光学综合孔径望远镜光程探测方法研究

光干涉技术需要对光程差进行精确的补偿和控制,因此光程差的精确探测尤为重要。主要针对色散条纹法在光程差探测中的应用进行讨论,通过理论分析、仿真计算和实验,验证了在一个波长范围内的光程差与色散干涉条纹纵向光强峰值偏移量之间存在线性关系。分析实验获得的白光色散干涉条纹数据发现,理论计算预测值有一定的偏差,通过对实验系统中各主要误差源进行分析发现,分光棱镜在运动过程中引入的俯仰起伏是导致实验误差的主要原因。     

一种基于傅里叶变换和图像二值化阈值遍历的干涉条纹角度计算方法

消除综合孔径望远镜子孔径之间的相对光程差是实现高分辨率干涉成像的前提条件,条纹检测法是一种检测相对光程差的有效办法。因子孔径的空间位置排布使干涉条纹具有一定的方向性,若不能精确获知干涉条纹的角度,则无法沿条纹的法线方向行采样,进而无法根据对比度变化曲线的最大值获得子孔径之间的最小光程差位置。提出了一种基于傅里叶变换和图像二值化阈值遍历的获得干涉条纹角度的方法,首先介绍了算法的基本原理,其次通过对条纹角度为43°的仿真数据进行算法验证得到的角度为43.007 8°,与理论值的误差为0.018%,证实了方法的可行性。最后对比了未旋转相机和旋转相机两种情况下的条纹对比度变化曲线,可知通过旋转相机使条纹转至相机靶面纵轴方向再进行采样的办法,更有利于精确得到相对光程差的最小位置。     

CCD消干涉及平场系统

本文给出了云南天文台CCD——Coude光谱仪系统的消干涉条纹及平场光源系统——光源,光路原理,机械装置。文中简要地介绍了CCD探测器用于大色散光谱观测中干涉条纹产生的原因,为什么需要平场,消除干涉条纹和平场的原理。     

恒星干涉仪中的高速倾斜镜应用研究

在恒星干涉仪中,高速倾斜镜(Fast-steering mirror,FSM)因分辨率高、响应频率快等特点被广泛应用于校正大气湍流、仪器内部振动等引起的波前倾斜.一方面,针对倾斜镜本身在加工、装调中引入的镜面与触动器偏转轴不共面等误差进行系统分析,通过数值方法研究了上述因素在倾斜镜工作时产生的附加光程差(Optical Path Difference,OPD),并讨论了该光程差对恒星干涉仪条纹跟踪精度的影响;另一方面,两臂光束之间的平行度误差是造成干涉条纹可见度损失的主要因素之一,通过分析大气扰动引起的波前倾斜对条纹可见度的影响,提出了一种基于单一阵列探测器、简单高效的星光平行度实时校正方案,并结合室内实验论证了该方案的可行性.实验结果表明:经高速倾斜镜校正后的星光方向平行度初步满足了恒星干涉仪系统对波前倾斜的需求.     

应用于自适应系统的1.2m望远镜面形误差精细检测

为检测云南天文台１．２ｍ望远镜光学成像质量,在多种光学检测方法中,我们结合实际情况,详细地讨论了两种方案的可能性。并用美国ＺＥＭＡＸ光学设计软件设计了所需的光学辅助元件。第一种方案,将全口径分割成直径为３００ｍｍ的子孔径后,利用哈特曼传感器对每个子孔径的最后成像波面进行探测,得到波前畸变量。最后将所得到的子孔径波面合成得到全口径波面,进而分析系统成像质量。第二种方案采用补偿干涉法,利用设计的补偿器补偿主镜的法线象差,得到干涉条纹,再由干涉条纹分析得到主镜面形差。这两种方法都实现微机实时采样与处理,能以较快速度计算出最后结果。最后,我们讨论了检测过程中误差来源及精度分析。在实验条件满足的情况下,整个系统的测试精度优于λ／１０。     

恒星干涉测量中光的偏振效应

恒星光学干涉仪中两光路的偏振特性是影响其干涉条纹对比度的主要因素之一。偏振效应包括由于反射产生的位相延迟和光的振动方向的旋转，并可能严重降低干涉条纹对比度，本文分析了偏振效应的产生原因和对干涉仪的影响，给出了三种典型的干涉仪光路布置，这些布置具有最小的条纹对比度损失。     

基于天文开源软件的卫星干涉测量数据处理系统

VLBI (Very Long Baseline Interferometry)技术观测卫星需要对干涉测量数据进行相关和后处理,通过相关、时延校准、条纹搜索,最终得到卫星的基线几何时延.基于天文开源软件建立起一套卫星干涉测量数据处理系统.该系统可工作在实时和事后两种状态,实现相关、中性大气、电离层、钟模型以及仪器硬件的时延校准、条纹搜索、生成基线时延和时延率序列.使用该系统处理北斗GEO (Geosynchronous Earth Orbit)卫星的干涉测量试验数据,得到了精度在1–2 ns量级的卫星基线时延序列.     

基于精密光程差调制的时域干涉信号闭合相位检测方法研究

闭合相位法是实现长基线恒星光干涉高分辨成像的重要技术手段之一,获得精确的闭合相位信息是进行光干涉图像重构的先决条件.提出一种基于精密光程差调制的时域干涉信号闭合相位检测方法,在3路干涉臂上进行非冗余精密光程调制,并通过多次干涉测量结合数据拟合的方法消除光程差调制中存在的正弦误差,使得光程调制的精度达到20 nm以内.引入高速探测器件提升时域干涉信号的采样频率,对探测器上获得的时域干涉信号进行傅立叶变换处理,获得3路干涉臂精确的闭合相位信息.室内实验结果表明,基于精密光程调制的时域信号闭合相位计算精度可以达到1/50波长以内.     

上海天文台1．56米望远镜斑点干涉成像实验进展

斑点干涉成像技术是克服大气湍流影响,提高地面大口径望远镜分辨本领的有效途径之一。该技术利用斑点相机拍摄一系列的短曝光像,使得大气湍流冻结,再经过图像处理获得高分辨率重建像。该技术设备简单,易于实现,很快在观测天文学中得到了广泛的应用,尤其是对双星的研究。首先回顾了天文高分辨率重建技术的发展,并介绍了相关研究成果。描述了几种典型的斑点干涉成像处理方法及其优缺点。对图像噪声类型及滤波方法进行了分析。在上海天文台1．56m望远镜上开展了双星斑点干涉观测实验,目标星等4～7mag,双星目标星等差小于2。分别采用斑点干涉术和迭代位移叠加法成功实现了双星目标的高分辨率成像,初步证明了在1．56m望远镜上进行斑点干涉成像实验,能够达到接近望远镜衍射极限的分辨率水平。     

1m新真空太阳望远镜成像系统观测数据干涉条纹特性分析及消除方法

抚仙湖1 m新真空太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope,简称NVST)是我国新一代地基太阳观测设备之一,其中Hα成像系统是进行太阳色球观测的主要终端.实测Hα观测数据(特别是偏带观测数据)中明显存在由薄膜干涉引起的等厚条纹,而常规平场校正有时无法将其消除,并在后期图像高分辨率重建过程中造成严重影响.为了解决这个问题,利用连续4 h的Hα偏带观测数据对干涉条纹的空间和时间分布特性做了分析并发现:干涉条纹的间距或二维空间分布样式随时间固定不变,但条纹的强度随时间变化明显(4 h左右可见度增加9倍),是导致常规平场校正无法将其消除的主要原因.由此推断造成上述时变特性的主要原因是观测过程中入射光的强度以及入射光与CCD靶面位置的相对角度随时间发生了变化,而且产生条纹的薄膜结构与靶面位置距离较近.尝试了两种降低条纹可见度的方法.首先对探测器(pco.4000型CCD)光敏介质的前封窗进行了改造,通过改造前封窗楔角至2?的方案来调制条纹间距至CCD像元尺度,改造之后小范围视场内可识别出可见度仅为0.6%的少量干涉条纹.其次基于图像滤波技术提取干涉条纹图样并生成所谓条纹平场,分别采用和比较了频域傅里叶变换滤波和空域中值滤波两种方法,结果基本相同.观测数据再次进行条纹平场校正之后,条纹消除效果明显:可见度可降低8倍左右(即由之前的4.7%降低为0.6%以下).同时也指出多幅图像的积分(累加)可以有效降低精细太阳结构在条纹平场提取中的影响,并给出累加时间的经验值约为20 min.     

地球同步卫星的VLBI观测

介绍了差分VLBI技术确定空间飞行器位置的原理。在上海、乌鲁木齐和昆明站开展了对地球同步卫星的首次国内差分VLBI观测 ,实验中选择 3颗角距小于 15°的ICRF射电源作为参考源 ,克服了卫星观测的特殊性带来的困难 ,成功地获得了卫星信号的干涉条纹。基于条纹拟合的结果和系统差分析 ,估计双差单向测距的总误差约为 4 1cm ,双差单向测速的总误差约为 0 .14 8mm/s,相当于在地球同步轨道上 8m的位置误差和 2 .8mm/s的速度误差     

脉冲星信号VLBI软件相关处理方法研究

脉冲星自发现以来一直是天文学家们关注的对象,甚长基线干涉测量(very long baseline interferometer,VLBI)更是以极高的角分辨率和灵敏度成为脉冲星研究的重要手段。为了使上海天文台现有的中国VLBI网(Chinese VLBI network,CVN)软件处理机能够处理脉冲星信号,讨论了用频率通道间时延补偿的方法实现非相干消色散,并通过加入矩形脉冲门同步信号,提取有效脉冲,提高了信噪比。然后改进现有CVN处理机结构,实现脉冲星信号的相关处理。最后,对脉冲位置搜索和脉冲星数据分箱(pulsar binning)技术做了初步分析与探索。VLBI数据处理结果表明此方法正确可行,能够消除色散,并获得脉冲星信号的相关处理条纹。     

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。     

基于Mark5B＋GPU脉冲星观测系统

云南天文台40m射电望远镜进行的脉冲星观测数据量巨大,必须实现数据的实时处理,否则将会产生海量的数据积压.为实现这一目标,采用图形处理器架构,对Mark5B数据进行解码、消色散、折叠等处理.实验结果表明,对以1s8MB的实时采样,可以在0.51s内处理完成,从而实现了实时处理的要求.首先介绍这一观测系统各部分的图形处理器实现,然后相对于传统中央处理器构架,对各部分的运算速度进行了详细的对比.针对时间开销最大的消色散部分,分析了单次傅里叶变换的数据量大小对执行效率的影响.从系统最终的输出轮廓和柱状图上可以看到实时处理的结果符合要求.最后对存在的问题和未来的工作进行了讨论.     

1m红外太阳望远镜光电导行系统中像场旋转的分析

云南天文台1m红外太阳望远镜(YNST)光电导行系统是基于检测太阳像在面阵CMOS图像传感器上的偏移量作为反馈控制信号的高精度闭环跟踪系统[1]。由于YNST是一个地平式装置,在太阳像偏移检测量中存在着像场旋转量,为了获取稳定清晰的太阳像,必须对检测量进行消旋[2]才能达到光电导行系统的跟踪要求。根据球面天文学及天体测量学的知识并结合导行镜的光学系统,推导了光电导行系统中像场旋转的变化规律并对其进行模拟分析。     

丽江2.4米望远镜检偏器控制系统设计

偏振测量是天文四大测量(光谱,光度,偏振,图像)手段之一,而检偏器是进行天体偏振测量的有力工具之一。通过TCP/IP协议控制步进电机驱动检偏器旋转一定的角度值,通过RS485串行通讯实时读取光电绝对编码器的读数作为检偏器绝对位置的反馈量,从而构成一个闭环控制系统。最终实现了转动误差0.42°,步进角度22.5°,转动范围0°～360°的偏振闭环控制系统,完全满足天体偏振测量的基本要求。     

基于多重网格的射电源条纹搜索算法研究

空间甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Infertaro-meter, VLBI)是射电天文未来重要的发展方向,但其观测系统和轨道等不稳定因素会导致相关处理机所需的预报时延模型与实际时延相差较大,在这种情况下很难获得干涉条纹。提出了基于多重网格的射电源条纹搜索算法,可以在不使用时延模型的情况下,使相关处理机在较大范围内从原始数据中自动完成干涉条纹搜索,利用滑动窗口技术扩大搜索范围,多重网格技术提高搜索效率。实测数据表明,该算法能够在不依赖先验预报时延模型的情况下成功获得射电源干涉条纹。     

面向ONSET实时数据处理的图像选帧GPU技术实现

光学和近红外太阳爆发监测望远镜每天可以获得大量的太阳图像数据,对这些观测数据进行实时选帧处理,一方面可以减轻存储压力,另一方面也可以提高后续图像重建的质量。针对观测过程中的选帧要求,设计并实现了一套基于图形处理器的图像选帧实时处理模块,当前的模块已经实现了平均梯度法和谱比法选帧两种算法的高速并行处理。对模块的实现进行了细致的讨论,并比较了两种选帧方法的加速比。实验表明,该模块运行稳定可靠;从执行效率来看,针对近全日面图像的选帧总体执行时间最快为1.2 s,比原有串行实现提升了7倍;局部面图最快为0.7 s,平均提升了5倍。整体模块的实现与当前性能已经可以满足实时观测与处理的要求。     

NVST的长期跟踪误差分析及改正

由于1 m太阳望远镜主体、光电导行及终端仪器消旋平台等的结构特点,即使光电导行系统闭环后,望远镜长时间跟踪精度仍然较低。为了解决这一问题,首先根据望远镜的结构特点分析了跟踪误差随时间变化的原因,然后通过理论和实测分析了误差的变化特点,研究了如何通过相关算法检测望远镜折轴焦点F_3焦面的高分辨率成像观测系统中的图像移动量,并平滑高频分量,分离出低频分量以反馈给望远镜定位跟踪系统,进一步提高望远镜的长时间跟踪精度。最后进行了高分辨率成像观测系统中TiO通道闭环跟踪实验,实验表明,在4小时的闭环跟踪时间内,跟踪误差的均方根值为0.52″,表明通过折轴焦点F_3成像观测系统中的图像移动量对望远镜实行闭环跟踪能够提高望远镜的长时间跟踪精度。     

综合孔径干涉望远镜的高分辨率图像重建

利用干涉望远镜成像,可以获取最长基线对应的高频率信息,但往往只能获得部分频域覆盖.为了获得尽可能多的频率信息,可以先通过孔径排布变换,进行更充分的频率采样,再经过干涉图像合成,得到含有完备频率信息的目标高分辨率重建像.介绍了综合孔径干涉望远镜的高分辨率图像重建工作,重点讨论了孔径旋转条件下的干涉图像对齐和合成问题,并成功实施了天文目标的干涉成像观测实验,获得了有完备频率信息的目标高分辨率重建像.