自适应光学应用于月球激光测距中视场旋转对大气波前倾斜量提取的影响

自适应光学技术应用于月球激光测距试验中需要实时针对月面扩展源进行大气波前倾斜量的提取,望远镜在跟踪月亮的过程中存在月面本身相对望远镜的物方视场的旋转以及望远镜自身的运动所引起的像方视场的旋转,本文讨论了望远镜物方视场及像方视场旋转的规律以及其对大气波前倾斜量提取的影响。     

月球激光测距的新技术方法研究

月球激光测距是国内外所瞩目的宏伟目标 ,代表着单光子探测技术的高峰。本论文的目的是探索提高激光测月回波光子数的新方法 ,进而增加激光测月成功的几率。其思路是源于一个新的想法 :在激光测月过程中引入大气波前倾斜量实时补偿的技术。首先介绍激光测月的现状和其难度所在 :回波光子数太少 ,基本上属于亚光子探测范畴。在现有技术条件下 ,本文对影响激光测月回波光子数的因素逐一进行分析讨论 ,提出应该把激光束截面能量分布和大气湍流效应包括进去。为此分析讨论了大气湍流和大气中光场的基本统计性质、激光束在大气中传输时所受大气湍流的影响以及大气湍流对激光测距的影响 ,得出大气湍流特别对激光测月有着明显影响的结论。在此基础上对传统的激光测距方程进行了修正 ,使其应用到激光测月时更符合真实的情况 ,从而指导补偿的进行。涉及到在激光测月中对受大气湍流而畸变的激光束进行补偿 ,本文抓住重点 ,通过分析看出对大气倾斜量的实时补偿是提高激光测月回波光子数的重要因素。结合激光测月以及云南天文台现有测距系统的实际情况 ,本文独创性地提出利用激光测月目标近旁一定大小区域的扩展面源探测与计算大气倾斜量 ,然后对激光测月中的激光束进行大气倾斜量实时补偿的新技术方法。在分析比较     

月球激光测距的新技术方法研究

月球激光测距是国内外所瞩目的宏伟目标，代表着单光子探测技术的高峰。本论文的目的是探索提高激光测月回波光子数的新方法，进而增加激光测月成功的几率。其思路是源于一个新的想法：在激光测月过程中引入大气波前倾斜量实时补偿的技术。首先介绍激光测月的现状和其难度所在：回波光子数太少，基本上属于亚光子探测范畴。在现有技术条件下，本文对影响激光测月回波光子数的因素逐一进行分析讨论，提出应该把激光束截面能量分布和大气湍流效应包括进去。为此分析讨论了大气湍流和大气中光场的基本统计性质、激光束在大气中传输时所受大气湍流的影响以及大气湍流对激光测距的影响，得出大气湍流特别对激光测月有着明显影响的结论。在此基础上对传统的激光测距方程进行了修正，使其应用到激光测月时更符合真实的情况，从而指导补偿的进行。涉及到在激光测月中对受大气湍流而畸变的激光束进行补偿，本文抓住重点，通过分析看出对大气倾斜量的实时补偿是提高激光测月回波光子数的重要因素。结合激光测月以及云南天文台现有测距系统的实际情况，本文独创性地提出利用激光测月目标近旁一定大小区域的扩展面源探测与计算大气倾斜量，然后对激光测月中的激光束进行大气倾斜量实时补偿的新技术方法。在分析比较各种从低对比度扩展源中计算大气倾斜量的算法后，本文认为采用绝对差分法最佳。最后是具体的激光测月的新技术方案，同时对此方法的理论与技术进行了分析讨论，推导出新技术方法的理论依据、补偿效果、可行性与实用性。     

一种基于RTAI实时操作系统的相关跟踪处理机

引入倾斜校正自适应光学技术到月球激光测距中,详细介绍了倾斜校正自适应光学的相关跟踪原理,给出了一种基于实时操作系统RTAI的相关跟踪波前处理机的设计结果.该波前处理机采用绝对差分算法,使用通用CPU,基于Linux硬实时扩展系统BTAI实现对波前的实时处理.实验结果证明,它的相关跟踪处理帧频为1 KHz,并且具有集成度...     

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.     

月球激光测距的现状及可能的改进方法

月球激光测距 (LLR)代表了单光子探测技术的高峰 ,是国际激光测距界奋斗的目标。本文回顾了月球激光测距的现状以及它所特有的技术难度 ,同时介绍了我们为增加月球激光测距回波光子数所提出的一些可能的改进方法。特别介绍了在月球激光测距中利用月面反射器近旁的月面扩展源探测与计算大气倾斜量 ,进而对测月的激光束实施大气倾斜量实时改正这样一个全新的概念。最后介绍了云南天文台的激光测距系统以及它的近期工作目标。     

月球激光测距的现状及可能的改进方法

月球激光测距（LLR）代表了单光子探测技术的高峰，是国际激光测距界奋斗的目标。本文回顾了月球激光测距的现状以及它所持有的技术难度，同时介绍了我们为增加月球激光测距回波光子数所提出的一些可能的改进方法。特别介绍了在月球激光测距中利用月面反射器近旁的月面扩展源探测与计算大气倾斜量，进而对测月的激光束实施大气倾斜量实时改正这样一个全新的概念，最后介绍了云南天文台的激光测距系统以及它的近期工作目标。     

自适应光学技术应用于激光测月中大气波前倾斜量的探测与计算

针对云南天文台1.2米望远镜在激光测月中回波光子数太少的问题，将大气湍流效应考虑到激光测月中，研究了互相关和绝对差分两种跟踪算法的原理，并编写了算法程序，利用太阳数据验证了程序的正确性,给出了根据所采集的月面感兴趣区域的图像数据，用不同方法在不同条件下处理所得的大气波前整体倾斜信号，比较了算法的优劣。     

基于现场可编程门阵列的幸运成像算法的实现

幸运成像技术是用于消除天文图像中大气湍流影响的高分辨率图像重建技术,传统的基于中央处理器的幸运成像算法难于实时化。利用现场可编程门阵列并行处理的优势,设计了一种基于现场可编程门阵列的幸运成像算法并构建了一个实验系统。该系统用现场可编程门阵列完成了选图、配准、叠加的全部幸运成像算法流程,所得高分辨率图像与基于传统中央处理器算法处理的结果完全相同,但幸运成像算法的处理速度比传统中央处理器的处理速度快19倍。该算法在现场可编程门阵列上的实现,为幸运成像技术的实时或准实时化提供了一种可行的方案。     

太阳目标哈特曼波前探测研究

分别对Hinode光学望远镜SOT观测太阳黑子的本影和半影图像以及太阳米粒组织图像进行了空间频谱计算和相关计算,分析了太阳不同结构区域图像的时域和空域特性对哈特曼波前探测精度的影响。计算和分析结果表明,在子孔径波面倾斜小于0.25″情况下,米粒组织图像采样时间在2 min内、本影和半影采样时间在4 min内,对子孔径波面倾斜探测精度的影响极小;并且由太阳目标特性引起的哈特曼波面探测误差随波面畸变量的增大而增大。这些研究结果可为太阳望远镜哈特曼波前探测器研制和应用提供依据和参考。     

Phasing of segmented mirrors: a new algorithm for piston detection

The point spread function of a segmented-mirror telescope is severely affected by segment misalignment, which can nullify the performance of adaptive optics systems. The piston and tilt of each segment must be precisely adjusted in relation to the other segments. Furthermore, the direct detection of the alignment error with natural stars would be desirable in order to monitor the errors during astronomical observation.
We have studied the lost information of the piston error caused by the presence of atmospheric turbulence in the measurements of curvature, and present a new algorithm for obtaining the local piston using the curvature sensor. A phase-wrapping effect is shown as responsible for the loss of curvature information and so the piston errors can no longer adequately be mapped; this happens not only in the presence of atmospheric turbulence, but also in its absence.
Good results are obtained using a new iterative method for obtaining the local piston error map. In the presence of atmospheric perturbation, the turbulent phase information obtained from a Shack–Hartmann sensor is introduced in our new iterative method. We propose a hybrid sensor composed of a curvature sensor and a Shack–Hartmann sensor, in order to complete all the information for the phasing. This design takes a short computation time and could be used in real time inside an adaptive optics system, where tilt and piston errors must be corrected.     

A novel sampling technique for image sharpening in infrared array cameras

A new nondestructive readout scheme of the array will be presented which allows first order wavefront corrections of images degraded by atmospheric seeing. During the stare time the integration ramp of the detector signal is sampled every 100 msec. A regressional fit of the sampled data points yields the slope of the integration ramp which is proportional to the flux received by a detector pixel. To this readout mode which is commonly used for IR arrays a small software module can be added to compensate the image motion of the observed object by shifting the nondestructively sampled images. This has the same effect as a tip tilt correction by an active optical element - but without the extra complexity of such a device. First results obtained at the telescope are presented.     

Research on the Application of Fast-steering Mirror in Stellar Interferometers

In stellar interferometers, the fast-steering mirror (FSM) is widely utilized to correct the wavefront tilt caused by the atmospheric turbulence and internal instrumental vibration, because of its high resolution and fast response frequency. In this study, the non-coplanar error between the FSM and the actuator deflection axis introduced by the manufacturing, assembly, and adjustment is analyzed systematically. Via a numerical method, the additional optical path difference (OPD) caused by the above factors is studied, and its effect on the fringe tracking accuracy of a stellar interferometer is also discussed. On the other hand, the starlight parallelism between the beams of two arms is one of the main factors for the loss of fringe visibility. By analyzing the influence of wavefront tilt caused by the atmospheric turbulence on fringe visibility, a simple and efficient real-time correction scheme of starlight parallelism is proposed based on a single array detector. The feasibility of this scheme is demonstrated by a laboratory experiment. The results show that after the correction of fast-steering mirror, the starlight parallelism meets preliminarily the requirement of a stellar interferometer on the wavefront tilt.     

Adaptive Optics Image Restoration Based on Frame Selection and Multi-frame Blind Deconvolution

Restricted by the observational condition and the hardware, adaptive optics can only make a partial correction of the optical images blurred by atmospheric turbulence. A postprocessing method based on frame selection and multi-frame blind deconvolution is proposed for the restoration of high-resolution adaptive optics images. By frame selection we mean we first make a selection of the degraded (blurred) images for participation in the iterative blind deconvolution calculation, with no need of any a priori knowledge, and with only a positivity constraint. This method has been applied to the restoration of some stellar images observed by the 61-element adaptive optics system installed on the Yunnan Observatory 1.2m telescope. The experimental results indicate that this method can effectively compensate for the residual errors of the adaptive optics system on the image, and the restored image can reach the diffraction-limited quality.     

一种固定选图数的实时幸运成像算法

幸运成像技术是一种从大量短曝光图像中选取少量幸运好图进行配准、叠加的高分辨率图像恢复技术,能够有效减小大气湍流对图像质量的影响,但传统的基于中央处理器(Central Processing Unit,CPU)的幸运成像算法难以实现实时化。利用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的并行性和灵活性优势,提出了一种新的基于现场可编程门阵列的幸运成像算法,并构建了一个现场可编程门阵列实验系统。该算法采用一种固定选图数且无需排序的图像选择策略和一种以行列坐标为基准的图像配准策略,能够有效节省算法处理时间和硬件资源,达到实时幸运成像的目的。实时幸运成像算法能够以简洁的方式在中小规模的现场可编程门阵列上实现,所得高分辨率图像与基于传统中央处理器算法处理的结果完全相同。实验表明,对于2000帧128×128像素的输入图像进行幸运成像,本算法的运行速度比本实验室之前提出的算法快27倍,比传统的基于CPU+MATLAB幸运成像算法速度快150多倍,处理帧率可达197帧/秒。该算法及其现场可编程门阵列实现技术可以用于构建真正实时的幸运成像系统。     

一种基于单片机的数据采集系统设计

叙述了一种基于单片机的数据采集系统硬件设计和软件编制。该系统可在工作现场自动完成排量、压力的采集、分析及数据处理工作，实现实时显示，可广泛应用于智能仪器仪表、科学研究中。     

Westward rotation of the atmospheric angular momentum vector of Titan by thermal tides

The orientation of the atmospheric angular momentum vector of Titan and its temporal variation predicted by a general circulation model are analysed and interpreted. The atmospheric angular momentum vector is tilted by a few degrees from the polar axis and the vector rotates (precesses) westward with a constant period of 1 Titan day. The fast westward rotation is likely to be caused by migrating diurnal thermal tides. The tilt is almost cancelled out in the troposphere by the wavenumber 2 pattern of Saturn's gravitational tide, but is more pronounced in the stratosphere, where thermal tides are significant. The predicted tilt angle and the equatorial angular momentum vary with season and maximize when the hemispheric asymmetry of the axial angular momentum or superrotation attains its peak.     

基于嵌入式人工智能设备的流星光学监测系统

流星光学监测网是定位陨石和观测火流星的基础科研设施. 流星光学监测系统利用光学相机高速采集天空图像, 使用嵌入式系统实时处理数据, 能够快速识别流星并获取流星位置和陨石落点信息, 是构成流星监测网的关键仪器. 为提高流星光学监测系统获取信息的实时性及准确性, 提出了一种基于嵌入式人工智能设备的流星光学监测系统. 该系统由软件及硬件部分组成: 硬件部分包括观测设备(商用高空抛物摄像头)以及数据处理设备(嵌入式人工智能设备); 软件部分运行于数据处理设备内, 主要包括控制界面模块、流星监测模块、数据管理模块. 实际工作时, 摄像头采集天空视频信息, 流星监测模块从视频流中实时监测流星并存储包含流星视频的数据, 数据管理模块将流星位置信息实时传回数据中心用于预警. 观测结束后, 将原始观测数据同步至数据中心用于后续科学研究. 在整个系统中, 流星监测模块决定了整个监测系统的实时性及准确性. 该系统采用嵌入式人工智能设备与人工智能算法结合的方法构建流星监测模块. 通过使用实测数据对搭载监测模块性能进行测试, 结果表明: 流星监测模块能够达到0.28%的低误检率以及100%的召回率, 且数据处理速度达到了Mobilenetv2的8倍. 进一步将包含监测模块的整个流星光学监测系统部署于太原理工大学-张壁古堡远程天文台, 通过实测表明流星光学监测系统实用中能达到100%的召回率和较低的误检率.