一种多功能天文观测装置及控制方法与流程

本发明属于天文观测设备技术领域，具体地说，涉及一种多功能天文观测装置及控制方法。

背景技术：

快速测光和高分辨成像是进行天文科学目标研究的两种主要观测途径，通过快速测光观测可以进行快速时变天文现象的研究：包括观测恒星大尺度短时标的光学闪烁和耀斑现象、系外行星(或卫星)凌母星(或母双星)现象及行星掩星现象，研究激变变星吸积盘振荡(包括白矮星、中子星和黑洞等)、测定极短周期食双星系统和观测亚秒时标量级的恒星脉动，甚至还可以在光学波段探测未知的新脉冲星及脉冲星周围的等离子体，给出脉冲星辐射机制信息等。

高分辨成像观测则是通过短时间曝光消除湍流大气对成像质量的影响，保留目标源的高频信息，重建出接近地基望远镜衍射极限的高分辨率图像，能够高精度复原出目标源的精细结构，对研究暗弱伴星及太阳系内行星具有重要作用。

快速测光观测和高分辨成像观测是通过在天文望远镜上安装各自的终端观测设备实现相应的观测功能，而且因为这两种天文观测方式都需要在极短的时间内获得大量光子数，所以终端观测设备需要安装在大型地基天文望远镜上。

目前国内只有两台2米级的大型地基光学通用望远镜，但天文领域研究目标众多，对不同科学目标的研究需要匹配不同的终端观测设备，而望远镜的终端接口有限，无法同时安装各种终端观测设备。例如：丽江2.4米望远镜共有5个卡焦终端接口可用，目前已有piccd相机、云南暗弱天体光谱及成像仪、丽江太阳系外行星探测器、高色散光谱仪和中国丽江积分视场光谱仪五套主要终端设备；兴隆2.16米望远镜，目前已有omr卡焦光谱仪、高分辨率光纤光谱仪和北京暗弱天体摄谱成像仪三套主要终端设备；另外一些天文学家还会根据自己的研究领域自带终端观测设备安装到望远镜上进行科学观测，如果想使用特定的终端观测设备进行科学观测，就只能拆卸望远镜上现有的设备。

所以目前的现状是国内大型地基通用光学天文望远镜少，从而望远镜终端接口少，只能安装几台终端观测设备，并且终端观测设备的观测模式单一，只能实现一种观测功能，所以为了满足天文学家对不同科学目标的观测需求，就需要频繁更换设备，这样不仅耗时、耗力，更容易造成终端设备损坏，另外在有突发天文现象时也来不及更换设备进行观测，限制了望远镜的时域性能。

因此如何克服现有技术的不足是目前天文观测设备技术领域亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种多功能天文观测装置及控制方法，与现有观测模式单一的终端观测设备相比，一台观测装置能够实现两台终端观测设备的功能，既能进行高分辨成像观测，又能进行快速测光观测，观测功能多，占用天文望远镜终端接口资源少，仪器稳定性好，观测效率高，节省成本。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种多功能天文观测装置，包括通过导线连接的成像系统和控制及图像采集系统；所述成像系统包括沿光路依次排列的滤光片转轮、物面、前固定透镜组、变倍透镜组、后固定透镜组和emccd相机；

所述的控制及图像采集系统包括驱动装置、驱动控制器、位置采集模块、图像采集控制器和电源模块，所述的位置采集模块、驱动控制器和驱动装置通过导线依次相连，电源模块通过导线分别连接驱动装置、驱动控制器、位置采集模块和图像采集控制器。

可选地，所述的滤光片转轮上设置有5片滤光片和一片补偿板，滤光片转轮的中心处设置有转轮中心轴；5片滤光片和一片补偿板以转轮中心轴为转轮中心对称设置。

可选地，所述的变倍透镜组包括高分辨成像透镜组和快速测光镜组；所述高分辨成像透镜组和快速测光镜组并列设置。

可选地，所述驱动装置通过导线分别连接有滤光片转轮、高分辨成像透镜组和快速测光透镜组。

可选地，所述的位置采集模块通过导线分别与滤光片转轮、高分辨成像透镜组和快速测光透镜组相连。

可选地，所述的图像采集控制器与emccd相机相连。

本发明还公开了一种多功能天文观测装置的控制方法，采用上述的多功能天文观测装置，包括以下步骤：

天文目标辐射信号通过望远镜后，成像在望远镜的焦面上，望远镜的焦面得到天文目标的一次像，物面与望远镜的焦面重合，一次像位于物面上，作为多功能天文观测装置的目标物；

物面上的天文目标一次像依次通过前固定透镜组、变倍透镜组和后固定透镜组，成像在emccd相机上，emccd相机上得到天文目标的二次像，进行高分辨成像观测和快速测光观测；

emccd相机的光敏面位于多功能天文观测装置的像面处，用于接收天文目标的二次像，多功能天文观测装置进行高分辨成像和快速测光观测时，多功能天文观测装置的像面位置固定不变，emccd相机的安装位置固定不动；

驱动装置驱动滤光片转轮围绕滤光片转轮中心轴旋转及所述的高分辨成像透镜组和快速测光透镜组垂轴切进或切出光路；位置采集模块采集滤光片转轮的旋转位置以及高分辨成像透镜组和快速测光透镜组的位置；驱动控制器用于根据位置采集模块采集到的滤光片转轮的旋转位置以及高分辨成像透镜组和快速测光透镜组的位置，控制驱动装置工作；图像采集控制器控制emccd相机进行图像采集工作；

设emccd相机的规格为k×k，像素尺寸为l，天文观测站全年平均大气视宁度为δ，天文望远镜焦距为f望，口径为d，中心波长为λ；

则，望远镜的角分辨率θ＝1.22λ/d；

高分辨成像观测时，望远镜和多功能天文观测装置组合后的底片比例尺α高≈θ/2；

所以，组合后的焦距f高＝l/α高；

即，多功能天文观测装置对望远镜焦距的放大倍率m高＝f高/f望；高分辨成像观测的视场ω高＝l×k/f高；

快速测光观测时望远镜和多功能天文观测装置组合后的底片比例尺α测≈δ/2；

所以，组合后的的焦距f测＝l/α测；

即，多功能天文观测装置对望远镜焦距的放大倍率m测＝f测/f望；快速测光观测的视场ω测＝l×k/f测。

可选地，高分辨成像观测具体为：高分辨成像透镜组出现在光路中时，快速测光透镜组在光路外，物面上的天文目标一次像依次通过前固定透镜组、高分辨成像透镜组和后固定透镜组，成像在emccd相机上，emccd相机上得到天文目标的二次像，二次像相比于一次像放大m高倍，多功能天文观测装置将望远镜的焦距f望放大m高倍，进行多功能天文观测装置的高分辨成像观测。

可选地，快速测光观测具体为：快速测光透镜组出现在光路中时，高分辨成像透镜组在光路外，物面上的天文目标一次像依次通过前固定透镜组、快速测光透镜组和后固定透镜组，成像emccd相机上，emccd相机上得到天文目标的二次像，二次像相比于一次像放大m测倍，多功能天文观测装置将望远镜1的焦距f望放大m测倍，进行多功能天文观测装置的快速测光观测。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

1)本发明多功能天文观测装置与现有技术相比，一台终端观测设备能够实现两台终端观测设备的功能，可以实现快速测光和高分辨成像两种观测功能，却只占用望远镜的一个终端接口，有效减少占用望远镜紧张的终端接口资源。

2)本发明可以灵活、快速切换观测模式，不需要频繁更换设备，保证设备的稳定性；切换时间为秒量级，在有突发天文现象时，可以及时切换观测模式进行观测，满足突发天文现象捕捉，极大提高望远镜的观测效率，完善望远镜对时域天文学的观测研究。

3)本发明多功能天文观测装置仅使用一台emccd相机实现了快速测光和高分辨成像两种观测功能，仅从探测器方面就节省一台emccd相机的价格，降低了研制成本。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明多功能天文观测装置的安装位置示意图；

图2是本发明多功能天文观测装置的结构示意图；

图3是本发明多功能天文观测装置的高分辨成像观测的结构示意图；

图4是本发明多功能天文观测装置的快速测光观测的结构示意图；

图5是本发明滤光片转轮的结构示意图。

图中，1、望远镜；2、终端接口；3、多功能天文观测装置；4、滤光片转轮；5、物面；6、前固定透镜组；7、变倍透镜组；8、高分辨成像透镜组；9、快速测光透镜组；10、后固定透镜组；11、emccd相机；12、驱动装置；13、驱动控制器；14、位置采集模块；15、图像采集控制器；16、供电模块；17、滤光片；18、补偿板；19、转轮中心轴；

图中滤光片转轮4、多功能天文观测系统的物面5、前固定透镜组6、变倍透镜组7、后固定透镜组10和emccd11之间的连线表示天文目标辐射信号；滤光片转轮4、高分辨成像透镜组8、快速测光透镜组9、驱动装置12、驱动控制器13、位置采集模块14、图像采集控制器15、和供电模块16之间的箭头线表示控制及反馈信号。

具体实施方式

以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明公开了一种多功能天文观测装置，如图1和2所示，该多功能天文观测装置3安装在大型地基天文望远镜1的终端接口2处，包括成像系统和控制及图像采集系统；

在一些实施例中，成像系统包括依次排列的滤光片转轮4、物面5、前固定透镜组6、变倍透镜组7、后固定透镜组10和emccd相机11；

天文目标辐射信号通过望远镜1和望远镜1的终端接口2后，依次通过滤光片转轮4、物面5、前固定透镜组6、变倍透镜组7、后固定透镜组10和emccd相机11；

天文目标辐射信号通过望远镜1后，成像在望远镜1的焦面上，望远镜1的焦面得到天文目标的一次像，物面5与望远镜1的焦面重合，一次像位于物面5上，作为多功能天文观测装置的目标物；

在一些实施例中，如图5所示，滤光片转轮4上设置有5片滤光片17和一片补偿板18，滤光片转轮4的中心处设置有转轮中心轴19；5片滤光片17和一片补偿板18以转轮中心轴19为中心对称设置；

滤光片17用于选取天文目标某一波段的辐射信号；补偿板18用于透过天文目标可见光全波段的辐射信号；滤光片转轮4围绕滤光片转轮中心19转动，将不同的滤光片17或补偿板18切入光路中。

物面5上的天文目标一次像依次通过前固定透镜组6、变倍透镜组7和后固定透镜组10，成像在emccd相机11上，emccd相机11上得到天文目标的二次像。

在一些实施例中，变倍透镜组7包括高分辨成像透镜组8和快速测光镜组9，高分辨成像透镜组8和快速测光镜组9不同时出现在光路中，高分辨成像透镜组8和快速测光透镜组9分别出现在光路中，改变多功能天文观测装置的放大倍率，多功能天文观测装置分别对望远镜1的焦距放大m高倍和m测倍，多功能天文观测装置通过改变对望远镜1焦距的放大倍率，实现高分辨成像和快速测光观测功能；

如图3所示，高分辨成像透镜组8出现在光路中时，快速测光透镜组9在光路外，物面5上的天文目标一次像依次通过前固定透镜组6、高分辨成像透镜组8和后固定透镜组10，成像在emccd相机11上，emccd相机11上得到天文目标的二次像，二次像相比于一次像放大m高倍，多功能天文观测装置将望远镜1的焦距f望放大m高倍，进行多功能天文观测装置的高分辨成像观测；

如图4所示，快速测光透镜组9出现在光路中时，高分辨成像透镜组8在光路外，物面5上的天文目标一次像依次通过前固定透镜组6、快速测光透镜组9和后固定透镜组10，成像emccd11相机上，emccd相机11上得到天文目标的二次像，二次像相比于一次像放大m测倍，多功能天文观测装置将望远镜1的焦距f望放大m测倍，进行多功能天文观测装置的快速测光观测。

emccd相机11的光敏面位于多功能天文观测装置的像面处，用于接收天文目标的二次像，多功能天文观测装置进行高分辨成像和快速测光观测时，多功能天文观测装置的像面位置固定不变，emccd相机11的安装位置固定不动。

在一些实施例中，控制及图像采集系统包括驱动装置12、驱动控制器13、位置采集模块14、图像采集控制器15和电源模块16，位置采集模块14、驱动控制器13和驱动装置12通过导线依次相连，电源模块16通过导线分别连接驱动装置12、驱动控制器13、位置采集模块14和图像采集控制器15。

所述驱动装置12通过导线分别连接有滤光片转轮4、高分辨成像透镜组8和快速测光透镜组9；用于驱动滤光片转轮4围绕滤光片转轮中心轴19旋转及所述的高分辨成像透镜组8和快速测光透镜组9垂轴切进或切出光路。

位置采集模块14通过导线分别与滤光片转轮4、高分辨成像透镜组8和快速测光透镜组9相连，用于采集滤光片转轮4的旋转位置以及高分辨成像透镜组8和快速测光透镜组9的位置。

驱动控制器13用于根据位置采集模块14采集到的滤光片转轮4的旋转位置以及高分辨成像透镜组8和快速测光透镜组9的位置，控制驱动装置12工作。

图像采集控制器15与emccd相机11相连，用于控制emccd相机11进行图像采集工作。

供电模块16用于对驱动装置12、驱动控制器13、位置采集模块14和图像采集控制器15供电。

本发明还公开了一种多功能天文观测装置的控制方法，包括以下步骤：

天文目标辐射信号通过望远镜1后，成像在望远镜1的焦面上，望远镜1的焦面得到天文目标的一次像，物面5与望远镜1的焦面重合，一次像位于物面5上，作为多功能天文观测装置的目标物；

物面5上的天文目标一次像依次通过前固定透镜组6、变倍透镜组7和后固定透镜组10，成像在emccd相机11上，emccd相机11上得到天文目标的二次像，进行高分辨成像观测和快速测光观测；

高分辨成像观测具体为：高分辨成像透镜组8出现在光路中时，快速测光透镜组9在光路外，物面5上的天文目标一次像依次通过前固定透镜组6、高分辨成像透镜组8和后固定透镜组10，成像在emccd相机11上，emccd相机11上得到天文目标的二次像，二次像相比于一次像放大m高倍，多功能天文观测装置将望远镜1的焦距f望放大m高倍，进行多功能天文观测装置的高分辨成像观测。

快速测光观测具体为：快速测光透镜组9出现在光路中时，高分辨成像透镜组8在光路外，物面5上的天文目标一次像依次通过前固定透镜组6、快速测光透镜组9和后固定透镜组10，成像emccd相机11上，emccd相机11上得到天文目标的二次像，二次像相比于一次像放大m测倍，多功能天文观测装置将望远镜1的焦距f望放大m测倍，进行多功能天文观测装置的快速测光观测。

emccd相机11的光敏面位于多功能天文观测装置的像面处，用于接收天文目标的二次像，多功能天文观测装置进行高分辨成像和快速测光观测时，多功能天文观测装置的像面位置固定不变，emccd相机11的安装位置固定不动；

驱动装置12驱动滤光片转轮4围绕滤光片转轮中心轴19旋转及所述的高分辨成像透镜组8和快速测光透镜组9垂轴切进或切出光路；位置采集模块14采集滤光片转轮4的旋转位置以及高分辨成像透镜组8和快速测光透镜组9的位置；驱动控制器13用于根据位置采集模块14采集到的滤光片转轮4的旋转位置以及高分辨成像透镜组8和快速测光透镜组9的位置，控制驱动装置12工作；图像采集控制器15控制emccd相机11进行图像采集工作；

设emccd相机的规格为k×k，像素尺寸为l，天文观测站全年平均大气视宁度为δ，天文望远镜焦距为f望，口径为d，中心波长为λ；

则，望远镜的角分辨率θ＝1.22λ/d；

高分辨成像观测时，望远镜和多功能天文观测装置组合后的底片比例尺α高≈θ/2；

所以，组合后的焦距f高＝l/α高；

即，多功能天文观测装置对望远镜焦距的放大倍率m高＝f高/f望；高分辨成像观测的视场ω高＝l×k/f高；

快速测光观测时望远镜和多功能天文观测装置组合后的底片比例尺α测≈δ/2；

所以，组合后的的焦距f测＝l/α测；

即，多功能天文观测装置对望远镜焦距的放大倍率m测＝f测/f望；快速测光观测的视场ω测＝l×k/f测。

实施例1

根据上述发明内容为丽江2.4米望远镜研制一套多功能天文观测装置，安装在2.4米望远镜卡焦侧口上，具有快速测光和高分辨成像两种观测功能，波段覆盖范围为350nm-950nm。2.4米望远镜焦距为19200mm，口径为2400mm，丽江天文观测站全年平均大气视宁度为1.2”。

多功能天文观测装置选用andor公司生产的ixonultra888emccd，emccd规格为1024×1024，像素尺寸为13×13μm。

根据上述控制方法，计算出多功能天文观测装置的基本参数，如下：

多功能天文观测装置进行高分辨成像观测时，望远镜和多功能天文观测装置组合后的底片比例尺为0.035”，焦距为76800mm，多功能天文观测装置对望远镜的放大倍率为4倍，视场为0.85’。

多功能天文观测装置进行快速测光观测时，望远镜和多功能天文观测装置组合后的底片比例尺为0.37”，焦距为7200mm，多功能天文观测装置的放大倍率为0.375倍，视场为9’，此时视场内可同时容纳目标星、比较星、校验星以及天光背景。

多功能天文观测装置中的滤光片转轮具有六个单元，分别安装u、b、v、r、i波段滤光片和一个350nm-950nm全波段透过的补偿板；

本发明控制及图像采集系统为闭环控制，保证高分辨成像透镜组和快速测光透镜组的定位精度和位移精度，实现高分辨成像和快速测光观测方式切换，切换时间小于10秒，多功能天文观测装置可根据天文目标的观测需求随时进行高分辨成像和快速测光观测方式的切换，以及控制emccd采集天文目标图像；

多功能天文观测装置可以实现高分辨成像和快速测光两种观测功能，却只占用望远镜的一个终端接口，有效减少占用望远镜紧张的终端接口资源；而且可以灵活、快速切换观测模式，不用频繁更换设备，保证设备的稳定性；切换时间为秒量级，在有突发天文现象时，可以及时切换观测模式进行观测，满足突发天文现象捕捉，极大提高望远镜的观测效率，完善望远镜对时域天文学的观测研究；

多功能天文观测装置仅使用一台emccd实现了快速测光和高分辨成像两种观测功能，仅从探测器方面就节省一台ccd的价格，降低了研制成本；

andor公司生产的ixonultra888emccd在2018年的报价为4.55美元，折合人民币约29.6万元，由此可见多功能天文观测装置仅在ccd方面就节省了一台29.6万元人民币。同时它也是国内首套多功能终端观测仪器。

上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。