基于多目标图像清晰度评价的LAMOST光谱仪离焦诊断方法

研究表明,当温度产生一定变化时,会导致大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）光谱仪的内部器件产生热诱导变形,引起CCD靶面上的图像离焦模糊,降低了天文数据测量精度,也大大增加了16台光谱仪的日常维护难度。基于LAMOST运行前拍摄的定标灯谱数据,提出了一种基于多目标图像清晰度评价的离焦诊断方法。该方法通过对不同离焦量下的定标灯谱图像进行分析,提取了一定数量的光斑的半高全宽（FWHM）及其总体分布情况,建立多目标图像清晰度与系统离焦量之间的离焦函数模型,实现对LAMOST成像像质的离焦诊断,为后续智能化主动补偿技术的实现提供了技术支撑。介绍了LAMOST光谱仪的工作原理及结构,给出了光谱仪对调焦精度的需求;详细介绍了光斑FWHM值的测量原理与多目标图像清晰度评价函数的构建方法。与传统图像清晰度评价函数的对比结果显示,文中方法具有更高的清晰度对比率与精度,对定标灯谱图像的离焦诊断误差在10 μm以内,有效降低了人为局部诊断带来的误差,提高了16台光谱仪系统一致性,有望提高LAMOST日常运行效率与光谱仪的长期稳定性。     

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%。     

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。     

LAMOST高分辨率光谱仪杂散光分析

为了提高LAMOST-HRS（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope-High Resolution Spectrograph）光谱分辨率以及光谱仪效率,并建立一套可在仪器概念设计阶段分析杂散光的方法,开展了在不进行BSDF测量的前提下,对系统杂散光建模、分析的研究。首先根据粗糙度测量数据计算关键参数,构建Harvey散射模型。接着通过显微镜观察光学面,由MATLAB进行图像处理获取最大颗粒直径,构建颗粒污染散射模型。然后导入光谱仪镀膜、光学元件、机械结构。对机械结构进行简化以提高分析效率。最后预估杂散光背景,分析杂散光路径与组成。结果表明,LAMOST-HRS杂散光主要由光学面散射引起,杂散辐射率为2.55%,信噪比为16.01 dB,达到设计指标要求。     

改正镜作为LAMOST真空相机封窗的可行性研究

为提高真空相机光学性能,对现有改正镜作为真空相机封窗进行了可行性研究。通过现有改正镜几何模型,将力学场映射到有限元模型中,计算改正镜在受大气压强差状态下的变形。利用最小二乘法求解Zernike多项式前6项系数和拟合求解改正镜面形方程,分析变形后的改正镜对真空相机像质影响。研究结果表明:相对于原有像质的弥散半径,变形后的改正镜使得真空相机点阵图的弥散半径增大且最大增大41.9%,通过调节CCD焦距从249.554 mm变为249.574 mm,使得CCD点阵图弥散半径相对于原来增大0.301%~1.09%,保持了LAMOST低分辨率光谱仪相机原有的像质要求,说明现有改正镜可直接用于真空相机设计方案。