下一代光纤定位系统的关键技术研究

Technology of parallel controllable fiber positioning breakthrough the limitation of numbers of fibers on multi-target observation of astronomy, increased numbers of observation fibers of survey telescope nearly an order of magnitude, and have successfully been used in LAMOST. Based on this technology, the new survey plans of many countries request more quantity and density of fibers, and higher accuracy with the better seeing than LAMOST, In this reasons, several key technologies need further study, including development of new micro-size fiber positioning structure, parallel close-loop control system based on wireless communication system—it’s arithmetic, efficiency, and the ability of anti-interference, large area and multi-targets, high accuracy optical position measurement system, the mechanical characteristics and stability of carrying system in the large temperature range, the observation stratagem of sky survey base on this kind of fiber positioning system. The purpose of this study is that through the above study, to meeting the future sky survey multi-fiber positioning requirements.

我国首创的并行可控式光纤定位方式突破了多目标观测手段在观测数量上的限制，使得巡天望远镜的观测目标数提高了近一个量级，并且可以继续提高观测目标数。基于这种定位方式，国内外许多新的巡天计划要求更多光纤数目、更大光纤密度，由于拥有更好的台址，其对定位精度的要求也大大提高。虽然我们拥有LAMOST光纤定位装置的成功经验，但要满足下一代巡天计划的要求，仍然有几项关键技术需要进行系统而深入的研究，包括新型微小尺寸光纤定位单元的研制及各项性能的研究、基于无线通讯的大密度多节点数并行闭环控制系统及其抗干扰研究、大尺寸多目标高效高精度光纤位置测量系统研究、光纤定位装置承载系统力学特征及大温度变化范围内面型稳定性研究、基于并行可控制式光纤定位装置的天文观测规划研究等。本项研究的目的是，通过以上各项研究，克服技术难关，为满足未来巡天计划对光纤定位大数量、高密度、高精度、高效率的要求奠定基础。

我国首创的并行可控式光纤定位方式突破了多目标观测手段在观测数量上的限制，使得巡天望远镜的观测目标数提高了一个量级，并且可以继续提高观测目标数。目前正在进行的美国DESI计划、日本PFS计划以及欧洲VLT望远镜的MOONS都基于这种定位方式，这些巡天计划要求更多光纤数目、更大光纤密度，定位精度也大大提高。为了满足下一代巡天计划中单元密度高、定位精度高、运行速度快的要求，需要研究小尺寸定位单元及安装方式、高精度光纤位置测量方法、闭环定位控制、观测规划等几项关键技术。.经过这几年的努力，设计研制了从直径16mm到直径8.5mm的一系列尺寸的光纤定位单元，并利用系统仿真技术对设计结果进行了模拟，分析了其运动稳定性和可靠性，对关键的传动部分实现了参数化设计。提出了模块化光纤定位装置新概念，可以大大改善高密度单元的安装工艺性，降低安装难度。.通过对目标点的光学特性研究，发现通过改善光源，可以提高测量的精度，根据该结果，郭守敬望远镜已经研制和更换了新的背照光源；研究多相机分割测量及快速处理，针对大视场焦面尺寸比较大的特点，研究了多相机分割测量及融合；研究了高精度参考点的布置和标定，保持精度不变的情况下，可以大大降低参考光纤的数量。.针对光纤定位控制系统的特点，创建了独特的组合式通讯模式，可以保证在闭环系统中无线系统的高效可靠通讯，通过实验验证通讯的可靠性；研制多种控制形式，以满足高密度及模块化的系统要求；.焦面板的研究中提出了当量板的概念，即用相同尺寸的当量未开孔板来代替真实的开孔板，并与真实板表现出相同的特征，采用这种方法，对支撑的力学特性、面型稳定性、制造稳定性做了系统研究。.观测规划针对天文望远镜巡天的特点，采用给定的真正天体为目标源，优化了光纤的控制方式，减少光纤碰撞，提高了光纤的有效利用率和覆盖率；考虑了目标源的优先级、避开特殊目标等因素，研究了观测规划算法。.通过上述研究和设备研制，为将来大密度高精度光纤定位系统建立了较为完善的理论和实验体系。