CCD漂移扫描的基本原理及在天文上的应用

简要回顾了CCD在天文观测上的发展历程，介绍了CCD漂移扫描观测模式的基本原理；分析了该技术的优点和不足；综述CCD漂移扫描技术的应用现状；最后简述国内在CCD漂移扫描技术上的应用研究现状及对该技术的展望。

基于单站CCD漂移扫描光电设备的同步轨道目标测定轨

地基光电观测在同步轨道目标监测领域具有重要作用.为评估单站光电设备对同步轨道目标的实际测定轨能力,利用上海天文台佘山站1.56 m望远镜,采用CCD漂移扫描光电技术,对3颗北斗同步卫星开展试验观测,基于卫星精密星历评估目标的测定轨外符精度.结果表明:同步轨道目标的天文定位在方位和俯仰方向上的外符精度均好于0.3″;在单圈次观测情况下,尽管轨道预报精度较低,约为数千米量级,但是观测弧段内定轨精度可优于百米;在多圈次观测情况下,轨道改进效果显著,定轨精度优于50 m,外推至4d的轨道预报精度为百米量级.此外,定量评估了每晚不同观测时间跨度下同步轨道目标的测定轨精度,为单站光电设备实际应用提供了参考.

漂移扫描相机中拖尾现象快速消除方法

对同步卫星进行观测时,由于漂移扫描CCD相机的帧转移特性,若所拍摄星空中出现亮星,则会出现贯穿星图的smear拖尾现象。通过分析smear拖尾现象的成像机理,提出一种快速smear拖尾消除方法。首先,利用多项式拟合消除背景不均匀性;然后,计算并拟合星图每列灰度平均值,通过比较拟合前后的灰度平均值判断拖尾所在列;最后,通过将拖尾像素赋拟合后的灰度平均值消除拖尾。实验结果表明,该算法不但能够有效去除拖尾,减小星图背景均值差,而且其处理时间仅为常规smear拖尾去除算法的20%,验证了算法的有效性。

基于方向一致性特征的漂移扫描小目标检测

提出一种基于方向一致性特征的小目标检测方法,对漂移扫描星图中的小目标进行检测.首先,根据小目标的一般描述,建立特征模型对小目标区域进行表示;其次,分析Gabor滤波器工作机理,构造了主次两组四个方向通道的滤波器,对研究对象进行特征提取,并以一致性描述指标对目标特征定量刻画;最后,依据特征描述模型,给出了小目标的检测算子及相应参数的选择依据.对实际星图的实验结果表明,本文方法在小目标检测和高频干扰目标抑制上具有很好的效果,验证了本文所建模型的合理性.

旋转式CCD漂移扫描观测的控制模型研究

采用CCD漂移扫描技术可以显著提高地基光电望远镜系统的观测效率,改善空间目标的数据质量,但目前不适合对快速移动目标的观测。把CCD漂移扫描技术与精密控制的旋转装置相结合是扩展其应用的一种解决思路,本文在分析CCD漂移扫描技术的基础上,建立了一种旋转式CCD漂移扫描观测的控制模型。同时运用模型进行了模拟观测实验,并分析了旋转角度、脉冲控制周期等模型参数对观测效果的影响,其结果不仅验证了该旋转控制模型构造的合理性,而且也能为实际观测提供参考依据。

CCD漂移扫描观测的模拟方法研究

CCD漂移扫描技术可以提高地基光电望远镜系统的观测效率,在空间目标观测中有着越来越广泛的应用。利用计算机仿真技术对CCD漂移扫描观测进行模拟,可以为研究其应用提供更为有效的方式。文章首先在分析CCD漂移扫描技术的基础上,建立了漂移扫描观测的数学模型;其次,系统地阐述了以STK(Satellite Tool Kit)为仿真平台的模拟方法,同时对模拟过程中观测天区的选取方法,以及CCD脉冲控制周期对观测效果的影响进行了研究分析;最后,通过仿真实验,验证了该模拟方法的有效性和可行性。

漂移扫描CCD星图的星点目标快速提取

在实时同步卫星定轨系统中,为了提高漂移扫描CCD星图目标提取的实时性,提出最简特征融合算法。通过星图背景分割减少噪声影响,提取局部灰度最大值与局部区域对比度作为星点目标特征,通过选取最佳权值融合上述两种特征,突显星点目标。与传统的星点提取算法相比,所选取的两种特征容易提取,运算量小,节省星点目标提取时间,提高了星点提取精度。通过对分辨力为1 528×1 528的漂移扫描CCD星图进行处理,实验结果证明了该算法的有效性。

基于CCD漂移扫描技术监测地球同步轨道卫星试验

在地球同步轨道卫星监测领域,利用地基光电望远镜的观测是主要的手段。2014年,通过改造中国科学院国家授时中心一台口径35 cm的望远镜,使其具备针对地球同步轨道目标进行CCD漂移扫描观测的功能。介绍了观测资料处理中的目标星象检测提取和天文定位的方法。利用该望远镜开展了地球同步轨道目标的观测试验。试验结果表明,该设备的同步轨道目标观测精度约为0.5″,其中望远镜指向的不稳定性是影响观测精度的主要因素。轨道改进试验表明,相对于仅用单圈次观测结果,利用多圈次观测结果的轨道改进效果明显,其中轨控发生会影响目标的预报精度,在无轨控发生时,24 h和48 h点位预报精度在方位和俯仰上均好于3″。

基于规范化线性滤波器的漂移扫描恒星抑制

针对漂移扫描星图中大量恒星星像对小目标检测产生干扰的问题,提出了一种自适应的线性滤波方法,通过抑制恒星星像实现对小目标的检测。首先,在分析恒星、感兴趣目标和噪声三者特征的基础上,构造规范化线性滤波器对星图进行滤波,扩大不同亮度恒星和小目标星像的灰度对比度,并构造梯度线性滤波器自适应地抑制恒星星像。其次,通过理论分析,给出了滤波器参数的选择策略。最后,比较不同方法对实际数据处理的实验结果,表明所提方法对不同长度和倾斜角度的恒星星像都具有较好的抑制效果,易于应用实现。

一种基于漂移扫描观测模式的星像散焦模型

漂移扫描技术虽然工作高效,但其观测模式会对成像效果造成不可避免的散焦。本文旨在通过构造模型来定量分析其散焦量,为星像质量的评估和改善提供理论参考。本文首先通过分析漂移扫描的工作机理及空间投影成像原理,建立了相应的目标星像散焦模型,并在此基础上,分别对因电荷移动速度和星像移动速度失配引起的非同步性散焦,以及空间目标曲线运动形成的轨迹投影散焦进行了定量分析。最后通过仿真实验,验证了模型的有效性,并讨论了其适用性。

FAST漂移扫描观测:快速射电暴信号模拟与模拟样本

快速射电暴(fast radio burst,FRB)是一种发生在毫秒时标的射电爆发现象。观测发现,它们很可能来自银河系外,对研究致密天体并合、星际介质、宇宙大尺度结构等有着重要意义。中国新近建成的500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope,FAST)是世界上最大的单天线射电望远镜,其多波束漂移扫描观测有望在快速射电暴观测方面作出贡献。针对FAST的漂移扫描观测模式,开展了多种参数和分布下的快速射电暴模拟,构建了下述快速射电暴的样本:一个是对快速射电暴在射电观测参数空间进行模拟获得的样本;一个是根据快速射电暴本身距离(红移)与色散之间可能存在的关系,进行物理参数空间模拟获得的样本。每个样本均有50000个模拟的快速射电暴信号,它们不仅可用来检验应用于FAST巡天扫描观测的快速射电暴搜寻算法的探测效率,还可以用来研究FAST漂移扫描观测和各类快速射电暴搜寻算法的选择效应,从而有可能从实际快速射电暴探测结果反推快速射电暴的内禀物理性质和分布。获得的快速射电暴样本对重复快速射电暴观测和数据分析具有借鉴意义。

基于漂移扫描CCD技术的南极时域天文观测阵原型机的设计与实现

大视场快速巡天是时域天文学研究的重要观测手段,南极地区每年数月连续黑夜使其成为短时标时域天文学观测的理想台址.在南极工作的光学望远镜需要应对极低气温、无人值守、供电和网络传输受限等严峻挑战.针对上述情况,设计并研制了基于漂移扫描CCD技术的南极时域天文观测阵原型机,其基本思路是:(1)在大视场光学望远镜上安装具有漂移扫描功能的CCD相机,无需驱动机构也能探测到暗弱天体,系统可靠性高;(2)将整个光学望远镜系统和控制处理计算机放置在一个有封窗玻璃和加热设备的可控温圆顶内,系统无需耐低温元器件,建造成本低;(3)在本地进行图像预处理,只将处理结果通过网络发回国内,无需高速网络;(4)利用CCD相机和计算机工作时的散热作为辅助加热措施,能源利用率接近100%,系统功耗较低.2022年10月,口径18 cm的原型机跟随中国第39次南极科考船前往南极中山站,在南极低温环境下已稳定可靠运行大半年,即使面对南极中山站恶劣天气环境(本观测季最低气温-37.3℃,最高风速38.6 m/s),原型机运行稳定,像质优异,体现了漂移扫描CCD技术在极地天文观测领域应用的巨大优势.原型机的试验观测结果为后续在南极建设时域天文观测阵奠定了坚实基础.

基于DSP的漂移扫描CCD星图快速识别

为了提高漂移扫描CCD的识别速度,实现同步卫星实时定轨,提出基于数字信号处理器(DSP,digital signal processor)的星图快速识别算法。在嵌入式DSP数据处理平台上优化传统的三角形识别算法,采用二次匹配识别算法,即分区间筛选子星表中参考星参与初匹配,利用初匹配结果推算CCD底片模型,根据背景恒星与子星表参考星的对应关系将所有恒星进行二次匹配。对分辨率为1 528×1 528实拍星图的实验处理结果表明,由于引入了DSP与改进了识别算法,在很大程度上加快了漂移扫描CCD星图识别速度,所耗时间仅为传统星图识别算法的50%,且识别成功率达到98.4%。

脉冲星后随测时研究取得新进展

[本刊讯]中国科学院新疆天文台脉冲星研究团组及其合作者,使用中国天眼(FAST)对漂移扫描多科学目标同时巡天发现的部分脉冲星进行后随测时研究,发现了2颗毫秒脉冲星和22颗正常脉冲星的基本性质。该研究有助于更全面地探索中子星物理性质和星族性质。

基于光学测角数据的风云四号同步轨道卫星精密定轨

针对风云四号同步卫星的精密定轨和精度评估需求,首先利用地面光学测角数据对FY-4A卫星进行精密定轨,定轨后方位角和高度角的残差rms分别为0.25"和0.45"。与基于测距数据的轨道相比,位置精度在有测角数据的弧段内小于50 m。进一步联合测角数据和测距数据对FY-4A卫星进行联合定轨,定轨后轨道重叠精度优于15 m。利用联合定轨结果评估了基于测距数据的实时轨道产品精度,可以明显发现轨道精度随着测距数据的积累而逐步提高。

上海天文台与尼古拉耶夫天文台之间的合作（英文）

回顾了从1996年10月起上海天文台与尼古拉耶夫天文台15年多的合作历程。1996-2003年上海天文台与尼古拉耶夫天文台第一和第二次合作课题是“从射电源光学对应体的CCD观测进一步研究射电和光学参考架的联系”，2004-2011年两台的合作协议包括用中国一乌克兰光学望远镜网观测快速运动的天体，特别是小行星、卫星和空间碎片，以及天文仪器研制、软件和旋转漂移扫描技术的应用等。最近的联合项目是“用CCD旋转漂移扫描照相机联合观测低轨的空间碎片”。本文简述了合作的科学成果，如光学和射电参考架的联系和联合观测小的空间碎片，上海天文台用中国的望远镜测定射电源光学对应体的位置，尼古拉耶夫天文台用轴向子午环编制射电源光学对应体附近的二级参考星星表。之后，此项目扩充为国际合作项目，参加国家有中国、土耳其、俄罗斯和乌克兰。射电和光学参考架联系的计算值表示指向角为零，精度为5mas。如果加入其他观测，则精度为3mas。为了观测低轨小的空间碎片，上海天文台和尼古拉耶夫天文台分别研制了带有CCD旋转漂移扫描照相机的望远镜。根据空间碎片的位置列表，已用这两台望远镜观测到一些碎片。双方正在编写空间碎片的轨道计算软件。在对两个轨道计算结果比较后，将建立一个空间碎片的联合网站。当前上海天文台与尼古拉耶夫天文台的合作正在继续进行中。

AST3图像相减测光模板系统设计

AST3是将要安装于位于南极内陆冰穹A的昆仑站的3台口径50 cm的施密特望远镜,寻找变源(尤其是瞬间变源)是其科考目标之一,需要通过图像相减测光方法实现。首先需要根据初期的观测数据生成标准模板图像,而后在长期观测过程中,将模板图像与新观测到的图像进行相减测光处理,从而发现变源。模板在观测中起着举足轻重的作用,给出了模板制作的流程,并且验证了其可实现性和功能的正确性。

科技

“中国天眼”将于4月1日正式对全球科学界开放被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)将于2021年4月1日正式对全球科学界开放,征集来自全球科学家的观测申请。按照科学目标和相关战略规划,“中国天眼”已确立多个优先和重大项目,其中包括多科学目标漂移扫描巡天、中性氢星系巡天、银河系偏振巡天、脉冲星测时、快速射电暴观测等,但观测申请不限于这些领域。

科技短波

1月11日,被誉为“中国天眼”的国家重大科技基础设施——500米口径球面射电望远镜(FAST)顺利通过国家验收,正式开放运行。国家验收委员会专家认为,FAST综合性能达到国际领先水平,对促进我国天文学实现重大原创突破具有重要意义。FAST团队经过两年的紧张调试工作,实现了跟踪、漂移扫描、运动中扫描等多种观测模式,多项关键指标超过预期,于2019年4月通过工艺验收,并向国内天文学家试开放。