本文關(guān)鍵詞：天文成像系統(tǒng)中的若干關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的進步和我國綜合國力的提升,我國對地基大型光學(xué)望遠鏡和極地光學(xué)望遠鏡等相關(guān)天文科學(xué)儀器方面的發(fā)展越來越重視。天文成像系統(tǒng)是實現(xiàn)天文科學(xué)研究的重要設(shè)備,其功能結(jié)構(gòu)根據(jù)環(huán)境以及被觀測對象特點的差異而不同,其研制與實現(xiàn)本身就是對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究和攻克。在本論文中,主要對極端溫度環(huán)境下的溫度控制技術(shù)以及近紅外天光的微弱信號探測相關(guān)技術(shù)進行了研究,并實現(xiàn)了相應(yīng)的技術(shù)需求。在天文觀測中,光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定是整個系統(tǒng)長期運行的關(guān)鍵保證之一,對處于南極內(nèi)陸的天文成像系統(tǒng)這一點尤為重要,對于極端環(huán)境中的溫度敏感型光學(xué)部件進行溫度控制是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。南極亮星巡天望遠鏡中需要進行溫度控制的部件是處于CCD相機前方的機械快門,其保溫空間狹小,緊鄰CCD封窗玻璃,對溫度的控制和保溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及電子學(xué)性能等方面存在諸多新的挑戰(zhàn)。本文中結(jié)合傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論,對保溫需求進行了深入分析,在結(jié)構(gòu)、溫度控制電路和控制算法等方面展開了深入研究,對涉及的保溫結(jié)構(gòu)方案,加熱方案,電子學(xué)功能模塊以及算法等方面的設(shè)計進行了具體的介紹,對低溫環(huán)境下部分電子學(xué)元件的性能漂移的影響及其解決方案進行了分析研究。設(shè)計研制了針對南極亮星巡天望遠鏡快門的溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在-86℃環(huán)境中經(jīng)過長期的性能測試,目前已在南極中山站穩(wěn)定運行至今。近紅外天光強度是我國發(fā)展紅外天文望遠鏡中非常重要的參數(shù)之一,主要測量觀測站點上空J、H、K三個大氣窗口內(nèi)天光強度。對于天文望遠鏡來說,其強度會影響望遠鏡的巡天深度、曝光時間,并能夠評估觀測站點計劃建造的望遠鏡的口徑與其科學(xué)產(chǎn)出的關(guān)系,避免觀測站點對望遠鏡口徑的過分追求。發(fā)展針對天光強度信號進行探測的技術(shù)對已建造的望遠鏡和規(guī)劃中的望遠鏡均具有重要的意義。然而,我國目前一直缺乏自主研發(fā)的近紅外天光測量系統(tǒng)。近紅外天光信號中常�；祀s著環(huán)境的各種干擾信號,使得對天光信號的探測變得異常困難�？紤]到天文觀測的需求,測量系統(tǒng)具有對微弱信號探測以及自動化觀測的能力,因此論文對近紅外探測器的前置放大器、ADC與數(shù)據(jù)采集模塊、真空制冷與機電技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理算法進行了重點研究。為了降低噪聲,對探測器進行深度制冷,前置放大器采用跨阻型放大器減少前放部分的噪聲貢獻。設(shè)計機電設(shè)備用以實現(xiàn)自動化觀測。為了匹配天光強度的動態(tài)范圍,設(shè)計高精度ADC及其數(shù)據(jù)采集模塊。在提升信噪比方面,采用波形調(diào)制與正交矢量型數(shù)字鎖相算法對探測器信號進行提取。目前已經(jīng)完成了近紅外天光測量原型樣機,并實現(xiàn)了對南極天空流量相當?shù)暮隗w響應(yīng)的測量。在本論文的工作中,成功實現(xiàn)了南極亮星巡天望遠鏡快門的極端環(huán)境溫度控制和近紅外天光測量系統(tǒng)的微弱信號探測。將實現(xiàn)天文成像系統(tǒng)所需的相關(guān)技術(shù)進行了有效的融合,并取得了一些研究成果。本論文的創(chuàng)新之處如下:(1)采用了保溫腔結(jié)構(gòu)與電子學(xué)相結(jié)合的研究模式,實現(xiàn)了在-86℃下對南極亮星巡天望遠鏡快門的高精度溫度控制。所設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)本身無需保溫,可在-86℃環(huán)境穩(wěn)定使用,通過控制算法實現(xiàn)0.0782℃的溫控穩(wěn)定度,并消除了低溫下溫度控制的不安全性。(2)研制了真空、低溫、光機電一體化的深度制冷系統(tǒng),通過冷鏈和絕熱設(shè)計,使探測器的制冷深度低至61.4K。光機系統(tǒng)采用不同于國外方案的非制冷方式,大幅降低制冷機負載,且自身發(fā)射并不會顯著提升內(nèi)部噪聲。(3)對微弱的近紅外天光背景信號,利用深度制冷技術(shù)降低探測器噪聲,利用交流調(diào)制技術(shù)去除1/f噪聲,采用正交矢量型鎖相技術(shù)以及相應(yīng)的讀出電路對信號進行有效測量,研制了面向南極近紅外天光背景測量儀的原型系統(tǒng)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P111

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前8條

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本文編號：1305183