天文用2K×2K高速CMOS相机的研制与测试结果

高性能CMOS成像器件的技术近年来发展迅速,与长期在天文观测中占统治地位的CCD器件相比,CMOS在读出速度、功耗、空间应用的可靠性等方面具有一定的优势。为了探索CMOS成像器件在天文领域中的应用,我们以Fillfactory公司最新的高速、大面阵CMOS芯片LUPA 4000为基础,研制了一台天文相机并对其进行了测试。本文简要介绍了CMOS成像器件的概述,相机软、硬件系统的组成,以及在实验室条件下得到的读出噪声、增益、线性和增益等若干测试结果。     

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。     

一米新真空太阳望远镜光谱扫描观测系统设计

1 m新真空太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope,NVST)是国内用于对太阳进行观测和研究的大型科研设备,针对太阳活动区光谱观测的需求,在现有的大色散光谱仪及多波段光谱仪基础上,设计了光谱扫描设备,并基于C#设计了一套观测控制系统软件,实现扫描设备的运动控制和观测数据的采集。进行光谱扫描观测时,计算机控制扫描设备步进运动,并利用图像采集卡通过Camera Link总线采集CCD/CMOS相机的探测数据,基于多线程技术采集观测数据,将采集的图像数据存储成FITS(Flexible Image Transport System)文件,并将光谱图像数据处理成灰度图像用于软件界面监视。此套软件已用于1 m太阳望远镜光谱扫描观测,测试结果满足预期功能需求,为后续观测系统功能升级提供了良好的扩展性。     

基于RTS2和EPICS的成像控制软件的设计

EPICS是一个用于开发分布式设备控制程序的软件开发框架,它主要用于控制大型物理实验设备及天文望远镜系统,而RTS2是Linux系统上的一个远程自主望远镜控制系统。实现了EPICS与RTS2的集成,用RTS2负责望远镜观测流程控制,EPICS用于成像设备控制,使用EPICS的成像控制软件Area Detector完成了Andor相机的控制,并完成了RTS2和EPICS融合的命令状态接口,从而让RTS2能够兼容EPICS组件。成功用RTS2和EPICS实现了Andor相机的控制,并很好地集成到RTS2的流程控制中。     

CMOS相机采集的激光测距图像处理方法研究

将CMOS相机应用于云南天文台53 cm双筒望远镜激光测距系统,使得空间目标测距回波率以及测距成功率得到大幅提升。在分析CMOS相机采集的数字图像信息的基础上,提出了优化的图像处理和激光光尖提取算法,有效实现了激光光尖的识别和目标质心坐标的提取。首先采用中值滤波和均值滤波对图像进行去噪声处理,然后使用最大类间方差法(Otsu)计算阈值对图像进行二值化以及选用Roberts算子进行边缘提取,最后采用最小二乘法进行直线拟合求解光尖坐标并计算其位置偏差。结果对进一步研究CMOS相机在53 cm双筒望远镜激光测距系统中的应用有重要意义。     

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。     

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。     

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。     

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.     

基于兴隆观测基地80厘米望远镜的CSST无缝光谱地面测试

我国预计2025年发射的巡天空间望远镜(Chinese Space Station Telescope, CSST),主要用于开展大规模的多色成像与无缝光谱巡天工作。发射前需要利用地基望远镜对空间望远镜的光学成像系统、探测器,以及设备长时间运行稳定性进行地面测试。设计了兴隆观测基地80 cm望远镜的无缝光谱地面测试,利用A型恒星、B型恒星和沃尔夫拉叶星HD4004的强吸收和发射线特征,拟合色散方程,并发现色散方程具有空间分布特征。对HR3173的53条数据的零级谱位置信息及色散方程系数进行了二次曲面拟合,并利用该曲面对HR3173零级像位置范围内的HR718数据进行了波长定标,得到的CCD上8×13 pixels范围内的平均视向速度精度为51 km/s。     

利用GNSS测量射电望远镜参考点的仿真分析

高精度测量射电望远镜参考点和轴线偏差等参数,对建立天线指向模型和本地连接参数、提高测站坐标精度等具有重要意义。为完成新建射电望远镜参考点初始参考值的快速测定,根据望远镜的旋转模型,结合常规静态归心测量方法和随机动态测量方法,提出了一种利用GNSS天线代替测量靶标实现望远镜参考点测量的方法。通过仿真分析验证了该方法的合理性和有效性,并分析了数据点个数和数据点测量精度对天线参考点和轴线偏差解算精度的影响。     

嫦娥四号低频射电频谱仪降低背景噪声方法的研究

嫦娥四号着陆器将搭载低频射电频谱仪在月球背面进行低频射电天文观测,低频射电频谱仪的观测波段为0.1~40 MHz。根据着陆器在中国空间技术研究院的微波暗室进行的电磁兼容性试验结果,着陆器平台在该频段内自身存在非常强的噪声,其强度甚至淹没大部分来自太阳爆发的信号,难以探测有效信号,实现预期的科学目标。通过模拟仿真分析谱减法、维纳滤波及自适应滤波3种方法对着陆器噪声消除的效果,从而选择更为有效的噪声消除方法,为低频射电频谱仪在轨探测任务的数据处理提供依据。     

南山26米射电望远镜轨道高差测量及其对指向精度的影响

轮轨式天线的轨道作为承载整个天线重量的基础,其精度直接影响天线在方位方向运转的平稳性,引起天线轴系偏差从而影响天线的指向精度。介绍改造后的乌鲁木齐南山26 m射电望远镜(Nanshan Radio Telescope, NSRT)轨道结构以及轨道高差测量,并建立天线在不同方位、俯仰角下轨道高差引起天线指向偏差的数学模型。利用"十字扫描"法实测多颗标准源在相应位置的指向数据,并通过高斯拟合得到指向偏差。通过分析可知,轨道高差引起的指向偏差经过修正可以提高天线的指向精度。     

非合作目标激光测距预报的实时修正方法研究

非合作目标的激光测距预报一般是基于双行根数(TLE)外推出来的,往往有较大偏差,对激光测距的成功率有较大影响。结合空间目标的轨道理论和实测的数据分析,预报的偏差主要是预测模型外推的空间目标在运行轨道上的平近点角与实际平近点角存在偏差。根据非合作目标在望远镜跟踪视场中的脱靶量,利用相关算法可以找到一个最佳的时间根数偏差量修正空间目标的平近点角。经过修正,空间目标的视位置偏差得到改善,距离偏差能够从几百米减小到几十米,提升了预期回波到达时刻的准确度,可以给单光子探测器提供更高精度的距离门控,提高测距成功率。     

新疆天文台天文观测数据传输日志系统设计与实现

新疆天文台望远镜产生的观测数据通过数据专线传输到新疆天文台本部数据中心进行长期存储。采用rsync进行数据传输,传输过程中没有详细的日志记录信息,无法对传输情况进行统计分析。通过调研新疆天文台数据传输的需求,设计并开发了新疆天文台观测数据传输日志系统。系统以新疆天文台南山站、奇台站的数据存储服务器和新疆天文台本部长期存储为基础,设计了日志系统的整体架构,实现了数据传输过程的日志记录。系统基于shell多线程技术及Qt框架,开发了后台服务程序及日志系统软件界面,实现了日志分析、统计备份与数据传输的可视化页面。     

丽江2.4米望远镜的圆顶侧窗自动化控制系统

丽江2.4 m望远镜的圆顶采用方位随动和滑动式天窗的超半球结构,起初为改善因圆顶和望远镜终端电子设备引起的内外大气湍流,设计了大面积的多组机械式侧窗。但由于高平台手动操作危险、缓慢、不精确且易损坏,为实现侧窗稳定的多组自动控制,开发了基于STM32板的嵌入式圆顶侧窗自动控制系统,利用WiFi模块、串口模块和手柄实现侧窗的远程和多通道控制。同时结合气象数据、圆顶位置信息等使系统能根据气象阈值进行预警、自动开合,并尽量减小风对望远镜振动的影响。侧窗控制系统的设计可满足上层系统集成的需要。该系统稳定可靠,能满足侧窗的自主运行与人为控制。     

行星大样本演化的研究进展

随着系外行星观测样本的大量积累,大样本演化方法作为天体物理的重要方法,继在恒星物理中广泛应用后,在行星统计特征的研究中开始变得更加重要。行星大样本演化方法就是通过简化的行星形成演化模型,对大量初始条件(原行星盘参数)和边界条件(星周环境)同时进行模拟,给出行星的各种统计性质,并直接与观测上的行星样本统计特征做比较。该方法对于限制行星形成和演化的理论模型具有重要意义。对行星大样本演化模型进行概述,简要介绍了行星大样本演化的主要统计结果和最新进展,并对其未来发展作出了展望。     

十月历、十八月历与阴阳五行

彝族十月太阳历简称十月历,它的发现是20世纪天文界的一件大事。继十月历之后又在彝族地区发现了十八月历,即把一年分成18个月,每月20天的阳历。从现有的证据看,中国上古时代确实存在过十八月历,它就是尧都观测遗址显示的"二十节气"历。据《吐鲁窦吉》阐述,1年10个月,1月36天,半月18天,1年为20节气,1个节气18天也称为1个月。据此可以证明,彝族先民对十八月历并非独自创造,只是继承而已。植根于中国阴阳五行中的十月历,也可称作阴阳五行历,它与十八月历可看作是一回事,只是表述形式不同又互有联系的一种阳历,也可用简单的数学式表达:36天×10 (月)=20天×18 (月)=18天×20 (节气)=12天×30 (节气)     

2～18 GHz超宽带低噪声放大器芯片研制

低噪声放大器在射电天文望远镜接收机中是一个重要的前端组件,其性能对接收机的灵敏度和噪声有至关重要的影响。采用OMMIC公司70 nm GaAs mHEMT工艺研究和设计了一款工作频率为2~18 GHz的超宽带单片微波集成低噪声放大器芯片,芯片面积为2 mm×1 mm。放大器电路采用三级级联放大、双电源供电拓扑结构,常温在片测试结果显示,全频带增益大于28 dB,噪声温度平均值为93 K,直流功耗150 mW,无条件稳定。该放大器芯片覆盖了射电天文S,C,X,Ku 4个传统观测波段,适用于厘米波段超宽带接收前端和毫米波段超宽带中频放大模块。     

天文用法珀滤光器控制器关键模块数字前端AD转换精度研究

法珀滤光器在我国天文界得到了越来越广泛的应用,目前云南天文台抚仙湖太阳观测站已购进两台法珀滤光器,准备用于1 m新真空太阳望远镜的光谱观测中。由于国内对法珀滤光器研究比较少,国外相关资料尚不能查询到,因此了解其控制系统,不仅是自行研制法珀滤光器的需要,也是日常工作中必须的基础。针对这一趋势,在简介法珀滤光器原理的基础上,介绍了法珀滤光器的控制系统,并对控制系统数字前端模数转换精度要求进行研究。通过计算法珀平行板控制精度,最终选出符合要求的模数转换器。