NVST垂直双光谱切换扫描系统

1 m新真空太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope, NVST)的科学目标之一是对太阳活动区域进行二维光谱扫描观测。基于1 m新真空太阳望远镜多波段光谱仪(Multi-Band Spectrometer, MBS)和大色散光谱仪(High Dispersion Spectrometer, HDS)提出了垂直双光谱切换扫描系统,可实现相互垂直的两个光谱仪的光谱扫描观测任务,并实现两个光谱仪之间的切换。分析了光谱扫描观测的原理和过程,结合终端仪器系统的具体构造,完成了扫描系统的光机结构设计和装调分析,并对扫描系统进行了性能测试,包括系统稳定性、扫描直线度以及扫描步幅精度。测试结果满足预期功能需求和精度要求,为后续1 m新真空太阳望远镜进行常规光谱扫描观测提供了支持。     

红外波段太阳观测技术方法研究

1m红外太阳塔是我国未来重点发展的地面太阳观测设备 ,本文的所有工作均围绕着与此相关的红外波段太阳观测技术方法展开。1 .针对望远镜实验平台—云台太阳光谱仪 ,建立了光谱仪分光流量模型 ,并用多种实验手段验证了其可靠性。利用该模型计算了FeⅠ 1 .56μm红外太阳光谱的分光流量 ,分析了实验观测的可行性及改进方案。2 .针对探测器实验平台—PtSi红外焦平面阵列相机 ,建立了FeⅠ 1 .56μm光谱观测信噪比模型 ,模拟了各种噪声对观测的影响。在此基础上 ,在国内首次成功进行了FeⅠ1 .56μm红外太阳光谱的面阵观测实验。3 .在红外观测实验所处的高背景低对比度条件下 ,讨论了红外太阳光谱观测的图像处理方法 ,分析了观测中出现的干涉条纹的来源及解决办法 ,初步建立起了一整套红外太阳光谱与成像的定标方法和图像处理方法。4 .首次利用PVA材料 ,设计研制了一套FeⅠ 1 .56μm近红外Stokes参量偏振仪 ,并将该偏振仪安装在美国国立天文台McMath望远镜上进行了观测实验。针对一太阳黑子 ,通过扫描进行了二维的Stokes参量观测。同时建立了一套从Stokes参量反演磁矢量场的方法 ,并将反演的结果与怀柔太阳磁场望远镜的观测结果进行了比对。5.针对 1m红外太阳塔的太阳光谱仪系统 ,给出了垂直多波段光谱仪和红外     

红外波段太阳观测技术方法研究

1m红外太阳塔是我国未来重点发展的地面太阳观测设备，本文的所有工作均围绕着与此相关的红外波段太阳观测技术方法展开。1．针对望远镜实验平台－云台太阳光谱仪，建立了光谱仪分光流量,工用多种实验手段验证了其可靠性。利用该模型计算了Fe Ⅰ1.56μm红外太阳光 谱的分光流量，分析了实验观测的可行性及改进方案。2．针对探测器实验平台－PtSi红外焦平面阵列相机，建立了FeⅠ1.56μm光谱观测信噪比模型，模拟了各种噪声对观测的影响。在此基础上，在国内首次成功进行了FeⅠ1.56μm红外太阳光谱的面阵观测实验。3．在红外观测实验所处的高背景低对比度条件下，讨论了红外太阳光谱观测的图像处理方法，分析了观测中出现的干涉条纹的来源及解决办法，初步建立起了一整套红外太阳光谱与成像的定标方法和图像处理方法。4．首次利用PVA材料，设计研制了一套FeⅠ1.56μm近红外Stokes参量偏振仪，并将该偏振仪安装在美国国立天文台McMath望远镜上进行了观测实验。针对一太阳黑子，通过扫描进行了二维的Stokes参量观测。同时建立了一套从Stokes参量反演磁矢量场的方法，并将反演的结果与怀柔太阳磁场望远镜的观测结果进行了比对。5．针对1m红外太阳塔的太阳光谱仪系统，给出了垂直多波段光谱仪和红外大色散光谱仪的光、机初步设计。6．针对1m红外太阳塔的科学目标，提出了多波段光谱仪探测器系统方案，对红外大色散光谱仪所使用的红外探测器也进行了初步方案设计。     

NVST狭缝扫描及定标单元的电动控制实现

利用1 m红外太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope,NVST)对太阳进行观测和研究,需要控制狭缝扫描系统和磁分析系统中各设备的运动以配合观测系统采集数据。针对实际观测中对设备运动控制的需求,并利用控制器对相应设备的直接控制,提出基于TCP协议及UDP协议的Win Sock网络编程以及串口通信编程的设计方案,设计了一套基于Client/Server架构的控制系统软件,实现各仪器在局域网范围内的远程控制。通过对设备的运动控制测试,客户端发送控制命令给服务器端,服务器计算机解析命令并通过串口控制各仪器运行,同时采集设备的状态信息反馈给客户端,测试结果表明此系统能良好地控制各设备运行,结合网络通信及串口通信的设计为后续的观测系统功能升级打下了基础。     

NVST多通道成像观测系统的数据同步采集

为了在1 m红外太阳望远镜多通道高分辨率成像观测系统中实现多个波段太阳图像的同步高分辨率统计重建,需要1 m太阳望远镜多个观测通道图像采集系统同步。研究了如何采用CCD相机外触发工作模式、计算机PCI总线硬件中断技术和全球定位系统时间相结合实现1 m太阳望远镜多个观测通道图像的同步采集,并在现有的Hα和Ti O两个成像观测通道上搭建实验平台。通过一系列的波形时序测试,数据记录和分析等实验证明本文所采用的这一数据同步采集技术能满足1 m太阳望远镜多个观测通道图像的同步采集要求。     

基于ARM架构的嵌入式系统在自动气象监测系统的应用:以NVST气象站为例

自动气象监测系统是现代天文观测台站必备的辅助系统之一,传统的自动气象监测系统基于微控制器或个人计算机开发。微控制器多用于工业控制,无法满足多任务和批量数据的快速处理;个人计算机由于高功耗、高成本及低可移动性,无法在野外使用。为了克服上述两种开发方式的缺点,采用基于ARM架构的嵌入式系统为抚仙湖1 m新真空太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope, NVST)开发一套低功耗、低成本、高稳定性的自动气象监测系统。介绍了1 m太阳望远镜气象站的整体设计、软硬件功能和调试中遇到的问题及解决方法。经过测试,新的系统除具备上述特性外还具有较强的鲁棒性,可以满足望远镜日常观测的需求。     

基于Lyot滤光器的NVST磁像仪光学系统设计

我国1 m新真空太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope, NVST)能够实现优于0.2″的高分辨成像观测,但还不具备高分辨磁场的常规观测能力。很多磁结构和太阳活动都存在于较小的尺度,需要进行高分辨磁场测量。1 m新真空太阳望远镜的台址具备优良的视宁度,若磁像仪具备快速调制能力,并配合高分辨统计重建技术,有望实现亚角秒分辨率的太阳磁场测量。1 m新真空太阳望远镜测量磁场面临的主要问题包括折轴光路带来的时变偏振、望远镜姿态变化和风载带来的光轴偏移以及湍流的影响等多种问题。针对太阳磁场高分辨观测的需求及1 m新真空太阳望远镜面临的太阳磁场测量问题,详细分析了1 m新真空太阳望远镜太阳光球磁场的测量需求,制定了磁像仪的基本参数,提出了偏振分析器需求,设计了光球磁场的高分辨观测方案。最后利用ZEMAX光学设计软件为磁像仪设计了光路,结果显示光学设计能够满足高分辨成像的需求。     

摆镜图像稳定控制系统在NVST中的应用研究

由于1 m太阳望远镜采用圆顶移开并远离望远镜的敞开式观测模式,使得望远镜跟踪系统受风的影响较大,表现为观测时图像随风出现较大幅度的低频抖动。为解决这一问题,首先根据望远镜现有的光学系统和风载影响下焦面图像抖动的特点,在氧化钛高分辨率成像通道中设计了基于二维摆镜的图像稳定系统。然后根据二维摆镜系统的实测特性,建立系统的传递函数,设计控制器。深入的数值模拟分析和实验表明,在五到六级风作用的情况下,摆镜图像稳定系统工作在25 Hz就能将1 m太阳望远镜焦面图像抖动的均方根值控制在0.5″以内,表明二维摆镜的图像稳定系统可以稳定望远镜由随机风载引起的图像抖动。     

NVST焦点探测系统

1 m新真空太阳望远镜在连续观测时,太阳辐射导致的温度变化使其光机结构产生热变形,主要表现为焦点实时变化,产生离焦像差,影响观测数据的质量。为解决这一问题,基于焦点扫描探测算法并结合望远镜的系统结构设计了一个焦点探测系统。首先分析了1 m新真空太阳望远镜焦点变化并设计了焦点探测系统的总体结构;然后进行软硬件系统的详细设计和实现,重点对系统的重复精度和焦点探测精度进行测试,表明系统能满足望远镜的焦点探测精度要求;最后给出了焦点探测系统在望远镜上3个月的运行结果:系统能实时监测望远镜的焦点变化,根据焦点的变化量进行调焦,能得到优秀的观测数据。     

抚仙湖一米新真空太阳望远镜6米近红外光谱仪装调及太阳1.56微米光谱的初步观测结果

主要介绍了抚仙湖1 m新真空太阳望远镜(the 1-meter New Vacuum Solar Telescope,NVST)6 m水平式近红外光谱仪的安装过程和实测结果。主要讨论内容是光路设计特点、光学系统的装调以及利用该光谱仪对活动区NOAA 11662黑子进行的初步近红外光谱实测(波长1.56μm附近)。成功观测到由黑子强磁场造成的Fe I 1.56μm谱线裂变现象,并初步估算了磁场强度。该光谱的成功装调和使用,充分实现了对9 m光谱仪光学系统的整体检测,为9 m光谱仪的安装调试提供了宝贵的经验和参考。     

抚仙湖1米新真空太阳望远镜空间二维偏振光谱观测模式的设计与实现

作为抚仙湖1 m新真空太阳望远镜的观测终端之一,多波段光谱仪需具备2种观测模式:空间二维扫描观测及偏振光谱测量,从而实现诊断太阳矢量磁场及其动力学特征的科学目标。首先明确观测模式对3大重要光电机构(空间扫描机构、偏振分析器和仪器偏振定标机构)的基本要求;其次从实测太阳物理需要出发,分析这些要求的具体实现方法(连续式或步进式)、控制精度(10~(-2)或10~(-3))以及信噪比提高方法(多帧叠加或多组叠加)等;最后给出多种观测模式的流程图,并将不同观测模式集成于一个采集控制程序之中,投入实测,分别进行多组活动区二维空间扫描观测和黑子偏振光谱测量,取得了较好的结果。     

德令哈13.7m望远镜谱线OTF观测系统

紫金山天文台研制的毫米波段多波束超导成像频谱接收机(简称超导成像频谱仪)于2010年底安装到13.7 m望远镜上.为发挥超导成像频谱仪的观测能力,紫金山天文台研发了基于多波束接收机的快速高效巡天的OTF(On-The-Fly)观测方法,在国际上首次提出并运用了"隔行扫描"的OTF扫描方法,对该方法进行了系统的测试和验证,并做了观测参数的优化.研发了"OTF观测星表生成器"软件,该软件提供参考点查找、观测时间估算、rms(root mean square)估算、最佳观测时段选择等功能.研发了OTF数据预处理软件,该软件具有坏数据剔除、数据修正功能,并能够结合GILDS软件完成数据网格化(Gridding)处理.通过实际观测测试,观测结果与美国五大学射电天文台(Five College Radio Astronomy Observatory,FCRAO)观测相符.该系统2011年用于13.7 m望远镜谱线成图观测,在银河画卷项目观测和其他课题成图观测中得到广泛的应用,取得了很好的观测结果,验证了该系统的有效性.     

一米新真空红外太阳望远镜多波段光谱仪光谱弯曲分析

在太阳长狭缝光谱观测中,光谱的狭缝方向和色散方向应该分别与CCD探测器的两个边缘平行。但实际上,由于狭缝、光栅、CCD探测器的机械安装精度等原因,会造成他们之间的位置关系不匹配,导致得到的太阳光谱总是存在一定的倾斜和变形。即使有时这些倾斜很微小,也会对太阳光谱的平场计算造成严重影响,从而影响整个光谱数据的处理过程。对抚仙湖1 m新真空红外太阳望远镜多波段光谱仪得到的一组Hα光谱数据的倾斜量做了测量和分析,并讨论了其对太阳光谱平场计算的影响。     

1m红外太阳望远镜光电导行系统的反馈控制分析

我国正在研制中的1m红外太阳望远镜是目前国内唯一的地平式真空太阳塔,主要用于活动区磁场的精细光谱分析和太阳活动区磁场的时空精细结构研究.要求望远镜必须长时间高精度跟踪太阳(0.3"/30s、1"/10min)才能实现它的科学目标.光电导行是实现望远镜高精度跟踪观测目标的关键控制技术,通过检测观测目标像在图像传感器上的移动量作为反馈控制信号对望远镜实行闭环控制.首先建立了光电导行系统的控制系统模型,然后分析了系统的稳定性能、暂态性能、时域特性、频域特性及跟踪性能,并采用PID控制器对系统进行优化设计,以提高光电导行反馈控制系统的稳定性和跟踪精度.通过计算机仿真设计,采用PID控制算法能实现1m红外太阳望远镜的跟踪要求.     

NVST多通道高分辨观测系统软件设计

1 m太阳望远镜多通道高分辨成像系统是望远镜的重要终端设备之一,目前由Hα通道(线心656.283 nm)和Ti O通道(705.8 nm)构成。主要介绍了多通道高分辨观测系统软件的设计。观测系统在功能上主要实现了Hα通道多波长点扫描观测模式,Ti O通道多时间分辨率观测模式,以及为满足多通道发展的需求,如常规观测通道的增加以及探测器的更换等,在系统架构上采用了松耦合的分布式分层结构。     

宽波段傅里叶变换太阳光谱仪等光程差采样系统设计

太阳成像光谱探测是诊断太阳大气磁场和热力学参数的主要手段. 傅里叶变换太阳光谱仪(Fourier Transform Solar Spectrometer, FTSS)具有宽波段的优势, 是当前中红外高分辨率太阳光谱探测的最佳选择. FTSS通过采集目标辐射等光程差干涉图, 反演获得光谱图, 等光程差采样的间隔决定了反演光谱波长范围. 因此从FTSS宽波段光谱观测对不同等光程差采样间隔需求出发, 基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)技术, 采用全数字分频、倍频方案, 设计了一套宽波段FTSS等光程差采样系统. 采用分布式余数补偿方法, 有效解决了在参考激光干涉信号倍频过程中, 输出采样信号在输出信号周期间误差累积问题, 并降低了输出采样信号的误差及非均匀性; 经功能仿真及实验测试, 系统在200Hz--50kHz频率范围内, 频率误差delta $<$ 0.04%, 可有效满足FTSS的300nm--25μm宽波段的光谱观测数据采集需求, 为后续可见和红外波段FTSS的研制奠定了技术基础.     

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。     

云南1米红外太阳塔分布式CCD实时控制与图像采集系统软件研制

分布式多CCD实时控制与图像采集系统软件的研制是1 m红外太阳塔进入常规观测的必要条件。重点讨论了太阳塔多CCD实时控制与图像采集软件系统的研制,包括软件系统采取的主控前置系统结构、工作流程,为了解决主控机和前置机之间通信而设计的通信协议,利用双缓存、双模数变换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)、存储器直接访问(Direct Memory Access,DMA)技术提高图像处理和存储速度,利用多线程机制实现多CCD的同步图像采集,前置系统定时向主控系统发送心跳信息以增强系统的可靠性。经实际测试,系统达到了预定指标,初步满足1 m红外太阳塔的观测需求。     

怀柔太阳观测基地三通道太阳望远镜局域网内远程观测终端系统设计

利用怀柔三通道太阳磁场望远镜对太阳进行多层次同步观测可以同时获得日面不同层次的活动图像,这对于更好的理解太阳物理有着重要意义.本文基于怀柔三通道太阳磁场望远镜开发了在局域网内能够对三通道CCD进行同步观测的远程终端观测系统,并通过此系统实现了怀柔基地三通道望远镜和小磁场望远镜的协同观测.系统设计采用vc.net集成开发环境,使用TCP/IP协议,通过套接字网络编程,对三通道太阳望远镜的三个CCD进行同步远程控制,目前系统已经在局域网内实现了图像数据和相机控制命令的传输等远程观测功能,大大降低了观测成本,并取得了初步的观测结果.     

NVST偏振观测系统的运动控制实现

中国科学院云南天文台1 m新真空太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope,NVST)是我国在太阳物理和空间科学对太阳进行光学和近红外观测的主力设备,主要科学目标是高精度、高时空分辨率的太阳磁场测量。1 m新真空太阳望远镜采用机械扫描偏振观测方式,由于光学系统的结构特性导致望远镜在跟踪太阳的过程中不可避免地引入了随时间变化的偏振效应,因此在进行偏振观测时需要进行系统定标,整个系统由定标单元、分析单元和探测器组成,其间涉及的多个运动部件均有复杂精密的运动要求。针对偏振定标过程和偏振观测过程中各光学器件的运动需求,给出了定标单元和分析单元的控制要求,实现了不同观测模式下各部件的运动要求。基于TCP/IP协议的远程控制方案,集成了采用串口通讯的各商用驱动控制器,开发了一套在.NET架构下的定标单元控制软件和相应的用户界面,并预留了观测控制系统接口。性能测试表明,系统符合观测要求,现已投入使用,为后续的偏振观测奠定了基础。