多分辨率模式和高通光效率的特点,是极大望远镜终端仪器使用率最高的通用型仪器. 30 m级望远镜的宽视场多目标光谱仪因体量和成本急剧增加而面临重要挑战,同时天文学的不断发展对天文新技术的发展提出了更高的要求,尤其是多个巡天项目对于多目标光谱后随观测的迫切需求.综述了几类宽视场多目标光谱仪的发展现状,介绍了国际3架30 m望远镜宽视场多目标光谱仪概念设计的最新进展和仪器特点,着重介绍了中国参与研制的30 m望远镜(TMT)中的宽视场多目标光谱仪的相关进展.

中山大学1.2m望远镜天文光谱仪的研制(特邀)

中山大学计划在珠海校区大南山台址建设一座以1.2 m望远镜为核心的多功能天文观测设施。在无改正镜组条件下,望远镜可覆盖15′的全视场,并在消旋器下方设置一个八面体卡焦单元,容纳多个观测终端仪器,实现天文光谱观测和多色成像观测之间的功能切换。其中,天文光谱观测设备包括一台长缝光谱仪、一台高分辨率光纤光谱仪和一套波长定标装置。长缝光谱仪提供缝长≥5′、中低分辨率R=1000~3000的光谱观测功能,可针对星系、星团等扩展源目标进行有效观测。高分辨率光纤光谱仪提供高分辨率R≥30000、覆盖400~900 nm的单目标光谱观测功能,可针对特殊点源天体进行高精度化学丰度分析与视向速度测量。本文详细介绍了中山大学1.2 m望远镜配套的天文光谱仪器研制内容。

大型光学红外望远镜拼接非球面子镜反衍补偿检测光路设计

为了实现大口径、长焦距、批量化离轴镜面的高精度面形检验,本文提出了一种零位反衍补偿检测方案,采用计算全息和球面反射镜共同对离轴镜面法向像差进行补偿,检测光路波像差残差接近于零。检测方案为非轴对称离轴结构,设计了相应的全息对准光路,以保证检测光路装调切实可行。不同离轴量子镜检测光路参数完全一致,仅需更换相应位置计算全息片、调整待测镜空间姿态,即可实现不同类型镜面的快速批量化检验。误差分析结果表明,由补偿元件制造误差、光路失调、干涉仪面形测量重复性以及干涉仪标准球面波偏差引起的待测镜面形误差小于λ/40(RMS值,λ=632.8 nm)。

极端环境下光学红外望远镜伺服系统模型预测

在极端环境下光学红外望远镜伺服系统建模的实际工作过程中,实测的望远镜状态数据经常包含有各种噪声。为了减小噪声对模型辨识精度的影响,提出了一种基于带有控制的非线性动力学稀疏辨识(Spark Identification of Nonlinear Dynamics with Control, SINDYc)算法的稀疏辨识方法。针对望远镜伺服系统,对SINDYc算法进行了理论分析和数值模拟,对比了在不同的噪声水平下,望远镜伺服系统预测模型的状态变量曲线,并拟合了不同噪声水平下辨识模型的决定系数曲线。基于南极望远镜实验平台,设计了正弦和方波信号作为激励信号进行模型辨识实验,对SINDYc算法的建模准确性进行了实验验证。数值模拟模型的预测输出结果显示:SINDYc算法在20%噪声水平以下时,模型辨识精度在0.99以上;在10%噪声水平以下时,状态变化跟随最大偏差值在信号幅值的5%以内。辨识实验数据表明,在两种不同信号激励下望远镜伺服系统模型预测的辨识精度分别为0.985 7与0.995 2,证实了基于SINDYc算法的稀疏辨识方法的有效性和准确性。该方法辨识出的系统模型可以为未来的南极大口径光学红外望远镜控制系统的分析及控制器设计提供很好的分析模型。

基于非线性优化方法的离轴非球面轮廓测量面形恢复技术

轮廓测量是非球面光学镜面的重要测量手段,然而在测量过程中由于测量坐标系与理论坐标系间存在偏离,测量结果中存在误差.本文分析了离轴非球面的测量坐标系与理论坐标系间的平移和偏转误差在面形结果中引入的测量误差形式,根据最小二乘原理建立优化函数,依照函数特性通过数值差分法快速求解梯度并利用非线性优化方法优化偏差,从而将该误差从测量结果中剔除.仿真分析表明这种方法能在镜面面形残差和测量系统的随机误差的影响下有效恢复镜面面形信息.利用该方法实际指导直径为570 mm的离轴椭球面的加工,经过四个周期的测量-研磨过程使该镜面面形误差的PV值从34.80μm收敛至13.83μm,RMS从3.28μm收敛至1.89μm.为了进一步比较,对一块220 mm×96 mm矩形离轴椭球面测量,验证了该方法测量异形离轴镜面的适用性和通用性.

天文光谱仪非完整光斑导星定位算法

该文提出一种用于Tip/tilt导星跟踪校正系统的非完整光斑导星定位算法,解决常规导星定位算法无法满足天文光谱仪IMSP系统需求的问题。该算法结合图像预处理和目标星斑识别算法提取出包含目标光斑的感兴趣区域,基于峰值定位法选取非完整光斑中的一部分子图作为模板图,并利用归一化互相关法从完整光斑中找出与模板图匹配度最高的子图,根据匹配度最高的子图与模板图的相对位置以及完整光斑导星定位坐标实现非完整导星定位坐标的获取。实验结果表明:该算法的X轴方向绝对误差为0.29 px,Y轴方向绝对误差为0.02 px,平均处理时间为21.4 ms,满足IMSP系统的时效、精度和稳定性要求。

大口径长焦距光学检测系统强制对流方法

大口径、长焦距的水平光学检测系统极易受到气流扰动的影响,气流扰动会引起光路中温度、速度、压强等多个物理量在时间和空间上随机动态变化。尤其是温度在空间上呈现梯度分布,以及在时间上存在缓慢漂移,均将会直接导致空气折射率的动态变化,从而导致点扩散函数退化、引起波前倾斜、出现波前时变。为了抑制气流扰动对检测光路的影响以及提高检测精度,基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,提出了风扇强制对流的室内温度场控制方法,确定风扇放置方式与风扇数量。采用温度最大峰值(Peak to Valley,PV)并引入了最大光程差概念,综合评价光路温度场的均匀性。经过多次实验验证,采用强制对流方案,将0°像散标准差从0.0263λ(λ=632.8nm),显著提高了光路温度场的均匀性与稳定性,大幅降低了光学检测误差,提高了检测精度。为今后保障狭长通道内长光路、大口径光学检测系统的测量精度提供了借鉴。

基于通道光谱的长基线恒星光干涉光程差检测方法研究

干涉条纹快速捕获及稳定跟踪是长基线恒星光干涉的关键技术,其难点在于如何实现大动态范围、高精度光程差检测。面向天文观测需求,提出一种基于通道光谱的光程差检测方法,该方法将干涉星光进行色散,在光谱上形成多个探测通道,有效提升了相干检测范围,结合周期图与充零算法实现高精度光程差检测。实验结果表明,该方法在500~600 nm检测范围,检测精度可以达到0.75μm,动态范围达到±195μm,相关研究工作可为我国正在建设中的百米长基线恒星光干涉仪提供关键技术支撑。

基于模态筛选的滚动轴承微小故障诊断研究

滚动轴承的自转、部件相互作用和强干扰使测量的振动信号复杂,而滚动轴承的早期损伤类故障特征信息弱小,导致故障特征难以有效提取从而影响故障诊断,因此提出一种敏感模态筛选方法来提高故障诊断的正确性。采用变分模态分解算法对信号进行自适应分解,提取信号的局部特征。基于排列熵的不变性和对冲击信号的敏感性,提出故障因子的敏感模态筛选方法对信号进行重构,抑制振动信号中的干扰和噪声。通过仿真和实验对所提方法进行了验证,结果表明,相比其他处理方法,所提方法信噪比提高了60.5%,误差降低了52.6%,同时故障诊断正确率提高了24.3%,说明了该方法的有效性。

光纤扰模技术实验研究

照明的不稳定性会引起视向速度测量误差,从而严重限制仪器精度的提高。光纤扰模是提高仪器照明稳定性的有效途径之一。为了给现有高精度色散光谱仪升级及新型高精度视向速度仪器设计提供可靠的实验参考,对单根圆形光纤、单根八边形光纤、圆形-八边形-圆形光纤串接系统、双圆形光纤扰模系统、圆形-八边形混合双光纤扰模系统和双八边形光纤扰模系统的近场和远场扰模性能进行详细的实验研究。实验结果显示:单根八边形光纤较单根圆形光纤具有更好的近场扰模性能,双光纤扰模技术可以有效改善近场和远场扰模性能,双八边形光纤扰模系统能同时具有良好的近场和远场扰模性能。实验研究了球透镜和双透镜两种双光纤扰模系统,球透镜系统通光效率约为55%,双透镜系统通光效率约为80%。

1040nm泵浦的光子晶体光纤超连续光谱产生性能退化研究

光子晶体光纤已经被广泛应用于由飞秒脉冲激光源产生超连续光谱。当激光源的重复频率较低时,由光子晶体光纤产生的超连续光谱随时间的变化过程较为缓慢,通常不被注意到。而在天文光谱仪定标等应用中,需要使用GHz至几十GHz量级的高重复频率激光源。此时,可观察到光子晶体光纤的超连续光谱产生性能在有限时间内产生显著的退化。在1 040 nm飞秒激光泵浦条件下,通过测试三种不同气孔占空比的光子晶体光纤的超连续光谱产生性能演化,发现超连续光谱的退化进程随光纤气孔占空比的增大而加速。观察发生光谱退化后的光子晶体光纤样品,发现在光纤上超连续光被产生的区段出现多个不同颜色的亮点,呈现有方向性的光泄露现象。针对光泄露现象,通过测量光纤的吸收光谱线,证实了实验中超连续光谱退化的主因并非是光纤熔融石英材料中大量非桥氧色心产生。针对光泄露具有方向性这一特征,提出了经由多光子吸收作用在光纤纤芯中形成长周期光栅的理论。为探究影响光子晶体光纤超连续光谱产生性能的退化的因素,以达到光谱退化抑制的目的,首先通过改变了光纤的拉锥参数,期望增强光纤熔融石英材料的光子耐受性。实验结果证实了该方法的有效性较为有限。其次,从保持激光源的平均功率,降低激光脉冲的峰值功率和保持激光脉冲的峰值功率,降低激光源平均功率两个方面入手,对激光源进行调制。实验结果证明,光纤单位时间内接受的高峰值功率脉冲总量是影响其超连续光谱产生性能的最重要因素。在天文光谱仪定标的应用中,对超连续光谱光功率的需求并不高,使用斩波器降低光子晶体光纤入射光的平均功率是减缓超连续光谱产生性能退化过程的有效且简单可行的方法。

基于边缘探测器的FMG稳像探测研究

全日面矢量磁像仪(Full-disk vector Magnetograph,FMG)是先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory,ASO-S)卫星的主要载荷之一,为确保其可获得高空间分辨率的全日面太阳矢量磁场图,FMG配备了一套高精度稳像控制系统.FMG稳像系统采用边缘探测器对太阳入射倾斜偏差进行测量.基于FMG望远镜的太阳像仿真数据分析边缘探测器在太阳像能量分布下的输出特性以及太阳像尺寸与边缘探测器量程和灵敏度的关系.最后,在实验室搭建了一套验证系统对FMG稳像系统边缘探测器进行了相关性能验证实验.实验结果与理论分析一致,太阳像尺寸越大,边缘探测器量程越大,边缘探测器灵敏度越低.

参考光学频率梳的数字激光稳频技术

针对激光频率长期漂移锁定问题,实现了一套以光学频率梳为参考源的数字稳频系统。该系统将被控激光与光学频率梳外差干涉,获取表征激光频率偏移的拍频信号,通过自主研制的数字计数式频率电压转换电路测量拍频电信号的频率,并将频率值转换为误差电压信号,通过主控程序反馈控制被控激光。在对760nm窄线宽半导体激光器的长期频率稳定实验中,本系统将该激光器频率的长期稳定度提高2个量级,达到4.4×10^(-10)(τ=262s),表明本系统可对波长在光学频率频谱范围内的激光实现长期偏频锁定,为进一步激光精细锁频锁相提供基础。