申请/专利权人：中国科学院云南天文台;昆明晶华光学有限公司

申请日：2017-09-12

公开（公告）日：2023-06-27

公开（公告）号：CN107356986B

主分类号：G01V11/00

分类号：G01V11/00;G09B27/00;G02B23/00;G02B23/16

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.06.27#授权;2017.12.12#实质审查的生效;2017.11.17#公开

摘要：本发明公开了一种多波段复合式天文科普系统，其包括射电观测子系统、光学观测子系统、跟踪控制子系统、计算机；本装置通过射电望远镜在微波频段和光学望远镜在可见光波段对同一观测源进行观测，获取多波段的辐射信息，使得科普受众者对天体的多波段辐射具有更加深刻的了解；本装置具有操作直观、显示方便等优点。

主权项：1.一种多波段复合式天文科普系统，其特征在于：包括射电观测子系统、光学观测子系统、跟踪控制子系统、计算机；其中射电观测子系统由射电天线、射频定标系统、前端模拟接收机、数据采集-处理终端依次连接组成，计算机分别与数据采集-处理终端、射频定标系统连接；光学观测子系统包括多光学望远镜、与多光学望远镜匹配的CCD图像传感器，多光学望远镜通过CCD图像传感器与计算机连接；跟踪控制子系统包括赤道仪、具有同步接口板的复合式台架，赤道仪设置在复合式台架上，赤道仪与计算机连接，射电天线和多光学望远镜通过同步接口板设置在复合式台架上；计算机还包括如下模块：数据采集-处理终端控制模块，选择射电信号的处理模式，即多频点总功率观测模式和精细谱观测模式，实现在宽带内多个频点的总流量监测或者精细谱线的频谱观侧；射频定标控制模块，选通噪声源输入或天线输入模式，控制噪声源的开启或关闭，通过噪声源的超噪比对采集的射频信号进行强度定标；图像采集模块，控制CCD图像传感器进行图像采集；望远镜控制模块，控制射电天线和多光学望远镜的主光轴平行，指向校正实现对目标源的同步观测；赤道仪控制模块，控制赤道仪对观测源进行跟踪，进而推动多光学望远镜和射电天线指向目标。

全文数据：一种多波段复合式天文科普系统技术领域[0001]本发明属于天文科普设备领域，具体涉及一种多波段复合式天文科普系统，该系统适用于青少年学生的射电天文、光学天文甚至无线电教学等技术方面的科普教育。背景技术[0002]具有多波段辐射的天体广泛存在于宇宙中，例如:太阳在微波、光学、红外、高能等波段均有辐射;银心在1420MHz频段具有较强的中性氢辐射，对于不同的旋臂，根据其红移速度的不同还可以观察到不同旋臂上的中性氢辐射的频移情况，同时在光学波段可以用肉眼看到壮丽的银河。[0003]由于光学观测的直观和可操作性，目前中小学生天文科普主要以光学观测为主，涉及其他波段较少，而多波段的观测可以使得科普受众者更好的理解天体的辐射机制，如射电波段则反映了与光学波段完全不同的物理本质。开发多波段的天文科普终端，可以使科普受众者同步清晰的观测到天体在不同波段的辐射情况，同时也理解不同波段辐射信号的物理机制和特征。[0004]例如:太阳在宁静时期的射电辐射流量值随着频率的不同而不同，通过对多个窄频带内的射电流量观察可以看到不同频段的流量差异;在爆发时期具有较为丰富的频谱成分，其反应了日冕物质抛射过程中速度和密度的变化过程，通过爆发频谱的数据可以让科普受众者了解到日冕物质抛射过程中物理变化情况，同时可以配合光学波段的图像数据，可以看到对应的日冕物质抛射过程，更加深刻的了解太阳活动-空间天气的影响；[0005]另外在2800MHz频段的长期太阳辐射和日面的黑子数量成正相关性，如果通过长期的观测和统计可以获得两组正相关数据，具有很好的科学实验意义。[0006]又例如：目前夜间对银河的拍摄非常普遍，但是银河系中心强烈的中性氢辐射同样也是较好的科普素材，其在频谱特征上反应了不同位置处的中性氢所属银河系旋臂的速度、远近等信息，同时在观测终端中如果能够手动调节频率分辨率，可以让科普受众者了解到快速傅里叶变化中分析点数和分辨率之间的关系。[0007]因此开发多波段的天文科普观测终端是扩宽天文科普领域的重要技术手段。发明内容[0008]本发明目的在于提供一种基于射电和光学的多波段复合式天文科普系统，适用于中小学生自然科学科普领域，通过射电望远镜在微波频段和光学望远镜在可见光波段对同一观测源进行观测，获取多波段的辐射信息，使得科普受众者对天体的多波段辐射具有更加深刻的了解。[0009]本发明多波段复合式天文科普系统包括射电观测子系统、光学观测子系统、跟踪控制子系统、计算机，其中射电观测子系统由射电天线、射频定标系统、前端模拟接收机、数据采集-处理终端依次连接组成，计算机分别与数据采集-处理终端、射频定标系统连接;光学观测子系统包括多光学望远镜、与多光学望远镜配套的CXD图像传感器，多光学望远镜通过CCD图像传感器与计算机连接;跟踪控制子系统包括赤道仪、具有同步接口板的复合式台架，赤道仪设置在复合式台架上，赤道仪与计算机连接，射电天线和多光学望远镜通过同步接口板设置在复合式台架上。[0010]其中射电观测子系统为一完备的射电望远镜，由射电天线包括抛物面天线和宽带馈源）、前端模拟接收机、射频定标系统、数据采集-处理终端组成;其中抛物面天线的直径为0.8-1.5米，馈源的带宽6GHz以上；[0011]前端模拟接收机由低噪声放大器、一级滤波器组）、二级放大器、二级滤波器组）依次连接组成，在调研无线电环境的基础上，合理选择合适的工作频点和增益的放大器，滤波器组）带宽、阻带抑制度等参数；前端模拟接收机为宽带大动态范围接收机，至少需要30-40dB动态范围以针对太阳射电爆发的强信号；[0012]射频定标系统由微波开关、噪声源组成，微波开关与噪声源连接，微波开关由计算机控制，控制选通天线输入、噪声源输入两种模式，同时噪声源也受到计算机控制，控制噪声源的开启、关闭两种模式，在开启模式下开启噪声源输出噪声信号，在关闭模式下关闭噪声源，相当于一个50欧姆匹配负载的输入，通过这两个数据的差值和天线采集得到的射电信号功率值进行比较得到射电信号强度；[0013]数据采集-处理终端采用宽带输入的捷变收发器系统，其具有通道程序可选择性和采集数据处理的程控化的特点，可兼顾多频点太阳射电总流量观测和窄带精细谱线观测两种需要;数据采集-处理终端通过网络或者USB总线与计算机相连，接收计算机发来的观测配置信息，同时将观测数据上传至计算机中进行显示；[0014]其次，光学观测子系统有多光学望远镜和与多光学望远镜匹配的CCD图像传感器两部分组成，其中多光学望远镜根据观测的需求不同可以挂接多台望远镜及其CCD图像传感器，即用于寻星的电子寻星镜和其后端配备的监视CCD，用于太阳观测的全日面望远镜和其后端配备的快速曝光CCD、用于夜间观测的带有多波段光学滤镜轮的宽视场长焦距望远镜及其后端配备的长时间曝光CCD、用于导星的电子导星镜和其后端配备的导星CCD;这个系统就构成了一个具备寻星导星、日面观测、夜间星空摄影三重功能的完备光学观测科普系统；[0015]再次，跟踪控制子系统由具有同步接口板的复合式台架和赤道仪组成，其中同步接口板用于固定射电望远镜和多光学望远镜，在此接口板上两望远镜系统的主光轴平行，可以实现对目标源的同步观测；同时赤道仪受到计算机控制，可以对不同的观测目标源进行跟踪；[0016]最后，计算机为整个系统的控制和信号处理核心，其集成了信号处理和控制软件模块，即包括数据采集-处理终端控制模块，选择射电信号的处理模式，即多频点总功率观测模式和精细谱观测模式，实现在宽带内多个频点的总流量监测或者精细谱线的频谱观侧；[0017]射频定标控制模块，选通噪声源输入或天线输入模式，控制噪声源的开启或关闭，通过噪声源的超噪比对采集的射频信号进行强度定标；[0018]图像采集模块，控制CCD图像传感器进行图像采集；[0019]望远镜控制模块，控制射电天线和多光学望远镜的主光轴平行，指向校正实现对目标源的同步观测；[0020]赤道仪控制模块，控制赤道仪对观测源进行跟踪，进而推动多光学望远镜和射电望远镜指向目标。[0021]计算机主要功能如下：[0022]1控制射电数据采集-处理终端，选择射电信号的处理模式，即多波段光变观测模式主要针对太阳）和精细谱观测模式针对谱线）；[0023]2控制射频定标功能，选通微波开关接入噪声源，开启或关闭噪声源，通过噪声源的超噪比对采集的射频信号进行强度定标；[0024]3控制CCD图像传感器进行图像采集；[0025]⑷控制野外快速多波段光学射电同轴、指向校正等；[0026]5控制赤道仪对观测源进行跟踪，包括手动控制跟踪和根据星历计算得到观测源位置控制赤道仪，进而推动光学和射电望远镜指向目标。[0027]本发明集成了光学和射电两种望远镜，并且实现了同步跟踪观测源，为此能够在光学、射电两个波段向科普受众者展示观测源的辐射情况，具有操作直观、显示方便等优点。[0028]该系统具有从多个波段对科普受众者对具有多波段辐射的观察目标进行认知，获得诸如：太阳的射电、红外、可见光等波段的辐射，同时基于长期观测可以理解太阳在2800MHz和日面光学耀斑的正相关性；以及银河系中心在光学Ha波段和中性氢谱线1420MHz的辐射情况。附图说明[0029]图1为本发明装置结构示意图；[0030]图2为本发明系统工作流程示意图。具体实施方式[0031]下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。[0032]实施例1:如图1所示，本多波段复合式天文科普系统包括射电观测子系统、光学观测子系统、跟踪控制子系统、计算机，实现在光学+射电两个不同的波段对观测源进行数据采集，其中射电观测子系统由射电天线、射频定标系统、前端模拟接收机、数据采集-处理终端依次连接组成，计算机分别与数据采集-处理终端、射频定标系统连接;光学观测子系统包括多光学望远镜、与多光学望远镜匹配的CCD图像传感器，多光学望远镜通过CCD图像传感器与计算机连接;跟踪控制子系统包括赤道仪、具有同步接口板的复合式台架，赤道仪设置在复合式台架上，赤道仪与计算机连接，射电天线和多光学望远镜通过同步接口板设置在复合式台架上。[0033]首先，射电观测子系统包括:射电天线包括抛物面天线和宽带馈源）、射频定标系统、前端模拟接收机、数据采集-处理终端及集成于计算机中的射电处理模块；[0034]其中，射电天线由直径为1.5米的抛物面天线和6GHz宽带馈源组成，覆盖分米波到厘米波的射电天文信号，包括了：1420MHz的中性氢谱线，4660MHz,4750MHz,4765MHz的OH脉泽谱线等；[0035]对于太阳射电观测，由于太阳在射电的辐射为宽带辐射，可以在其中选取多个点频向科普受众者展示太阳射电在不同波段的流量不同：宁静太阳作为射电源，其亮温度Tsun与频率fGHz之间的关系，符合下列公式：[0036][0037]理论上，当任何一台天线暴露在阳光下的时候均能收到太阳射电辐射，由天线接收到的太阳射电辐射功率谱密度可以由以下计算得出：[0038][0039]此时的太阳辐射温度用Tsun’表示，其即可以是宁静太阳辐射，也可以是太阳射电爆发时候的辐射;折算为太阳信号引起的天线温度上升为：[0040][0041]rf:接收天线的效率，一般在0.5-0.750%-70%;[0042]A:接收天线的几何面积：[0043]K:为波尔兹曼常数[0044]S:太阳辐射流量密度Wm2Hz[0045]对于谱线观测，高频谱分辨率的谱线观测可以为研究者们带来所研究目标天体内部更细节的信息，它们通常可以使我们追踪到更小尺度的结构以及其中更详细的动力学特征等。[0046]如在某些高精度的谱线观测中需要极高的频率分辨率，例如对塞曼效应的观测中：采用中性氢HI观测，每微高斯磁场产生的频率移动2.8Hz;如采用OH的基态，每微高斯磁场在1.665GHz谱线上产生的频率移动只有3.27Hz，而在1.667GHz谱线上产生的频率移动是1.96Hz。然而，由于目前传统采用的射电天文终端设备是对射电天文模拟信号的高速ADC过采样原理实现的：采样率为fsa_ie的ADC大约能覆盖fsample2带宽的信号目前增加采样率似乎成为解决大带宽数据采集，实现宽频段同时观测的唯一途径;根据多普勒关系对于给定的速度弥散AV，对应的频谱宽度应为：[0047][0048]根据采样率f_Pie、FFT变换点数N和频谱分辨率Δf三者的关系：[0049][0050]则速度分辨率与采样率、中心频率以及FFT点数N之间的关系为:对同一条谱线在同样N点数情况下，采样率越高速度分辨率越低；[0051][0052]射电天线的馈源输出通过射频定标系统与前端模拟接收机的输入相连，前端模拟接收机由低噪声放大器、一级滤波器组）、二级放大器、二级滤波器组依次连接组成，在调研无线电环境的基础上，合理选择合适的工作点和增益的放大器，滤波器组带宽、阻带抑制度等参数，该部分用于将天线接收到微弱信号放大至数据采集-处理终端能够识别和采集的信号功率范围，同时抑制一些过强的无线电干扰信号，防止整个接收机系统饱和；[0053]数据采集-处理终端采用基于捷变收发器AD9361、AD9364以及AD9371等）为核心的信号处理系统，其具有通道程序可选择性和采集数据处理的程控化，则可兼顾多频点太阳射电总流量观测和窄带精细谱线观测两种需要;数据采集-处理终端通过网络或者USB总线与计算机相连，接收计算机发来的观测配置信息，主要是1.观测模式:针对宽带太阳射电的多点频总功率观测还是针对窄带谱线信号的精细频谱观测；2.在多点频总功率模式下，需要设置多个观测中心频点、观测带宽、积分时间等参数;3.在精细频谱观测模式下，需要设置:观测中心频点、观测带宽、频谱分辨率、积分时间等参数；[0054]光学观测子系统有多光学望远镜和与多光学望远镜匹配的CCD图像传感器组成，多光学望远镜包括太阳光学望远镜全日面望远镜）、带有多波段光学滤镜轮的深空光学望远镜（宽视场长焦距望远镜）、电子寻星镜、电子导星镜，其中太阳光学望远镜主要以太阳Ha656.28nm加白光黑子统计为主，深空光学望远镜以多波段光学滤镜轮切换Ha、Hb、SII、OIII为主对应射电太阳、银心的辐射波段，分别加快速曝光CCD和长曝光CCD;电子寻星镜分为减光大视场寻星镜及普通大视场寻星镜，加后端CCD;电子导星镜分为减光太阳全日面导星镜及普通导星镜，加后端CCD;这个系统就构成了一个具备日面夜间双环境寻星、导星、摄影三重功能的完备光学观测天文科普系统。[0055]计算机为整个系统的控制和信号处理核心，其集成了信号处理和控制软件模块，包括数据采集-处理终端控制模块，选择射电信号的处理模式，即多频点总功率观测模式和精细谱观测模式，实现在宽带内多个频点的总流量监测或者精细谱线的频谱观侧；[0056]射频定标控制模块，选通噪声源输入或天线输入模式，控制噪声源的开启或关闭，通过噪声源的超噪比对采集的射频信号进行强度定标；[0057]图像采集模块，控制CCD图像传感器进行图像采集；[0058]望远镜控制模块，控制射电望远镜和多光学望远镜的主光轴平行，指向校正实现对目标源的同步观测；[0059]赤道仪控制模块，控制赤道仪对观测源进行跟踪，进而推动多光学望远镜和射电望远镜指向目标。[0060]计算机主要功能如下：[0061]1、控制数据采集-处理终端，选择射电信号的处理模式，即多波段光变观测模式主要针对太阳）和精细谱观测模式针对谱线），其中，在多波段光变观测模式主要针对太阳）下，设置数据采集-处理终端中的多个观测中心频点、观测带宽、积分时间等参数;在精细频谱观测模式下，需要设置:观测中心频点、观测带宽、频谱分辨率、积分时间等参数；[0062]2、控制射频定标功能，控制微波开关，分别选通天线输入、噪声源输入两种模式，同时噪声源也受到计算机控制，实现开启、关闭两种模式，在开启模式下开启噪声源输出噪声信号，在关闭模式下关闭噪声源，相当于一个50欧姆匹配负载的输入，通过这两个数据的差值和天线采集得到的射电信号功率值进行比较得到射电信号强度；[0063]3、控制CXD图像传感器进行图像采集；[0064]4、控制射电天线、多光学望远镜同步；[0065]5、控制射电天线、多光学望远镜、跟踪控制子系统的指向校正；[0066]6、控制赤道仪对观测源进行跟踪，包括手动控制跟踪和根据星历计算得到观测源位置控制赤道仪，进而推动光学和射电望远镜指向目标。[0067]如图2所示，系统流程如下：[0068]1、初始化校验：[0069]手动与自动GPS北斗初始化参数确认:包括观测场地参数、时间参数；[0070]手动调试多波段同轴校准，包括:射电天线与光学望远镜同轴初始化；[0071]主镜指向初始化:包括手动+自动多校准星指向校正；[0072]2、目标参数设定：[0073]目标选择：自动根据星表对太阳、深空等目标进行选择，或赤经、赤炜天体目标参数手动设定；[0074]3、目标指向导星：[0075]根据太阳或星体目标种类，选择不同导星系统，通过导星偏差计算，稳定导星，从而稳定系统指向精度；[0076]4、观测记录：[0077]根据太阳或星体目标种类，启动不同波段记录系统；[0078]光学波段记录流程:滤镜轮系统选择不同波段，设定天文专用CCD记录曝光时间，曝光观测源图像形成文件，存档光学数据库；[0079]射电波段记录流程:在射电波段，首先进行观测中心频点的设置，然后对观测带宽设置，对于太阳射电观测可以设置多个中心频点和观测带宽，对于谱线观测还需要对频谱分辨率进行设置，最后设置积分时间，进行射电观测同样也形成观测文件，存档射电数据库；[0080]5、对比分析：[0081]根据相同目标、不同波长数据库，对比得出不同天象和目标的数据分析报告。

权利要求：1.一种多波段复合式天文科普系统，其特征在于:包括射电观测子系统、光学观测子系统、跟踪控制子系统、计算机；其中射电观测子系统由射电天线、射频定标系统、前端模拟接收机、数据采集-处理终端依次连接组成，计算机分别与数据采集-处理终端、射频定标系统连接；光学观测子系统包括多光学望远镜、与多光学望远镜匹配的CCD图像传感器，多光学望远镜通过CCD图像传感器与计算机连接；跟踪控制子系统包括赤道仪、具有同步接口板的复合式台架，赤道仪设置在复合式台架上，赤道仪与计算机连接，射电天线和多光学望远镜通过同步接口板设置在复合式台架上。2.根据权利要求1所述的多波段复合式天文科普系统，其特征在于:射电天线为宽带抛物面天线，带宽覆盖范围6GHz以上。3.根据权利要求1所述的多波段复合式天文科普系统，其特征在于:前端模拟接收机为宽带大动态范围接收机，至少需要30-40dB动态范围以针对太阳射电爆发的强信号。4.根据权利要求3所述的多波段复合式天文科普系统，其特征在于:前端模拟接收机由低噪声放大器、一个以上的一级滤波器、二级放大器、一个以上的二级滤波器依次连接组成。5.根据权利要求1所述的多波段复合式天文科普系统，其特征在于:多光学望远镜由多个光学望远镜组成，光学望远镜包括电子寻星镜、电子导星镜、全日面光学望远镜、带有多波段光学滤镜轮的宽视场长焦距望远镜。6.根据权利要求1所述的多波段复合式天文科普系统，其特征在于:射频定标系统由微波开关、噪声源组成，微波开关与噪声源连接，微波开关与噪声源分别与计算机连接。7.根据权利要求1所述的多波段复合式天文科普系统，其特征在于，计算机还包括如下丰旲块：数据采集-处理终端控制模块，选择射电信号的处理模式，即多频点总功率观测模式和精细谱观测模式，实现在宽带内多个频点的总流量监测或者精细谱线的频谱观侧；射频定标控制模块，选通噪声源输入或天线输入模式，控制噪声源的开启或关闭，通过噪声源的超噪比对采集的射频信号进行强度定标；图像采集模块，控制CCD图像传感器进行图像采集；望远镜控制模块，控制射电天线和多光学望远镜的主光轴平行，指向校正实现对目标源的同步观测；赤道仪控制模块，控制赤道仪对观测源进行跟踪，进而推动多光学望远镜和射电天线指向目标。

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