天体物理学讲座：第一讲 恒星的演化

恒星结构和演化理论是研究恒星内部的物理过程、结构和恒星如何演化的科学、文章介绍了恒星结构和演化模型的计算方法,恒星在赫罗图中的分布规律,恒星的形成和早期演化特性,质量不同的各类恒星从主序开始的演化进程,恒星演化的晚期阶段的产物;白矮星、超新星和中子星。     

一种新的恒星光谱间距离度量方法：残差分布距离

距离度量是光谱巡天数据处理中的一个重要研究内容,其定义了一种不同光谱间的距离计算方法,以此为基础可进行光谱的分类、聚类、参数测量及离群数据挖掘等工作。距离度量方法的好坏在一定程度上影响了分类、聚类、参数测量及离群数据挖掘的效果及性能,同时随着大规模恒星光谱巡天项目的开展,如何针对恒星光谱定义更为有效的距离度量方法成为其数据处理中一个非常关键的问题。基于此问题,在充分考虑到恒星光谱的特点及其数据特征的基础上,提出一种新的恒星光谱间的距离度量方法：残差分布距离。该距离度量有别于传统计算恒星光谱间距离计算方法,利用该方法计算恒星光谱间的距离时,首先将两条光谱归一化到同一尺度下,然后计算对应波长处的残差,以残差谱分布的标准差作为距离度量。该距离度量方法可用于恒星分类、聚类以及恒星大气物理参数测量等应用中。本文以恒星光谱细分类为例来比较检验该距离度量方法,结果表明该方法定义的距离在分类时能更为有效的刻画不同类别光谱间的差距,可以很好的用于相关应用中。同时还研究了信噪比对该距离度量方法的影响：残差分布距离一定程度上受光谱信噪比影响,信噪比越小,对距离的影响越大;在信噪比大于10之后,残差分布距离对分类的影响很小。     

一个了解宇宙的新窗口——分子天体物理学进展介绍(之四)

 恒星的演化是天体物理学中最重要的课题之一。本世纪初,赫茨普龙(E.Hertzprung)和罗素(H.N.Russel)根据大量的观测数据制成了赫罗图(即恒星光谱型--恒星光度关系图).发现绝大多数恒星位于图中的主星序位置上.30年代末,美国核物理学家贝特(H.A.Bathe)用氢核的聚变成功地说明了恒星能量的来源是热核反应.这两项研究为恒星演化理论奠定了基础.恒星是由星云凝缩而成.这个过程开始于冷的暗星云中某些密度较周围稍大的部分由自身的引力引起的收缩.以后物质逐渐凝聚,直到收缩产生的热量使内部温度达到700万度以上,热核反应出现,收缩停止,恒星便诞生了.     

物质辐射不透明度对恒星结构与演化的影响及其计算

简要介绍了恒星结构与演化的理论模型，回顾了物质辐射不透明度计算的发展过程，详细讨论了物质辐射不透明度对恒星物理理论方面许多重要问题的影响以及发展现状。并介绍了利用改进的平均原子模型来进行恒星物质辐射不透明度的计算结果。     

转动效应对恒星热力学结构与演化的影响研究

转动效应对恒星结构与演化的两大方面的影响体现在动力学效应和元素混合上.本文利用国际MESA程序,研究了转动效应对20 M_⊙恒星在主序阶段热力学结构的影响.发现转动的动力学效应能使恒星中心温度变低,减少了恒星表面的不透明度,中心平均分子量和表面熵.由于动力学效应对恒星热结构的调整,降低了恒星的氢燃烧率,恒星向低温和低光度端演化.转动的元素混合效应减小了恒星的中心温度、密度、压强、紧密度、表面不透明度和平均分子量,使恒星表面氦元素、氮元素明显超丰,中心燃烧核区域变大,延长恒星在主序阶段的寿命.     

物质辐射不透明度对恒星结构与演化的影响及其计算

简要介绍了恒星结构与演化的理论模型,回顾了物质辐射不透明度计算的发展过程,详细讨论了物质辐射不透明度对恒星物理理论方面许多重要问题的影响以及发展现状.并介绍了利用改进的平均原子模型来进行恒星物质辐射不透明度的计算结果.     

基于质量估计的恒星大气参数的自动测量

近些年海量恒星光谱数据的获取使得恒星三个基本参数（表面有效温度Teff,表面重力log g,金属丰度[Fe/H]）的自动测量方法研究成为一个重要的研究课题,相应对恒星大气物理参数测量的研究将对科学家研究宇宙演化等重大科学问题具有重要的意义。但是目前国内外针对此问题所做的研究并不是很广泛深入,且已有的一些方法还不能够完全准确地估计出恒星的大气物理参数。因此本文研究了一种基于质量估计的恒星大气物理参数自动测量方法,该方法计算量比较小,其主要思想是首先建立一些质量分布,将原始光谱数据经过质量估计算法映射到新的质量空间,然后在质量空间利用支持向量机回归对恒星的三个基本物理参数进行估计。在实验中,从SDSS-DR8光谱数据库中选择部分实测光谱数据来进行训练和测试,并将该方法预测出的参数结果与SSPP给出的参数值进行了对比,取得了比较理想的结果。实验结果表明, 该研究方法的准确率更高,预测结果更稳定,训练所用的时间短,在恒星大气物理参数自动测量上是行得通的,可以有效地测量恒星的大气物理参数。     

确定恒星表面有效温度的非参数估计方法

恒星表面有效温度是恒星的一个重要物理参量,是恒星光谱差异的重要因素。文章采用非参数估计算法对恒星表面温度进行估计。首先对历史光谱数据进行主成分分析(PCA)处理,再根据PCA特征数据与其表面温度的对应关系建立温度的估计模型,该模型是基于高斯核函数的。方法不依赖对光谱进行精确测量,就可以得到较高估计精度的温度值,对大样本光谱分析具有重要意义。     

一种基于恒星光线偏折的大气折射率估计方法

基于标准大气环境的大气折射率理论模型不能反映实际大气折射率的波动性,针对该问题,提出了一种基于恒星光线偏折的大气折射率估计方法。基于光学卫星的恒星观测数据,分析恒星光线经大气折射发生偏折的现象,建立恒星光线经大气折射后进入光学卫星传感器的光路模型,在分层球形大气的假设下证明该光路模型的对称性。研究一种利用恒星实测光线和恒星理论光线迭代前向反馈的方法,用以估计分层大气折射率。最后,利用光学卫星的恒星观测数据进行有效性验证,计算出的大气折射率与理论大气折射率相符,且能够反映短期波动性。对测试用的恒星实测数据进行处理,结果表明:88%以上的恒星理论视线与实测视线的估计值相差不超过1%,其余部分观测数据估计偏差基本不超过20%。     

恒星背景噪声对星间激光链路跟瞄系统影响的仿真分析

在恒星辐照度谱模型的基础上,根据卫星轨道理论及恒星数据库建立仿真实验系统,对低轨卫星与中继卫星间(LEO_GEO)、中继卫星间(GEO_GEO)、低轨卫星间(LEO_LEO)三种典型的星间激光链路进行了仿真研究,深入分析了恒星背景噪声对卫星光通信终端跟瞄子系统的影响规律、背景光功率等特性。仿真结果表明:对于视场较大的LEO终端,恒星进入视场的概率约为7%~10%,而对于视场较小的GEO终端,恒星进入视场的概率仅为0.05%,恒星背景光功率约为10-13~10-11W。该项工作对星间激光链路设计、光通信系统参数优化等工作具有一定指导意义。     

星敏感器测量载体水平姿态与航向的研究

星敏感器是一种通过观测恒星,直接提供运载体在惯性空间中三轴绝对姿态的光电仪器。它是目前精度最高的姿态敏感器。如果同时借助时钟系统提供的时间和GPS提供的运载体地理位置,可以精确确定运载体的水平姿态和航向。根据星敏感器测量过程中涉及到的各坐标系,从它们之间的转换关系入手,推导了水平姿态和航向解算模型,并在星敏感器上实现。最后,构建了实验装置,进行实际测星定姿试验。实验结果表明,星敏感器输出的水平姿态和航向可以正确反映实际载体水平姿态和航向,从而验证了此模型和计算方法的正确性和有效性。     

星体跟踪星图识别算法

针对天文/惯性组合导航中对星敏感器快速姿态测量的要求,提出了一种基于星体跟踪的星图识别算法应用于星敏感器姿态测量。建立了基于星区的导航星库便于快速搜索导航星。实验结果表明,该算法比传统星图识别算法有着明显的优点,识别速度快,识别成功率高。     

基于多视场星敏感器的姿态确定方法

星敏感器是目前航天器姿态测量精度最高的器件,与传统的单视场星敏感器相比,多视场星敏感器可以实现三轴同样高精度的姿态测量,提高姿态测量精度。针对单视场星敏感器姿态确定问题,推导了以最小代价函数为指标的QUEST姿态确定算法。对于多视场星敏感器,通过坐标变换方法将多个视场的导航星矢量转换到同一视场中,再利用QUEST算法得到航天器姿态。最后仿真结果表明,坐标变换后进行姿态确定得到的姿态数据与单个视场所得的姿态数据相同,验证了方法的正确性。     

对地观测平台恒星敏感器离焦成像折中设计分析

从对地观测平台角秒量级姿态确定需求出发,在构建星敏感器惯性系成像模型的基础上指出,恒星在成像面上的定位误差是星敏感器姿态确定误差的主要来源。同时,结合理想光学系统离焦模型,分析了星敏感器主要性能指标间的量化关系,并给出了成像面定位误差最低限。仿真结果表明,从优化系统性能考虑,成像模糊区直径为2~3个像元的配置是利用星敏感器焦平面的“轻微离焦”来实现亚像元定位的最佳方案,定位误差可达0.2个像元,能够满足星敏感器惯性姿态确定精度4″~5″的要求。理论分析和数值仿真结果可为后续星敏感器指标的提出及仪器设计提供技术参考。     

一种基于生物侧抑制原理的星图点目标检测方法

针对星图中空间点状目标占有像素数少、信噪比低的问题,提出一种基于生物侧抑制原理的星图点目标检测方法。首先通过多级滤波对图像进行预处理,对信噪比较低的星图进行杂波抑制,其次采用一种基于生物视觉侧抑制理论的背景抑制网络模型进行二次滤波,最后采用二维熵分割提取图像中点目标。实验结果表明,该方法能够在有效地抑制图像中的强杂波背...     

星图识别算法的优化设计与实现

在INS／CNS组合导航系统中,为了有效实时地用CNS的输出姿态信息校正INS的陀螺漂移,必须提高CNS中星图识别算法的运行速度。提出了一种改进的三角形星图识别方法,基三角形识别成功后,增加一颗附加检测星,计算出附加检测星和基三角形的三个星点的角距值。分析结果表明传统的星图识别算法在主频为600MHz的DSP6414上运行需要300ms左右的时间,算法改进后,只需40-80ms,数据输出率提高到10Hz。改变的算法在不存在伪星的情况下成功识别率近100％,存在伪星时,可以有效去除伪星。同时,解决了传统星图识别算法在嵌入式系统中实现难、耗时长的问题。该算法可以实时地校准惯导系统的误差。     

高精度星模拟器目标标准源设计

为满足高精度光学导航敏感器地面标定要求,针对传统标定用目标标准源技术特点,给出了一种基于有机电致发光器件(OLED)光源与光纤光导技术相结合的高精度目标标准源设计方法。分析设计方案并给出了目标标准源的整体结构;同时为提高OLED与光纤耦合效率,详细设计了标准目标源的光纤光源耦合机构以及光纤入/出射板的结构;为满足5～10等星的精确控制,对光耦合机构的自聚焦透镜和星等输出模拟系统中的滤光片进行了详细设计,并对自聚焦透镜进行了参数优化。对目标标准源的主要参数星等和星点间距精度进行的理论分析和实际测试表明所设计目标标准源达到了高精度星敏感器标定需要。     

具光反馈功能的星模拟器设计

为满足天文导航设备星敏感器内场高精度检测和标校的实际工程需要,设计了一种结构简单并且具有光反馈功能的新型高精度单星模拟器。选用发光二极管作为光源,采用先聚焦再准直的方法实现模拟星光的平行输出。星模拟器的光反馈系统可以在输出光强发生变化的时候自动调节星光光源的发光强度,从而使星模拟器的输出光强在相当长的时间段内保持稳定。星模拟器输出光束的平行度达到8,输出光束的均匀性达到80 %,在连续工作至少8 h的情况下输出光束的稳定性达到89 %。相对稳定的输出光强减少了星模拟器因为模拟的星等发生变化而产生的影响,提高了星敏感器检测和标定的精度。     

星图匹配/惯性组合导航技术研究

为了多次、多点获得星光对惯性基准的误差观测量,采用了能自主识别导航星的星图匹配/惯性方案。以弹体姿态误差与陀螺漂移误差之间的关系为基础,构造了弹体姿态误差与陀螺漂移为状态量的状态方程,建立了CNS/INS组合导航模型。采用Kalman滤波技术,借助误差状态转移矩阵估计了导弹惯性基准的误差和光学陀螺的常值漂移误差。利用Matlab进行了仿真模拟,成功地实现了对导弹惯性基准误差和光学陀螺常值漂移误差的在线分离。     

基于UKF的恒星相机高精度姿态确定方法

为进一步提升姿态确定的精度和稳定性,首先分析了恒星相机和陀螺联合定姿的基本原理,然后选用误差四元数作为状态变量,推导了基于无迹卡尔曼滤波的恒星相机和陀螺联合定姿的算法.针对恒星相机、陀螺敏感器精度要求高的特点,仿真了多种精度的恒星相机数据和陀螺数据进行无迹卡尔曼滤波定姿试验,并与扩展卡尔曼滤波定姿试验结果进行了比较.试验表明无迹卡尔曼滤波定姿方法有效可靠、适用性强,可以有效提高恒星相机的姿态确定精度,三轴精度较扩展卡尔曼滤波算法提高约10%到20%.