天文CMOS相机测试平台及控制系统的实现

CMOS相机是一种重要的固体成像设备。随着科研级CMOS相机的性能不断提高,现已广泛应用于科研领域。新真空太阳望远镜的成像设备也使用CMOS相机,因此建立一个天文CMOS相机测试系统,对于新购CMOS相机的验收以及现有CMOS相机的定期检测和维护有十分重要的意义。介绍了CMOS相机测试平台的硬件组成,并针对实际测试中对设备控制的需求,以及利用控制器对相应的设备直接控制,提出了基于TCP/IP协议以及串口通信的设计方案,利用C#编程语言设计了一套多线程并行的控制系统软件,实现各设备在局域网内的远程并行控制。通过对设备的运行测试,结果表明,系统能良好地控制各设备的正常运行,满足测试系统集成控制的需求。     

基于EMCCD的成像系统的构建

为了探索对较暗目标进行成像的新方法，我们在TI公司生产的带有增益寄存器的EMCCD（Electron Multiply CCD）芯片基础上，构建了一套成像系统，主要用于对此芯片进行性能测试，为将来构建天文观测用相机做准备。本文主要介绍了EMCCD的结构特点、工作原理，并且详细介绍实验室采用TI公司的EMCCD搭建的成像系统，以及在此系统基础上对EMCCD进行地评测。     

云南天文台Hα全日面望远镜4K×4K CCD性能测试

天文观测采用的CCD一般都要进行性能测试,然后再投入常规观测。针对云南天文台Hα全日面望远镜新引入的4K×4K大尺寸QHYl6803CCD已投入实际观测的情况,对其进行了较为全面的测试,检测内容包括有效尺寸、本底情况、读出噪声、增益、暗流、热像素等等。从检测结果来看,该CCD是适用于太阳全日面观测的。同时提出的检测方案是一种在非实验室条件下的测试方案,较为方便和快捷。从检测结果来看,参数的测量可信度高。     

天文CCD片内放大器的噪声特性及其抑制方法

分析了低光度天文应用时CCD器件的主要噪声源的噪声特性和三种典型CCD读出信号处理方式的噪声抑制效果;提出了天文CCD读出信号的相关多次采样(CMS)处理新方法,并分析了四次采样抑制CCD读出噪声的实验结果。     

天文选址相机的研制

详细介绍了天文选址用CCD相机的开发研制．系统探测器选用具有累进扫描模式的ICX098ALCCD芯片，采用相关双采样信号读出电路、USB通讯接口实现数据与命令的传输．对系统工作性能进行了详细的测试：12℃条件下暗流约为52adu／see，系统增益(system gain)为2.2e／adu，读出噪声(readout noise)为30e．最后给出了在日本冈山天体物理观测所对大气宁静度的实测结果，该结果与冈山已有仪器测量值吻合．     

丽江2.4米望远镜双视场终端的控制与图像采集

为充分利用丽江2.4 m望远镜有限的卡焦接口,提高观测效率,研制了一个双视场天文观测终端,在2.4 m望远镜上实现不同视场和图像比例尺等参数进行快速测光和高分辨成像等天文观测,以满足不同的观测需求。针对该终端对滤光片轮精度和大视场光路与小视场光路切换的精度要求,以及对电子倍增电荷耦合器件(Electron-Multiplying Charge-Coupled Device, EMCCD)相机图像采集的速度要求,采用三层电机闭环控制以及多线程并发执行等技术,实现了该终端中滤光片轮、大视场光路与小视场光路切换的精确控制,以及EMCCD相机图像的快速采集与存储。最后在实验室进行了详细测试,结果表明,所设计的控制与图像采集系统能满足各项性能指标的要求。     

南京大学65cm反射式望远镜CCD相机的性能研究

2021年6月,使用南京大学本科实验教学的65 cm反射式望远镜系统,对其后端的电荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)的性能采用圆顶平场法进行了实际测定,得到了CCD相机的快门函数;同时用平场序列曝光,检测了CCD相机的线性。CCD相机的读出值从0到61 900模数转换单位(Analog-Digital Unit, ADU)非线性小于1%,同时CCD相机的増益为1.02e^-/adu,读出噪音为13e^-。但对于恒星这样的点光源的观测,当像元的数值高于38 000 adu时产生溢出。因此,在使用本CCD相机做点光源观测研究时,需要选择恰当的曝光时间,避免星像溢出。实际天文观测中,利用此研究得到的快门函数可以对观测图像进行校准,有效提高测光精度。     

基于卷积神经网络的全天空地基云图分类研究

全天相机拍摄的全天空地基云图能够实时反映当地的云量信息,而云量是天文选址首先考虑的因素之一。因此,对全天空地基云图根据图像质量、应用背景等因素进行自动化分类,实现鲁棒性高、适应性强的自动化分类算法,为天文选址提供重要帮助。基于雪龙号全天相机数据对卷积神经网络模型进行训练,并使用丽江观测站全天相机数据进行测试,取得了较好的应用效果,实现了可迁移性高的全天空地基云图自动化分类方法。     

丽江天文观测站全天相机介绍

全天相机作为一个对天文观测台站全天云量信息进行监视的工具,对天文观测的正常进行发挥着重要的作用,目前世界上主要天文台均配备有全天相机,为了满足对全天云量信息进行实时监视的需求,丽江天文观测站正式安装架设了一套全天相机系统。从硬件安装架设、软件调试到实际测试等方面,详细介绍了全天相机系统的设计方案以及遇到的问题,讨论了对问题的解决措施,重点介绍了根据天光亮度数值调整相机曝光时间的方法,这也是主要创新与特色之处。     

空间应用短波CCD系统增益的放射源标定和估算

为满足国内空间天气监测预报研究,建立自主的空间天气数据获取系统,正在开发太阳软X-EUV空间成像望远镜。CCD作为空间望远镜的成像器件,在研制的过程中需要掌握其基本特性,对其进行标定测试。介绍了在热真空罐中使用Fe55放射源进行CCD增益标定的实验和实验数据的两种处理方式,得到了-8℃至0℃温度范围内的增益值,结果表明两种处理方式的结果符合较好,温度变化对增益的影响较小,并以这些温度下增益的平均值作为最终的增益值结果。     

德令哈13.7m望远镜多波束接收机的运行

德令哈13.7 m望远镜是中国最重要的射电望远镜之一.望远镜自安装超导成像频谱仪以及采用飞行观测模式以来,运行近10 yr.在此期间,望远镜开展并完成大量的天文观测,累积了巨量的天文数据,取得了一系列重要的科研成果.介绍了超导成像频谱仪在天文观测中的运行状态,运行中疑难问题、故障现象及解决方案.详述了超导成像频谱仪各方面性能测试及多年来的性能分析,包含接收机噪声温度及望远镜系统噪声温度、镜像抑制比、接收机稳定性、波束性能等方面.列举了超导成像频谱仪更新发展方面的工作,包含本振功率自动化调整、边带分离型超导混频器预放大电路的更新、控制程序的优化等.总结经验和规律,承前启后,将过去的超导成像频谱仪的维护运行经验应用到之后新一代大规模接收机系统中.     

上海天文台斑点相机及观测实验

斑点干涉成像技术已有几十年的历史,该技术在双星天文观测上得到了广泛的应用,取得了一系列的研究成果.上海天文台研制的一台斑点相机安装在1.56 m望远镜上,主要用于双星、三星以及延展目标的斑点干涉成像观测.重点介绍斑点相机的设计、调试以及图像重建工作,并结合双星和三星目标的观测情况,给出高分辨率重建图像及角距离测量结果.实验结果表明:在1.56 m望远镜上开展斑点干涉观测实验,能够接近望远镜衍射极限分辨率水平.     

红外相机CASCAM光学设计

介绍紫金山天文台研制的光学-近红外相机CASCAM（Chinese Academy of Science，CAMera)的光学系统设计．CASCAM相机以红外列阵HAWAII-1和光学CCD为探测器，配备国家天文台兴隆观测站2．16米和1．26米望远镜进行0．4—2．5μm波长范围的成像和偏振成像观测．相机的光学系统由F／9→F／6缩焦系统和Offner反射成像系统构成．优化设计结果表明，光学设计方案已满足天文观测的要求．CASCAM相机在设计上实现了光学-近红外很宽波段的消色差变焦，并在楔形分柬片、常温滤光片轮和折射式焦面摆动技术等方面进行了新的尝试．     

一种天文用CCD相机的电路设计

简述了一种面向天文应用的CCD相机系统的设计要求,详细介绍了该相机系统电路的基本结构及设计原则,包括CCD及其周边电路、模拟前端、时钟驱动电路、电源电路以及用VHDL编写的植入FPGA的CCD时序发生器电路等一些技术细节.对系统中一些关键电路模块进行了仿真和实测,并对仿真和测试结果进行比较分析,最后给出该CCD相机的图像采集结果.     

兴隆60cm反射镜主焦CCD测光系统的基本性能测试

给出兴隆60cm反射镜主焦CCD系统测光性能的测试结果，内容包括bias和暗流的稳定性测试、平场分析、增益和读出噪声测定等。以期为CCD测光工作提供参考和指导。     

K波段宽带圆极化器设计

设计了一个K波段圆极化器,其工作频率为18至26.5 GHz。K波段包含多条重要的射电天文分子谱线,此波段圆极化器的研制对于天文观测与科学研究有极其重要的意义。圆极化器用于将线极化波转换为圆极化波以便于射电望远镜进行观测。包括其工作原理、设计要点、模型仿真结果等内容。主要着眼于正交模式转换器与移相器这两个圆极化器中的重要器件,通过工作原理分析以及电磁仿真的方法进行器件的具体设计并得出仿真结果。仿真结果各个端口回波损耗均小于-20 d B,且移相器的移相误差小于3.3°。     

天文光子学研究现状及其应用展望

天文学是一门观测学科, 其发展受观测技术及仪器进步所推动, 而天文科学发展同样不断对观测仪器提出新的要求. 天文学发展至今, 对观测仪器的要求逐渐走向极致和极端, 这在实现成本及难度两方面均带来极大挑战. 为应对上述挑战, 基于新原理、新技术的下一代天文光学技术及观测仪器已成为天文学发展的内在需要. 近年来, 集成光子学的发展为天文光学技术带来了新的变革性机遇, 在此基础上产生的新兴交叉学科天文光子学(Astrophotonics)可为天文观测提供低成本、高度集成化(芯片化)的新一代高性能光学终端仪器, 这类仪器将在空间天文观测、大规模光谱巡天、高分辨高精度光谱成像等应用中起到关键作用. 主要从仪器/器件功能出发介绍天文光子学主要研究内容及现状, 并简要讨论其发展所面临的主要问题, 最后对其发展趋势做出展望.     

幸运成像技术在天文观测中的应用

由于大气湍流的影响,传统地基望远镜难以获得高空间分辨率的图像。天文学家为了在天文成像、测光观测、天体测量等领域的研究中得到更好的结果,不断追求克服地球大气的影响,获得更高空间分辨率的方法。幸运成像技术是一种能够使地面望远镜获得接近其衍射极限分辨能力的技术方案,具有成本低、设备简单的优点。介绍了幸运成像技术的发展趋势和基本原理,总结了国际上目前在用的幸运成像系统及其设备参数。结合幸运成像技术在国际上成功应用实例,综述了含系外行星多恒星系统的观测研究、双星系统轨道测量、球状星团中变星搜寻等天文观测获得的大量研究成果。随着新数据处理方法的应用,近年来蓬勃发展的幸运成像与自适应光学复合技术,将进一步拓展幸运成像技术的应用前景。     

几款适用于天文摄影的泽尼特相机

我们已经进入了一个数字的时代,数码相机也越来越受到大多天文摄影爱好者的青睐。然而,传统的光学相机并不会就此退出天文摄影的舞台。本刊特邀请张培华先生撰写了这篇文章,简要介绍了泽尼特相机的一些特点,希望对那些执着于用光学相机进行天文摄影的爱好者有所帮助。     

基于USB2.0总线数据侦听的实时幸运成像系统

为进一步提高现有实时幸运成像系统的实时性,针对第二代通用串行总线(Universal Serial Bus 2.0, USB2.0)接口的电子倍增电荷耦合(Electron Multiplying Charge-Coupled Devices, EMCCD)相机进行幸运成像观测的情况,提出了一个基于USB2.0总线数据侦听的实时幸运成像技术方案,进行了侦听电路的硬件设计和数字逻辑设计,搭建了一个具有实时侦听、传输、处理、动态更新和显示的幸运成像系统。当相机拍摄天文图像并与个人计算机(Personal Computer, PC)进行数据交互时,系统的USB2.0总线数据侦听子系统就会对交互的USB2.0总线实现无侵入式侦听,并且加以分析处理后,只将有效的天文图像数据发送给底层现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)开发板中的幸运成像子系统,然后幸运成像子系统对接收的数据进行预处理、动态选图、实时配准和叠加处理,最后采用9个实时分割阈值水平切割高分辨率图像并对二值图像进行动态更新和显示。实验结果表明,所实现的系统能够对在USB2.0总线上连续传输的10 000帧512×512像素的图像进行实时侦听、幸运成像和动态更新显示,实现了幸运成像技术的实时化。