天文高分辨率光纤光谱仪缝前星像离焦和抖动补偿方法研究

The low star-light coupling efficiency between telescope and fiber-fed high-resolution spectrometer affects astronomical observations . For that reason, we would research the defocus and motion compensation methods of star image at slit front end unit for astronomical fiber-fed high-resolution spectrometer, including defocus measurement method of star image、defocus compensation algorithm、detection of high frequency response and driving method、star image recognition and data processing method、motion compensation algorithm etc. An examinational platform would be set up in our laboratory for research the defocus and motion compensation methods of star image of slit front end unit. Testing the star-light coupling efficiency between telescope and fiber-fed high-resolution spectrometer with it , we can improve efficiency of the spectrometer. The research results can be used to upgrade existing astronomical equipment, and to provide technical reserves for the next generation fiber-fed high-resolution spectrometer.

天文高分辨率光纤光谱仪普遍面临望远镜与光谱仪之间星光耦合效率较低的问题，严重影响天文光谱观测效率。为此，本项目开展天文高分辨率光纤光谱仪缝前星像离焦和抖动补偿方法研究，包括星斑离焦检测方法、星斑离焦补偿算法、高响应频率的驱动方法、星斑图像识别和数据处理方法、及星斑抖动补偿算法等研究。搭建天文高分辨率光纤光谱仪缝前星像离焦和抖动补偿的试验平台，开展天文高分辨率光纤光谱仪与望远镜间星光耦合效率的试验研究，达到显著提高高分辨率光纤光谱仪总体通光效率的目的。本研究成果可用于现有天文设备更新升级和改造，能够为我国未来下一代高分辨光纤光谱仪的发展提供技术储备。

国内天文高分辨光纤光谱仪相继建成，但是在使用中发现和国际上领先的高分辨光纤光谱仪相比存在一定的差距。光谱仪本体效率方面基本达到国际水平，但是和望远镜耦合后，光谱仪的整体观测效率下降较多。为了提高现有天文高分辨光纤光谱仪的观测效率，本课题开展了缝前星像离焦和抖动补偿方法研究。大气视宁度和圆顶视宁度引起了星像的高频抖动，望远镜本体的结构振动、机械传动误差和间隙、电控跟踪误差等共同引起了星像的低频抖动，这些因素都严重影响光谱观测效率。因此，通过开展高响应频率的驱动方法、快速星象图像识别算法和数据处理方法的研究，设计了一套星光抖动补偿控制系统，基本实现了使目标星光稳定照射到光纤入射端微透镜上。在2.16米望远镜偏置导星相机上，开展了抖动补偿控制系统的稳像试验，结果显示在望远镜自动跟踪模式下，星像漂移量均方根值为0.75角秒；打开星光抖动补偿系统模式下，星像漂移量均方根值为0.1角秒。. 星光抖动补偿系统在2.16米望远镜上进行了多次调试和验证。对于不同纬度的目标星，星光抖动补偿系统均实现了提高光谱观测效率，特别是对于低纬度的目标星，能够提高光谱观测效率30%以上。如目标星（θ Cet），在打开抖动补偿控制系统情况下，光谱观测效率提高约31.65%，达到了本课题的预期研究目标。本研究成果可用于现有的天文光纤光谱仪设备更新升级和改造，通过配置星光抖动补偿系统，能够大幅提高天文光纤光谱仪观测效率；并可为未来我国天文光纤光谱仪的发展提供技术支持。.