基于傅里叶变换色散条纹法的实验研究

光干涉要求实现各光路共相位叠加,对于宽波带的白光干涉要求更加苛刻。因此,要实现稳定的白光光干涉需要对光程进行实时探测和控制。对基于傅里叶变换的色散条纹法进行了理论推导、算法设计,并利用实验室建立的Fizeau型干涉实验装置开展开环、闭环实验研究。在开环实验中,采集不同光程差的多幅色散条纹图像研究了图像频谱次峰偏移量和光程差的关系,结果显示,偏移量与光程差之间呈现良好的线性关系。在闭环实验中,利用光程差的实时计算结果和光程补偿机构对光程差进行闭环控制,结果显示,在外加扰动的情况下,系统能够始终保持在初始的干涉状态。     

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。     

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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

利用国内VLBI网跟踪大椭圆轨道卫星

2004年7月,昆明VLBI站经过改造,由上海、乌鲁木齐和昆明站组成的中国VLBI网(CVN)采用统一的MARK4格式编制器和CVN硬盘记录系统,对大椭圆轨道卫星“探测1号”的2圈轨道的共同可视弧段进行了跟踪观测．软件相关处理程序已成功地用于检测卫星遥测信号的干涉条纹和数据相关处理．采用基于条纹幅度的加权最小二乘条纹拟合方法,获得了卫星VLBI观测量及其精度估计,完成了卫星VLBI观测量的3基线闭合误差检验．应用河外射电源校准方法和多频点相位校正信号提取方法,进行了台站钟差和仪器延迟等系统误差改正．经系统差改正后的卫星VLBI观测量序列已用于“探测1号”卫星的轨道确定．     

基于四棱锥传感器的波前检测仿真设计

波前检测是天文望远镜自适应光学中的重要环节。四棱锥作为一种新型的波前检测元件,与其他传统的波前传感器相比,具有较高的灵敏度。特别是对于光干涉或拼接镜面望远镜而言,四棱锥波前传感器能够被用来检测子望远镜或子镜面之间的相对光程差,从而为干涉(或共相)的实现提供有效的检测信号。在分析四棱锥波前检测原理的基础上,阐述了单孔径条件下波前倾斜检测及双孔径干涉条件下相对光程差检测的软件仿真设计和阶段性成果,并简述了下一阶段的研究计划。     

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.     

环焦天线口径面相位分析

环焦天线具有特殊的电磁特性和应用领域.对环焦天线的口径面相位误差进行了理论和仿真分析,推导了馈源和副面位置偏差引起的相位误差、主副面之间的补偿关系以及全息测量中天线转动引起的光程差.研究结果将对环焦天线的精确面形测量和补偿提供理论依据和参考.     

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     

脉冲星信号相干消色散与非相干消色散的比较研究

脉冲星信号在星际空间传播的过程中,由于星际介质的存在造成观测到的脉冲星信号发生色散,因此需要对接收的脉冲星信号进行消色散,以获得原始的脉冲星信号。目前,消色散方法主要分为两种:相干消色散和非相干消色散。相对来说相干消色散效果彻底,算法较简单,而且能保留原始数据的时间分辨率,不过计算量较大,但是现在快速进步的计算机技术已经使计算量的问题得到很好的解决。为了精确了解两种消色散方法的区别,利用相关系数的方法定量地比较了相干消色散、非相干消色散两种方法的效果:在一定的频率值之下,前者得到消色散效果优于后者。同时确定两种消色散方法在效果相同时的观测频率。     

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。     

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．本文分析了偏抓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．     

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。     

离焦量误差对相位差法波前重构的影响

相位差法波前探测是利用焦面和已知像差函数及像差尺度的离焦位置上同时采集的一对短曝光图像,通过最优化方法使代价函数最小化,从而得到目标和波前相位估计值的渡前探测方法.本文通过计算机模拟了像差函数为离焦像差的情况下,经相位差法波前探测成像系统后在焦面和离焦面上采集得到的图像强度分布,采用有限内存拟牛顿法(LFBGS)对模拟图像进行数值求解,实现了渡前相位的重构和对面源目标的重建;由于在实际应用中测量误差和机械加工带来的离焦量偏差是不可避免的,因此在模拟实验中就离焦量尺度不精确的情况进行了分析.     

大气色散对太阳多波段同步高分辨图像重建的影响

抚仙湖1 m新真空太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope,NVST)利用多波段成像系统对太阳光球和色球同时进行高分辨成像观测,并对观测图像进行多波段同步高分辨统计重建,以大幅度降低重建所需的计算量,并改善低信噪比波段的高分辨重建效果。大气色散是影响多波段同步高分辨重建效果的主要因素。借助多层湍流大气的模拟,通过比较不同天顶角下色散引起的波像差、相对谱比,分析了大气色散对多波段同步高分辨重建的影响。分析结果表明对于1 m太阳望远镜,当天顶角在60°以内时,色散对近红外以及波长相差不大的可见光波段的多波段同步高分辨重建的影响较小,而393.3 nm波段受色散的影响明显,天顶角超过45°时分辨率明显下降。     

VLBI观测信号相关处理中的小波保角变换

Daubechies小波可以表征为幂函数或e指数函数的形式 ,保持相关相位条纹的幅角不变。在VLBI观测信号相关处理过程中引入了小波分析方法 ,以探讨小波理论在VLBI技术中的应用特点。两个台站的VLBI观测信号经过时间补偿和干涉条纹旋转后 ,利用静态小波算法在线性空间中的保角变换特征可提取VLBI信号的干涉相位特征 ,并完整保留相位的时序关系。     

光纤光学延迟线及其应用于望远镜干涉阵的可行性研究

本文叙述了一台全新的全光学干涉仪，以此干涉仪为基础，就光纤联接的望远镜干涉阵中用拉伸光纤实现光程补偿的方法在国际上首次进行了研究，在对试验结果进行分析，讨论的基础上肯定了该方法的可行性。