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。

“天文光学前沿科学与技术”专辑导读

天文光学是天文学和光学的交叉学科,是光学理论和技术在天文学领域的重要应用。从1609年伽利略首次用光学望远镜观测星空起,400多年来,天文光学观测原理、技术及仪器的进步不断推动天文学研究发展:像差理论、大型光学制造与检测、拼接镜面及主动光学等原理与技术的发展将光学望远镜口径从最初的3 cm推进到目前的30 m量级,大大提升了观测分辨率及深度;光谱学与光谱技术的发展直接促成近代天文学的重要分支天体物理学、天体化学乃至天体生物学的建立及飞跃;光电探测器技术的发展不仅极大提升天文探测灵敏度与精度,也将探测波段从可见光拓展到几乎全波段;空间光学与空间技术的发展让人类得以摆脱地球大气对天文观测带来的不利影响,使得全波段高分辨观测成为可能;若干面向未来的天文光学原理与技术也在蓬勃发展,如,长基线光干涉技术的发展正在不断拓展人类天体观测的分辨率极限,而天文光子学的兴起也将为天文光学研究增加新的内涵。

南极大视场望远镜光学系统研究进展

南极特殊环境可为天文台址提供绝佳的天文观测条件且具有极高的空间碎片过境频率等特性,因此,南极大视场望远镜在天文观测、空间碎片管理和深空探测等领域具有重要研究意义。本文基于南极天文观测科学目标的需求,综合考虑南极天文台址视宁度数据要求,针对满足南极使用的大视场望远镜光学系统关键科学问题,首先总结与分析了南极天文台址的特征。其次,我国先后在南极地区部署的几批大视场光学望远镜,囊括了几类典型的大视场光学系统,本文详细探讨了南极大视场望远镜目前采用的多类典型大视场光学系统的设计理论,并对南极地区现有和规划中的大视场望远镜项目进行了全面的阐述,介绍了这些系统的关键技术特点。最后,深入探讨了南极大视场望远镜在天文探测科学研究领域所取得的重要进展,重点介绍该领域的前沿动态与一些关键性的突破。

利用南京大学时域天文台(TiDO)开展系外行星探测研究

系外行星探测近年来发展迅速,已成为天文学的热点领域。系外行星探测对行星形成和演化等理论研究具有重要的意义。利用地面大视场望远镜的长时间基线优势,可以开展系外行星的发现或认证工作。南京大学时域天文台(Time Domain Observatory,TiDO)是一批大视场、高精度的系外行星观测设备,包括6个望远镜及终端,放置在冷湖赛什腾山,将于2023年底完成建设并开展科学试运行。届时Ti DO拟开展系外行星大天区巡天搜寻、特定行星系统的凌星后随观测以精细刻画系外行星系统的物理和动力学特征,以及太阳系小天体观测工作。此外,TiDO的观测数据也可以用于双星、变星、恒星耀发等时域天文研究。

空间系外行星探测与研究进展

系外行星学科是近30年来迅速发展起来的一门新兴学科.其主要研究内容和目标包括,通过发展各种探测技术探测太阳系外行星,分析行星轨道、成分、大气性质,评估行星的宜居性,统计行星的分布规律,从理论和观测上揭示行星系统的形成和动力学演化机制.系外行星的研究对于回答宇宙中是否存在其他生命以及人类在宇宙中的地位和意义等问题具有重要意义.随着21世纪空间探测技术的发展,系外行星的研究进入了崭新及快速的发展阶段.本文分析了系外行星研究领域的发展态势,凝练中国在系外行星未来空间探测发展的重点领域,优化学科布局,以推进系外行星研究的快速稳步发展.

星冕仪模块光机热集成仿真分析与试验研究

针对巡天望远镜星冕仪模块光机系统进行集成仿真分析和试验研究,首先根据星冕仪模块热边界仿真分析光机系统热温度场分布;其次,将热温度场映射到光机系统中,利用有限元方法分析在此温度场映射下镜面形变;再次,提取各镜面节点数据拟合镜面的刚体平移量和Zernike多项式系数,分别导入Zemax光学方案,分析温度场对光学系统影响,从而实现光机热集成仿真分析的完整过程;最后,通过试验研究最终方案在主动热控方案下光学性能。集成仿真结果显示,在主动温控载荷条件下,其波前畸变RMS值变化小于千分之一;试验测试结果显示,其波前畸变RMS值为1/25波长,满足指标优于1/20波长的设计要求。

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。

天文仪器中图像跟踪定位算法的比较研究

天文光学观测中采用快速图像跟踪定位可以降低大气视宁度和望远镜跟踪误差的影响,提高观测效率.针对天文仪器观测的需要选择了两类共5种算法,通过数值实验和实验室实测对这两类算法在不同噪声背景下的精度和稳定性进行了比较研究,数值实验和实验室测试的结果表明归一化互相关法和重心法既有较高的精度,又有较好的抗干扰可靠性,将分别被应用于2.16 m望远镜的高色散光谱仪前置系统和SONG(Stellar Observations Network Group)项目的科学仪器.

天文光学望远镜摩擦驱动滑移动态检测与修正

考虑滑移对摩擦驱动望远镜精度的影响,提出了天文光学望远镜摩擦驱动滑移动态检测与修正的控制方法。建立了滑移动态检测系统、正压力主动调节系统、负载波动模拟和检测系统。用钢带光栅尺检测动负载位置,由同轴安装的角度编码器检测主动摩擦轮位置,根据减速比λ的变化判断主动轮和从动轮之间是否发生了相对滑移。主控单元可编程多轴运动控制器(PMAC)用来实时控制正压力电机进行压力修正并随之修正系统控制算法以提供足够的摩擦驱动力来减轻、消除滑移现象。实验表明:该方法能及时修正望远镜驱动系统出现的滑移,从而提高望远镜跟踪精度及可靠性。在最严重滑移的情况下,系统可在100ms内判断出滑移,74.2s完成校正并恢复望远镜的高精度跟踪。此方法既可用于单点摩擦驱动也可用于多点摩擦驱动,能够有效解决非线性干扰带来的滑移问题。

系外行星成像星冕仪模块光学基板结构优化设计与分析

为确保星冕仪的成像性能,文章针对中国空间站巡天空间望远镜(CSST)系外行星成像星冕仪(CPI-C)的光学基板结构进行优化设计与分析。首先,通过数值仿真分析方法获取光学基板的最优结构设计方案;然后,对优化设计方案进行动力学性能仿真分析评估;最后,对试验工装夹具进行设计,并试验测试加工完成的光学基板的力学性能。结果显示:优化后的光学基板重8.6 kg,轻量化率为70.19%,一阶固有频率为322.46 Hz;试验工装和光学基板耦合后的一阶固有频率为269.63 Hz(>150 Hz)。以上表明光学基板的性能满足设计指标要求,能够用于CPI-C模块。

基于橡胶隔振器的脉冲管制冷机微振动抑制研究

着眼于降低某航天器敏感载荷的微振动影响,重点探究了橡胶隔振器对载荷内部脉冲管制冷机的微振动抑制效果。首先对制冷机的微振源特性展开分析;其次结合敏感载荷的隔振需求,确定采取被动隔振的方案,并对橡胶隔振器的特性进行了准静态测试和扫频试验验证;对隔振系统进行了主动段发射条件下的力学承载性试验和常温下的微振动衰减试验,最终筛选出同时兼顾主动段和在轨工作段需求的橡胶隔振器。试验结果表明:装配有隔振系统的制冷机组件能够承受住主动段发射冲击,结构稳定性高,微振动衰减效能达34.12 dB,满足>24 dB的预期要求。研究结果可为制冷机微振动抑制提供技术参考,优化后续的整体设计。

激光标线仪在构建光学镜面测试光路中的应用

基于激光标线仪能够非接触式输出连续参考基准的特性,提出将激光标线仪应用于辅助构建光学镜面测试光路,分别研究了激光标线仪在平面镜测试、球面镜测试、Ritchey-Common法测试、非球面镜测试等测试光路构建中的作用以及在光路调整中的操作事项,总结了激光标线仪在空间定位、光轴校正中的特殊优势,讨论了激光标线仪误差对于测试的影响以及相应的修正措施,并通过实验比对验证了激光标线仪相比传统辅助测试设备的优势。研究表明用激光标线仪能替代传统的辅助对准调试设备和方法,对于不同类型的光学镜面测试均有很好的适应性。

星载反射式成像系统计算光学设计方法综述

星载反射式遥感成像系统的结构集成度高、光学面型复杂,面临光学初始结构难以求解和像质优化难以收敛的设计难题。综述着重探讨星载反射式成像系统中的计算光学设计方法。星载反射式成像系统计算光学设计,包括复杂曲面反射镜、曲面反射型光栅等硬件设计,以及计算成像图像解码等算法设计。面对星载遥感成像的不同应用,文章从深度学习光学结构设计、合成孔径计算成像、景深延拓计算成像、主动光学计算像差补偿和曲面光栅计算光谱成像等几个方面进行系统性地分类讨论。本综述结论为:基于计算光学的设计方法,无论在光学结构与面型求解方面,还是图像信号非线性逆问题求解方面,都具有强大的设计能力。在发展趋势上,计算光学在航天光学系统的设计潜力刚刚被挖掘。在“人工智能时代”的软、硬件算力支持下,计算光学方法将大大提升星载反射式成像系统设计的便捷性。

基于差分运算的望远镜驱动系统非预期故障重构方法

极端环境下的望远镜驱动系统永磁同步电机传感器容易面临非预期故障,导致系统观测性能下降,甚至可能造成望远镜停机。在这种情况下,提出一种用于望远镜驱动系统电流传感器的故障重构方法,主要包含故障检测、隔离和重构等几个方面。其中,故障检测由三阶级联差分运算完成,对不同的故障类型、即使微小故障也能有很好的鲁棒性;决策逻辑电路根据故障检测提供的故障信号flag执行隔离操作;Switches开关根据隔离动作选择合适的电流,以达到故障重构目的。仿真试验表明,该方法从故障状态切换到健康状态是平稳的,且不影响系统的动态性能,确保驱动系统的可靠性和稳定性。

膜圆顶及塔架对南极望远镜风载影响的仿真分析

为了充分利用Dome A地区绝佳的视宁度条件,计划将南极望远镜安装在15m高的塔架上并使用轻质膜圆顶.研究了在塔架和膜圆顶作用下风载对望远镜观测环境的影响,利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)分析了在10m·s^(-1)稳态风作用下,不同风向角、方位轴转动角以及镜筒转动角时,望远镜周围风速、湍动能的分布情况以及光程差的变化,同时研究了风屏对风速、湍动能的改善作用和带来的温升.结果表明,塔架和圆顶周围的风速与湍动能分布对风向的改变不敏感;迎风状态时望远镜附近的湍流分布与风速分布情况整体优于背风状态;当风速为10m·s^(-1)时,在距离风屏1m远、3m高的位置处风速降为来流风速的1/3至1/4,望远镜附近的平均温升值为0.044 K.

系外行星成像星冕仪振动夹具设计与试验分析

为设计满足巡天空间望远镜系外行星成像星冕仪振动试验要求的夹具,对初步设计的振动夹具进行模态仿真分析。根据分析结果,识别夹具薄弱环节,并对振动夹具进行改进设计。通过分析计算,改进后的夹具满足设计固有频率要求。并对其进行正弦振动和随机振动动力学分析。将夹具在振动台上进行正弦扫频试验,验证设计合理性。夹具的仿真一阶模态结果342.6Hz,其振动试验结果一阶模态为329Hz。振动夹具一阶固有频率的试验结果与仿真计算误差约为4%,误差合理。试验验证了仿真计算结果的正确性。实现了振动夹具的基频大于试验件3倍的目标,振动夹具设计合理。满足巡天空间望远镜系外行星成像星冕仪力学环境试验使用。

光波导输入的双通道同步定标虚拟成像相位阵列光谱仪

激光频率梳定标的虚拟成像相位阵列光谱仪有潜力同时实现超高光谱分辨率与波长定标精度,对于天文光谱探测有重要意义。然而,现有的研究工作中,虚拟成像相位阵列光谱仪采用常规的双通道光纤输入模式,在受环境干扰时,两个通道的同步性较差,相对漂移严重,从而降低了光谱仪的重复性定标精度。为解决该问题,提出一种以光波导作为输入器件的双通道虚拟成像相位阵列光谱仪,利用波导通道之间相对稳定的特性,实现更高水平的同步定标精度。通过对不同环境下光谱仪的稳定性进行研究得出,在相似的测试条件下,波导输入的虚拟成像相位阵列光谱仪的重复性定标精度明显优于光纤输入时的定标表现。

云南天文台1m红外望远镜的主镜热力学分析

云南天文台1m红外太阳望远镜是多功能、多波段的太阳望远镜,望远镜使用过程中主镜的热变形直接关系这系统的光学精度,建立光学系统的光机热结合的分析方法,可以直观的得到热辐射对光学系统的影响结果,使得望远镜的设计阶段就能评估热变形对系统的精度影响,确定光学元件是否满足要求。

8～10m级光学/红外望远镜的高分辨率光谱仪

介绍并比较Ｋｅｃｋ、Ｓｕｂａｒｕ、ＶＬＴ、ＨＥＴ及Ｇｅｍｉｎｉ中的５架８～１０ｍ天文望远镜的高分辨率光谱仪，分析这些仪器与２～４ｍ级望远镜的阶梯光栅光谱仪或Ｃｏｕｄｅ光谱仪相比所采用的新设计思想和新技术。

大型拼接镜面望远镜子镜装卸装置的研究

自从400yr前伽利略第1次使用望远镜观测天空以来，人类为了探索更深的宇宙，望远镜的口径越做越大，拼接镜面望远镜成为趋势．本世纪初一批大口径拼接望远镜先后被研制出来，这其中包括我国的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜LAMOST．随着望远镜口径增大，子镜单元增多，子镜单元的装卸问题日益突出．本文试图对这一问题进行探讨，设计了一套用于LAMOST球面主镜的子镜单元装卸装置，希望为大口径望远镜的子镜装卸提供一些思路和借鉴．