天文光学相机性能检测技术研究

相机是光学望远镜观测系统的重要组成部分,为了提高天文光学观测的精度和效能,开展了天文光学相机性能的检测技术研究。根据天文观测对光学相机的性能需求,给出了相机性能检测项目、检测方法、检测实验和数据处理方法,检测项目包括增益、读出噪声、满阱电荷、线性度、本底稳定性、像元响应不均匀性、暗电流等。基于这套方法,在实验室对sCMOS和CCD两款相机进行了实测,获得了相机的性能参数,结果显示,sCMOS 12-bit档位较CCD 1 MHz 4×档位,读出噪声低约1倍,暗电流高约17倍,动态范围低约3星等,像元响应不均匀性高约1倍,两款相机都具有较高的线性度和本底稳定性,该sCMOS具有辉光,不适合长时间曝光观测。该方法可以检测获得适用于天文光学观测的相机性能参数,便于开展天文实测工作,实现相同相机不同档位或不同相机之间的性能对比,定期对相机进行检测可以建立其全生命周期性能参数数据库,对相机的健康状态管理及观测系统故障诊断具有现实意义。

量子科学实验光学地面站综合控制系统设计与开发

“墨子号”量子科学实验卫星(简称“墨子号”)是国际首颗从事空间尺度量子科学实验的卫星。“墨子号”和4个量子科学实验光学地面站及一个量子隐形传态光学地面站构建了天地一体化量子科学实验平台。为了实现各地面站的综合协调工作,需要研制一套量子科学实验光学地面站综合控制系统(简称地面站综合控制系统)。地面站综合控制系统涉及4个量子科学实验光学地面站,包括2个新建地面站和2个改造地面站,需要对其实现统一的接口和平台控制。参考国际标准接口,针对量子科学实验光学地面站的功能需求,采用分层和模块化的设计方法,将地面站综合控制系统分为:网络服务层、网络交互层和设备控制层。设计完成的地面站综合控制系统实现了以下功能:(1)科学数据的发布;(2)内外数据的交互;(3)量子科学实验卫星项目科学实验计划的解析执行;(4)测站环境和设备状况的监测。作为量子科学实验光学地面站的统一控制平台,地面站综合控制系统为量子科学实验光学地面站的全面协调控制提供了有力保障和支持,同时作为通用的地面站控制系统,具有便于向其他望远镜控制系统移植的优点。

实验室光致电离等离子体中激发过程的研究

光致电离等离子体在宇宙中广泛存在于强辐射场附近.近年来随着高能量密度实验装置的发展,在实验室内也能构造出光致电离等离子体.RCF是一个基于The Flexible Atomic Code数据的针对光致电离等离子体的辐射碰撞模型,该模型模拟了两个光致电离实验,其理论结果中电离态分布和光谱与测量值符合得很好.在理论模拟中发现,光致电离等离子体中光致激发和碰撞激发过程对离子态布居和发射光谱都有非常重要的影响.光致激发过程可以通过将离子激发到双激发态从而间接电离离子;碰撞激发过程会因为电子将基态离子激发到电离截面小的单激发态而抑制光子对等离子体的电离.光致激发过程可以加强类锂离子的类氦离子的卫线,而碰撞激发过程会影响类氦离子谱线的线强之比.

天文观测科学实践中心技术实现

天文观测科学实践中心是一个以天文观测为核心的网络实践体验中心,以网站的形式向公众提供服务。网站建设使用HTML、CSS、JavaScript和JSP/JaveBean等技术;基于B/S结构实现望远镜远程控制;采用Windows Media技术实现视频发布。建成的网站为用户提供了全新的天文观测实践体验机会,达到了传播天文知识的目的。

短脉冲激光在实验室天体物理方面的研究进展

随着啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification,CPA)的飞速发展,激光功率密度实现了飞跃式的提升,利用短脉冲激光开展实验室天体物理研究的条件日趋成熟。短脉冲激光与靶相互作用可以产生相对论粒子(正负电子、质子、中子等)和高能电磁辐射(X射线、γ射线),这些粒子和辐射的产生过程与天体中的某些物理现象相对应。介绍了利用短脉冲激光开展实验室天体物理的研究进展,重点介绍了核天体物理、空心离子光谱学、相对论无碰撞冲击波以及等离子体状态诊断等。

兴隆1m光学望远镜杂散光效应研究

兴隆1m光学望远镜采取了加装挡板等基于经验和定性分析的杂散光抑制措施。用Tracepro光学分析软件对圆顶内1m望远镜的杂散光传播路径做了计算和分析，提出了对1m望远镜的杂散光抑制的改进措施，通过在Tracepro中计算的系统杂散光“归一化点源辐照度透过率（PSNIT）”函数对改进措施进行了评价。计算结果表明：对于有效视场外30°范围的杂散源，改进措施可使得1m望远镜的PSNIT全部下降到10^-10；模拟1m望远镜在满月条件下对偏月25°的天体观测（R波段、15等星、t=15～150s），1m望远镜观测信噪比可提高约147％。

雷达定标卫星光学散射特性研究

对主体为铝球用于雷达定标的一批卫星进行了地基光学观测,验证了其光度变化和光谱特性简单,易于开展光度和光谱特性影响因素分析。实验室对铝球的仿真测量也证明了铝球具有各向同性好、反射特性和光谱特性平稳等特点。研究团队基于测量结果构建了铝制球体卫星的光度计算模型,与实测结果的对比分析表明,利用铝制球体的材料特性和外形特征可最大程度的简化卫星光度计算模型,也证明了实测方法和光度计算模型构造方法的正确性,使得卫星光度可实时保精计算,可应用于天基和地基光电探测设备的动态能量定标和高速、变速运动状态下的探测能力标定。

天体高分辨率软X射线光谱的实验测量标定

近年来,利用实验装置测量的原子数据对一些天文观测难题(包括弱线辐射、诊断特征线比的标定和反常线流量比)的解释取得了很大的进展。为测量高电荷铁离子的高分辨率软X射线光谱,在国家天文台EBIS-A平台上设计并搭建了一个超高真空平场光谱仪。在单缝模式下,使用1200槽/毫米变间距的衍射光栅,测量波长为11.5~19.8 nm。针对光谱仪的测量结果,对可能测量的辐射进行理论预测。根据电子束离子阱的工作原理,基于Chianti数据库对海德堡电子束离子阱(Heidelberg-Electron Beam Ion Trap,EBIT)极紫外光谱数据(11.5~14.5 nm)进行分析。首先,建立线性回归模型校准由实验系统引起的线强度峰值位置的偏移;然后,通过碰撞辐射模型模拟的不同离化态铁离子的软X射线光谱确定实验测量中Fe VIII,Fe XIX-XXIII的线辐射,并较好地呈现观测谱。此外,在13.2925±0.10178 nm处发现了相对Fe XXIII跃迁线强度较弱的Fe XIX和Fe XX的混合线,而观测到的光谱没有分辨出这些弱线。因此,接下来的实验测量可以参考这一预测结果检验光谱仪的性能。

天文大数据管理工具的设计与实现

随着大型地面和空间观测设备的建设以及大型巡天项目的开展,天文数据以TB字节、PB字节,甚至EB字节计量,天文学进入了"大数据"时代。面对数据海洋,如何有效地存储和管理这些大数据是摆在天文学家面前的核心问题。数据存储和管理不仅仅是天文数据中心的任务,天文学家也需要有效地管理自己的科研数据。能够将海量的数据自动地存入数据库中是管理数据的基本前提,而高效的数据索引则是管理数据的核心要素,为此设计开发了天文大数据管理工具Auto DB,使用虚拟终端监视实现海量数据的自动入库,对数据自动创建全新的天空分区索引Q3C(Quad Tree Cube),对天文数据进行二维空间索引以便于高效的管理。天文大数据管理工具的改进和完善对天文学家后续研究中的数据融合、数据分析、数据挖掘提供了根本的保障,尤其对从事大数据的天文学家,拥有自动化的数据库管理工具,可以集中精力致力于科学研究。

光谱分析软件在天文学研究中的应用

随着大规模光谱巡天项目的规划、实施和运行,从庞大数量的天体光谱中自动分析、高效挖掘和快速提取信息,获取天体的有效物理参量,是天文学者关注的焦点和当代天文研究的重要课题。大部分天文学研究工作基于光谱分析开展,各种迅速发展的光谱分析工具的便捷性和易用性对于探究天文光谱的特征具有重要的促进意义。针对国内外目前已经完成、正在运行和即将开展的大型光谱巡天项目,描述了一些巡天项目并指出了运用光谱分析工具的重要意义。以7种常用光谱分析软件VOSpec、VOSED、Spec View、Iris、SPLAT、CASSIS、ASERA为例,介绍了光谱分析软件的基本特点和主要功能,同时比较了这些软件应用环境的异同,为天文学家选择和运用光谱分析工具提供一定的指导和参考。

基于GPU的小行星光学观测图像实时处理

小行星地基光学观测是小行星搜寻和性质研究的重要手段。近年来,小行星搜寻项目朝着大口径大视场的方向发展,探测能力提升的同时数据量也大大增长,为了提高小行星光学观测图像的处理速率,本文提出基于GPU的小行星光学观测图像实时处理方法。对Source Extractor算法进行研究,在满足提取精度的前提下,实现Source Extractor算法的简化和基于GPU的并行化;同时,采用Match匹配算法进行天文定位,并对Match匹配算法进行优化,提高算法适用性和准确率。实验结果表明利用NVIDA GeForce GTX 2080Ti显卡搭建的实验平台实现简化和并行化后的算法,相比于CPU下的串行算法,提速比可达17(S/N阈值设置为3),且随着高性能显卡的进一步发展,提速比还有提升空间,此方法还适用于其他光学巡天观测图像的处理。

基于Android平台的天文观测信息集成系统

针对LAMOST(郭守敬望远镜)观测信息与结果分析的实时性需求,提出在Android移动平台实现观测信息集成系统的方案。瘦客户端模式被应用到系统的开发中,即在服务器端对海量数据进行处理和分析,其结果在Android客户端中进行数据可视化。首先介绍了Android的架构和望远镜的观测需求,然后详细阐述了系统的整体架构和功能模块。通过HTTP通信、多线程异步访问、HTML5技术、Achart Engine开源图表类库、JSON数据格式等关键技术,设计并实现了Android上用于辅助望远镜观测的信息集成系统。最后在实际设备中通过典型操作实例测试分析了系统运行状态,验证了其可行性与有效性。该系统目前已应用在天文观测的多个方面。

基于观测图像识别的天文望远镜智能故障辅助诊断系统

设计并构建了基于观测图像识别的望远镜智能故障辅助诊断系统,通过收集望远镜在观测时的故障图像与传感器信息来综合判断望远镜在观测时产生的故障,并给出相应的解决建议。利用卷积神经网络方法进行图像智能识别,并使用故障树分析法寻找望远镜系统的薄弱点。经过仿真与实测检验,证明了系统能够有效地发现判断故障并给出建议,提高了望远镜的可靠性,为故障诊断技术智能化做好了铺垫。

2.16 m望远镜偏振光度计

为了使2.16 m望远镜具备线偏振测光观测能力,开展了偏振光度计研制。该系统采用双通道分时偏振成像方案,具有偏振定标单元、偏振测量单元,可实现偏振定标、偏振测量和多色测光。完成系统研制后,将其安装在2.16 m望远镜上开展实测,依照该偏振光度计偏振观测流程拍摄了一系列非偏振标准星、偏振标准星、流量标准星;按照偏振定标和偏振态解算数据处理方法,对获取图像进行数据处理。结果显示:该偏振光度计视场为4.63′×4.63′,像元比例尺为0.54(″)/pixel,偏振度测量精度优于0.01,60 s曝光时间可以拍摄到V波段信噪比约为141的15.3等星。该偏振光度计使2.16 m望远镜具备V波段线偏振测光和快速多色测光观测能力。

BFOSC长缝光谱自动处理软件

在天文观测中,长缝光谱仪是一种常用的光谱观测设备。国家天文台兴隆观测基地2.16 m望远镜搭载的北京暗天体摄谱仪(Beijing Faint Object Spectrograph and Camera,BFOSC)的长缝光谱模式应用广泛,但没有配备专用的数据处理软件,通常用户观测后采用IRAF(Image Reduction and Analysis Facility)软件利用交互方式处理。介绍了一款针对BFOSC长缝光谱的自动化数据处理软件,数据处理过程包括本底(bias)和平场(flat)改正、背景改正、抽取光谱和波长定标等,展示了对实测数据进行处理的结果,并与IRAF软件处理的结果进行了对比。该软件在完成所有光谱处理必需步骤的基础上实现了自动化运行,并采用优化抽谱方法,能够自动扣除大部分宇宙线,保证了高精度的输出结果。

光纤转动引起光纤光谱效率变化与改正

光纤的焦比退化(focal ratio degradation)是光纤光谱效率损失的重要原因之一。光纤在安装和每次定位过程中,光纤的转动和扭曲会引起光纤焦比退化发生变化,从而改变光纤的传输效率,每根光纤由此造成的传输效率变化都会存在差异。而这样的效率差异无法用通常天文观测中使用的晨昏天光平场或者圆顶平场改正。减天光是光纤光谱数据处理中决定光谱质量的重要环节。减天光处理要求对不同光纤的传输效率进行归一化处理,以扣除不同光纤之间传输效率差异导致的天光背景测量的误差。对于与天光背景亮度接近乃至更暗的观测目标而言,光纤传输效率的改正精度决定了减天光的精度。测试了LAMOST望远镜光纤转动对光纤传输效率的影响情况。在检查了光谱中天光发射线强度与光纤传输效率的关系,和验证了光纤效率变化与波长变化相对独立的基础上,提出并且证实了通过测量各光纤中天光发射线强度作为光纤相对效率变化量来改正光纤效率差异的方法是可行的。这种方法已经被应用到LAMOST二维光谱处理当中。

基于网格聚类分析LAMOST恒星光谱与理论模型的差异

随着天文大数据时代计算科学的蓬勃发展,我国具备自主知识产权的国际天文界口径最大、光谱获取率最高的大视场望远镜LAMOST,已率先在国际上开拓并实现了同时观测几千个天体光谱的大规模巡天工作。自2011年巡天至2015年6月所获得的DR3光谱数据集目前已获取世界上最大的恒星参数星表。针对LAMOST第三期发布FGK恒星光谱的流量定标等相关数据,利用Kurucz模板光谱对应的参数空间划分网格,基于开源高效的数据处理R语言程序软件平台,设计了有监督的聚类中心,便于验证其理论参数网格的差异。处理LAMOST实测光谱经归一化后,选择距离量直接描述属性,采用欧氏距离分析判别光谱之间的相似度,选取相应的属性向量构造函数判断观测光谱和理论光谱差别的量级。实验表明:比对LAMOST实测FGK型恒星光谱数据与Kurucz理论模板库数据一致性以及参数测量的准确性,结果显示相同参数的光谱间特征谱线具有较好的一致性,从而得出LAMOST光谱测量物理参数质量较高,具备极好的可靠性,为后续恒星大气模型的改进提供相应的论证依据。

FITS文件管理器设计与实现

FITS文件管理器(FITS Manager)着眼于对中小规模数量的FITS文件的管理,实现对FITS文件的快速查找、预览以及相关处理。在不改变天文学家现有工作习惯的前提下融入虚拟天文台先进的技术和功能。FITS Manager采用了日趋流行的插件式软件开发模式,在完成了软件跨平台的同时极大地增强了软件的可扩展性。在FITS Manager中,所有的应用功能都由功能插件完成,软件核心组件则为应用插件提供了简便的接口、提高公用功能的复用程度。通过社区开发的模式不断添加各种功能的插件,FITS Manager将努力成为天文学家处理FITS文件的高效平台。

4179号小行星地基光学观测的天文定位研究

在嫦娥二号卫星近距离观测4179号小行星的过程中，为确定小行星的精确运行轨道，使用地基光学望远镜对该小行星进行了观测．观测期间4179号小行星较暗（视星等为10．3-19．8星等）且其运动速度与恒星不同，凝视观测小行星时背景恒星能量分布不符合理想的PSF轮廓，传统天文定位方法一般定位精度只能达到单轴2″．通过优化背景恒星质心计算方法，4179号行星的定位精度提高至优于单轴1″。

1.26米红外望远镜电控系统软件设计与实现

2011年,国家天文台兴隆基地1.26 m红外望远镜进行了全面升级改造。主要讲述望远镜电控系统软件的设计与实现,用于实现望远镜各种观测策略和运动方式的自动化操作。为了提高稳定性和可靠性,软件基于有限状态机原理设计,定义了望远镜的状态集和动作集,以及各个状态间的状态转换图;同时给出了望远镜常见异常及其处理方式,并在本地控制的基础上提供远程控制接口,使得望远镜可方便纳入兴隆基地望远镜集中控制系统。该软件及其设计思想可推广至我国其他中小口径望远镜。