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。

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。

“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。

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.

光学天文望远镜用微位移驱动器机构研究综述

该文回顾光学天文望远镜拼接镜面主动光学技术中的微位移驱动器的应用,介绍了微位移驱动器的工作原理、机械结构以及性能要求。概述了微位移驱动器的基本组成机构,并结合目前应用于天文望远镜的具体实例,比较了其优缺点。最后针对未来极大口径天文望远镜中的应用要求,对微位移驱动器的发展趋势提出展望。

当代光学天文望远镜控制系统新技术

对当代光学天文望远镜控制系统技术之进展进行了综述,同时也对这一领域的未来发展作了一些预测,以期给这一领域的控制工程师们提供一个与他们专业需要有关的概貌。

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。

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。

光学合成孔径成像技术的uv覆盖与孔径排列研究

从地平坐标系和时角坐标系出发,运用坐标旋转公式推导出光学合成孔径成像技术中干涉阵排列和uv覆盖之间的几何关系式,以特定观测天区为例,在南京模拟三孔径Y型阵,并运用蒙特卡洛法对2个目标函数分别优化,将其优化结果进行比较,找到比较适合该文的目标函数。

密排光波导多目标光谱探测技术研究

利用密排波导光子芯片作为多目标输入机构,将多目标光谱仪同步探测能力提高至少4倍,且芯片光学效率大于90%。另外,由于各输入信道均被集成在芯片内,所有目标光谱在探测器上几无相对空间移动,有利于获取高光谱稳定性。本文研究有望为极多目标观测,尤其是空间大规模光谱巡天或积分视场天文观测提供有竞争力的多目标输入机构解决方案。

天文光学镜面加工机床控制系统的研究

通过对光学加工工艺的分析,并结合加工对控制系统的要求,提出采用基于CAN总线的分布式控制系统构架。在子节点上,使用ARM+CPLD的硬件平台构建单轴位置控制器,主控节点使用Windows及其实时扩展RTX作为控制软件的平台,具有很强的开放性、可扩展性。控制系统已成功地应用在2·5m光学加工机床上。

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。

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。

大型天文望远镜高精度摩擦传动的研究

提出了一种大型天文望远镜高精度摩擦传动的光学检测机构,用来检测主、从动轮旋转轴线的扭转角。并设计了相应的调整机构。利用这套机构使得主、从动轮的扭转夹角控制在30″以内。实验结果表明,在运行过程中没有出现抖动现象。传动系统长时间平稳运行的低速可达0.2″/s,运动位置精度RMS值为0.01″左右。30min内低速可达0.05″/s,位置精度RMS值为0.009″左右。正弦运动幅值30′,最大速度36″/s,最大加速度为0.18″/s2。这些指标满足了LAM OST天文望远镜的技术要求。克服了由于安装等原因导致旋转轴线之间存在扭转角,进而使得天文望远镜所跟踪的目标在视场中出现抖动,甚至严重会漂移出视场的局限,实现了外圆摩擦传动主、从动轮旋转轴线在空间平行的理想位置。

光学综合孔径干涉成像技术

闭合相位技术、U_V覆盖技术和像重构技术是光学综合孔径干涉成像的三个关键技术。文中详细介绍了闭合相位技术的原理、U_V覆盖技术 (包括即时覆盖和通过孔径旋转的非即时覆盖两种方法 )和用于图像重构的常用方法以及用于光学综合孔径像重构的混合迭代方法 ,最后讨论了光学综合孔径干涉成像技术的应用。

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.

大型天文望远镜摩擦传动系统低速特性的研究

研究了大型天文望远镜摩擦传动系统的运行原理和特性,并进行了实验。结果表明,影响摩擦传动低速稳定运行的因素很多,主要有:编码器的测量误差,环境变化引起的误差,摩擦力矩和电机波动力矩等引起的误差,以及加工制造和安装引起的误差。另外在整个传动链中其它部分的摩擦力矩也不可能是一个定值,也存在力矩波动。结果还表明,利用非线性PID控制算法增益参数非线性变化的特性,可以使得控制系统既能达到响应速度快,无超调的目的,又能增强抵抗影响摩擦传动低速稳定运行因素的能力。实验中,低速可以达到0.2″/s,位置精度为0.032″(RMS),证明了这种方法是行之有效的。

天文光干涉技术

望远镜技术和光干涉技术的结合是提高望远镜分辨率的方法之一。介绍了天文光干涉的原理和实现恒星光干涉主要的几个关键技术,星光采集的定天镜系统、光程补偿的延迟线系统、光束平行性调整的星光方向矫正系统和计算机全自动控制系统,简要介绍光学综合孔径干涉成像技术、天文光干涉的研究状况和天文光干涉技术的发展方向。