极大望远镜高效率多通道光谱仪的光学系统设计

建立了基于边界限制的宽波段高效率多通道光谱仪快速设计的分析模型,讨论了多通道光谱仪的性能要求、初始结构参数、项目成本、风险之间的相互关系。该模型能够根据给定的系统指标快速计算出多通道光谱仪各子系统的结构参数,能在项目初期对方案的可行性和项目预算给出合理的评估。以4 m级望远镜为平台,设计了基于体位全息光栅的多通道光谱仪,光谱范围为350～1000 nm,每个通道在闪耀波长处的分辨率为5000,光谱仪本体峰值效率大于53%,全工作波段单色像质能量集中度在80%处优于15μm,满足系统的性能要求。     

基于平行平板的折射率高精度非接触测量

常用的测量折射率的方法如偏向角法、自准直法、临界角法、 V棱镜法等,这些方法通常需特制三棱镜与待测件。待测样品不一致且过程复杂,测试定标周期长,难于自动化。为了保证待测材料的完整及实现自动化测量,进行了基于平行平板的折射率非接触测量的尝试。运用该方法进行折射率的测量,不需特制三棱镜并且待测件与待测样品一致。分析表明,通过选择合适的测量角度,该方法旋转角度精度为a=0.003（即10）,导轨精度为L=0.000 8 mm,平行平板厚度测量精度为d=0.001 mm。     

大型矩形准直镜柔性支撑系统的多目标优化设计和稳定性分析

针对极大望远镜矩形准直镜设计了一种新型柔性支撑系统,即由6根空心圆柱杆为支撑主体的侧面支撑结构。利用多目标优化算法对柔性支撑系统的结构参数和位置参数进行优化设计,并对优化后的柔性支撑系统进行稳定性研究。优化后的准直镜柔性支撑系统在自重条件下镜面最大PV值为168.23 nm,RMS值为30.306 nm,质量为229.21 kg,满足设计要求。当环境温度变化范围在20 ℃～23.7 ℃内,不会对准直镜性能产生影响;此外,地面随机振动不会影响准直镜工作性能和破坏支撑结构。研究结果表明:准直镜柔性支撑机构的多目标优化设计全面考虑了准直镜柔性机构形状参数、机构安全可靠性和光学面形形变等多学科之间耦合问题,设计者可按需选择全局范围内最满意的最优解,这将大幅度降低开发成本和周期。     

中国SONG项目高分辨光谱仪与高精度恒星震动视向速度测量

中国SONG项目(Stellar Observations Network Group)是中国天文界参与的一个国际合作的天文学研究计划。其核心是利用高分辩光谱仪获取恒星的时序光谱。光谱仪的分辨率根据科学目标的要求,用不同的狭缝宽度实现R=60 000～120 000。利用碘蒸汽发射线定标的方法,实现高达1 m·s-1的视向速度测量精度,以此测量恒星表面由于恒星震动产生的多普勒运动,并实现项目的科学目标。SONG光谱仪是项目的核心设备,将介绍光谱仪的性能和天体物理应用的参数,并给出实际测量结果。作为一个测量恒星表面多普勒运动时序数据的仪器,整个系统的长期稳定性是项目取得成功的关键,在此也将展示仪器稳定性方面的工作。     

基于ZEMAX和Python软件的空间引力波望远镜光程差算法研究与实现

利用光学设计软件ZEMAX和Python软件联合实现空间引力波望远镜光程差(optical path difference, OPD)精密求解;通过动态数据交换(dynamic data exchange, DDE)实现ZEMAX软件和Python软件数据交换:首先,Python软件对有限元分析后望远镜镜面数据进行处理,并将分析结果通过DDE传输给ZEMAX进行光线追迹;其次,ZEMAX软件对追迹后的光线坐标再通过DDE传回Python软件;最后,Python软件通过全局坐标系,计算刚体平移带来的光程差和波前的变化。模拟1 mK温度变化下引力波望远镜的受力变形,通过ZEMAX软件和Python软件求解空间引力波望远镜光程差和波前变化,结果表明光程差精度为1e-13米量级,完全可以满足望远镜皮米级稳定性精度要求。本研究可为后续引力波望远镜光机结构方案设计中光程差分析提供技术参考。     

基于改进空间频率域采样的天文光干涉望远镜阵列优化

提出一种基于改进空间频率域(UV)采样的阵列评价函数,用于长基线天文光干涉望远镜阵列几何结构的优化。该评价函数将UV采样区域沿径向和角度方向分别进行划分,统计划分所得区域中UV采样点数目并计算UV采样点密度,以UV采样点密度偏离理想高斯分布的大小作为评价依据。在具体的优化技术上,利用遗传算法的全局收敛特性,降低了传统算法对初始结构的依赖,采用该评价函数对6孔径望远镜阵列进行优化设计,并与国际主流天文光干涉阵列CHARA进行了性能对比。分析结果表明:优化所得Array-6阵列UV采样点密度分布具有径向连续覆盖和低频强调的特点,有利于对轮廓信息的恢复;双星模拟成像实验中Array-6阵列重构图像相对于原始图像的误差为21.34,相比CHARA阵列降低了18.16%,具有更高的成像质量。该优化算法具备优化大孔径数目阵列的能力,对于射电波段望远镜阵列的优化设计亦有一定的参考意义。     

像切割器技术积分视场三维光谱仪

基于国内外积分视场技术的发展趋势,搭建了积分视场三维光谱技术实验平台,进行积分视场单元像切分器的设计、加工以及性能检测方法与定标方法的研究。设计并制作完成了九切分单元像切割器,通过模拟望远镜输入端,进行了系统的性能分析,并进行了三维光谱数处理和定标。系统杂散光控制较好,总体光学效率高于40%。     

基于高斯拟合的激光光斑中心定位算法

激光光斑中心定位是光学测量中的关键技术之一。通过对常用定位算法的分析,给出利用光斑图像中的不饱和点对光斑进行高斯拟合,并以拟合函数的幅值点作为光斑中心的方法。利用人工光斑对该算法进行验证,结果表明该算法误差远小于0.1 像素;利用一维高精度电动平移台、CCD相机、激光器等搭建测试系统,由计算机自动采集激光光斑图像并对其进行分析,实验结果表明该算法与理论分析结果的均方根误差仅为0.1 像素。     

LAMOST高分辨率光谱仪研制

为了充分利用LAMOST望远镜,实现对银河系不同星族的分布与整体性研究,以及极端贫金属星元素丰度测定等科学目标,研制了LAMOST高分辨率光谱仪,光谱分辨率R≥30 000,光谱覆盖范围380～740 nm。在充分考虑台址因素与现有条件后,采用中继倍率0. 7倍的准白瞳设计方案,使用大芯径光纤、拼接大光栅、棱栅组合式横向色散器、缝前像切分器等措施来满足性能要求。进行了效率估算与杂散光分析,光谱仪本体效率峰值大于30%,杂散光照度占CCD总照度的2. 55%,信噪比为16. 01 d B。试运行阶段实测了太阳光谱,温度稳定性达到±0. 03℃,光谱仪效率峰值约为33. 5%,满足稳定、高效的运行要求。     

大尺寸矩形准直镜轻量化结构多学科优化设计

在极大望远镜宽视场光谱仪准直镜结构轻量化研究中，实施多学科多目标优化的可行性设计。通过多目标遗传算法结合多学科协同对准直镜轻量化结构进行优化设计，即以镜面形状要素为优化参数、镜面面型和质量为目标，并借助遗传算法为优化算法获取Pareto最优解。对比研究了不同轻量化孔轻量化后综合性能和轻量化后准直镜的热稳定性，三角型轻量化后准直镜轻量化率为70%，PV值为82.696 nm; 矩形轻量化孔准直镜轻量化率为75.3%，PV值约为107.03 nm; 准直镜环境温度变化为10 K时，准直镜形变约增加一倍。研究结果表明:三角形轻量化孔综合评价优于矩形孔; 准直镜结构轻量化多目标优化设计全面考虑了准直镜结构轻量化、轻量化孔形状要素和光学面型形变等多学科之间耦合问题，设计者可按需选择全局范围内最满意的最优解，这将大幅度降低开发成本和周期。