基于子孔径扫描的大口径天文望远镜平场定标方法研究

【摘要】：目前天文学和天文仪器取得了巨大的进展,大口径的天文望远镜日益增多,望远镜口径越大,集光能力越强,能够观测到更暗弱的天体,而且望远镜的空间分辨率也更高,能够观测到天体的更多细节。大口径天文望远镜及终端仪器的精确定标是研制、运行中的重要一环,提高定标精度对于未来的超大口径天文望远镜发展具有重要意义。为了提高获取数据的准确性,一般要进行相关地面定标试验,其中最关注的是平场定标,目的是解决像面响应的非均匀性。本文提出了基于子孔径扫描的大口径天文望远镜平场定标方法,即在大口径天文望远镜入瞳,通过多个子孔径扫描拼接,构建全口径照度数据的方法,以完成大口径天文望远镜不同视场的响应非均匀性标定。本文在理论分析的基础上,开展了子孔径及扫描路径的规划,选择确定准直光源系统的照明光源形式及辐亮度参数,进行标定用准直光学系统参数的初设计,分析子孔径拼接扫描过程中各项误差对平场定标不确定度的影响,提出相应的校正方法。并利用仿真模型与实验搭建,验证子孔径扫描平场定标方法的可行性,实现探讨子孔径扫描方法工程化的相关技术问题。本文研究的主要工作包括以下部分:(1)分析国内外大口径天文望远镜发展现状及平场标定方法,提出基于子孔径扫描的大口径天文望远镜平场定标方法。(2)建立子孔径平场定标数学模型,论证该方案的可行性。依据天文望远镜的技术参数及曝光时间等综合因素,规划扫描子孔径数量为64、孔径大小为250mm的子孔径扫描路径,通过理论模型分析扫描法的标定效率及不同视场子孔径重叠区域对定标不确定度影响。(3)依据天文望远镜的探测能力及规划的子孔径参数,完成标定用准直系统参数的设计。设计了一种双胶合准直系统作为平场定标光源准直光学系统,在满足口径要求的前提下,标定准直光学系统的视场大小为2.2mm×2.2mm,其出射光束的均匀性达到99.68%,通过该准直光学系统能够为大口径天文望远镜平场定标提供均匀的光源。(4)分析子孔径扫描法标定平场工程实施过程中其它误差源,包括定标光源稳定性对像面照度影响,以及探测器噪声等,并提出相应校正或控制方法。其次深入分析影响平场定标不确定度的各项误差源,合成基于子孔径扫描平场定标法不确定度约为0.8%。(5)完成平场定标像面照度仿真分析,将设计的准直系统导入光学仿真软件,全口径定标待测系统入瞳处总照度与子孔径扫描定标待测光学系统拼接照度相差111.63 10-′。轴外0.5°视场子孔径逐一扫描与全口径扫描待测系统像面照度相差100.336 10-′,仿真数据表明子孔径逐一扫描与全口径扫描待测系统像面总照度基本相等,验证子孔径扫描法可恢复全口径的照度信息。(6)在实验室条件下,设计缩比实验来验证提出的基于子孔径扫描法的平场定标方案的可行性。选用子孔径大小为50mm,待测光学系统口径为150mm,子孔径数量为9,规划子孔径扫描路径进行平场定标实验验证。通过仿真分析全口径定标待测光学系统像面照度与子孔径拼接定标待测光学系统像面照度相差0.005,结合实验验证结果表明:用子孔径扫描待测系统像面能量叠加对比全口径像面照度,恢复全口径的照度信息,全口径像面灰度值231.085,单个子孔径叠加灰度值为233.350,相对误差为0.75%。子孔径扫描法可用于大口径天文望远镜的平场定标。综上所述,本论文通过理论分析与仿真建模方法,搭建实验平台,解决更大口径的天文望远镜平场定标,解决像面响应的非均匀性对于巡天发展有着重要的意义,为以后相关研究工作提供了依据。