最新刊期
2025年第33卷第21期
- “在大口径大视场望远镜领域，专家提出了一种融合边缘信息约束的K-means聚类分割方法，有效提升拼接探测器平面度检测的效率与精度。”摘要：为满足大口径大视场望远镜对探测器平面度检测的高效率与高精度要求，本文针对拼接探测器提出一种融合边缘信息约束的K-means聚类分割方法。该方法作为平面度评估前的关键预处理步骤，可有效提取规则结构区域，提升后续平面度指标计算的准确性与稳定性，适用于多阶段、多工况下的探测器检测任务。首先，分析了拼接探测器的结构特征，构建了拼接探测器点云数据的处理方法。然后，提取了边缘缝隙特征以及增强边缘的连续性，基于封闭区域内部点集自适应选取初始聚类中心，避免随机初始化导致的收敛不稳定。最后，在K-means目标函数中引入边缘惩罚项与高度值异常检测机制，通过迭代优化实现探测器点云的精细化分割。实验结果表明，基于封闭区域的质心初始化方法降低了平均迭代次数，且避免了人工预设聚类数。相比传统方法，边缘约束项与高度异常判据的引入使边界匹配精度提升50%以上。该方法能够有效实现拼接探测器数据集的点云分割，为大口径望远镜拼接探测器的研制与使用提供了一种高效的点云分割方法。关键词：大口径光电望远镜;拼接探测器;点云分割;边缘检测;聚类60|17|0更新时间：2025-12-04
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大口径主焦点望远镜的滤光轮机构设计与试验 AI导读
“在地基大口径主焦点式望远镜多谱段观测领域，新型滤光轮机构设计成功，为滤光轮设计提供新思路。”摘要：为满足地基大口径主焦点式望远镜的多谱段观测需求，对比研究了滤光片切换机构的结构形式。针对传统形式滤光轮机构的缺点，设计了一种沿光轴圆周均布式的新型滤光轮机构，以实现将不同透过谱段的滤光片依次在光路中切入和切出。该滤光轮机构由驱动组件和滤光片组件组成，与传统形式滤光轮机构相比，该机构安装时无需与光轴偏置，充分利用了光轴圆周空间，能够减小对主镜的遮拦。首先，介绍了滤光轮机构的组成及工作原理，并对关键部件进行了选型计算。随后，对滤光轮机构进行了模态分析，其一阶固有频率为108 Hz。最后，对滤光轮机构进行了切换精度测量、滤光片面形精度检测以及高低温试验。检测和试验结果表明，该滤光轮机构的滤光片切入后偏心误差最大为0.1 mm，滤光片面形精度均方根（Root Mean Square，RMS）值均优于λ/30，在系统的工作温度范围内切换顺畅无卡滞。该滤光轮机构能够满足大口径主焦点式望远镜的多谱段观测要求，为滤光轮设计提供了新思路。关键词：滤光轮机构;主焦点;圆周均布;滤光片;高低温试验36|18|0更新时间：2025-12-04 -
低噪声高帧频短波红外成像系统设计 AI导读
“报道：为满足地基望远镜短波成像需求，我国成功研发基于InGaAs材料的制冷型短波红外成像系统，实现低噪声、高线性度，性能达到国际先进水平。”摘要：为实现地基大口径望远镜对短波成像（Short-Wave Infrared，SWIR）系统低噪声、高线性度的需求，以及摆脱国外对科学级短波红外成像的技术封锁，缩短项目周期，于是设计了基于InGaAs材料焦平面阵列（Focal Plane Array，FPA）的制冷型短波红外成像系统。首先，设计了成像系统的基本架构，在架构基础上设计了低噪声硬件电路。然后，结合半导体制冷（Thermoelectric Cooling，TEC）技术，在保证极低读出噪声和暗电流的基础上设计了基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Arrays， FPGA）的传感器驱动、高效完成图像读出和程序传输。最后，形成系统样机。实验结果表明，该成像系统能够在零下10 ℃的工况下持续运行，实现了最快116 frame/s的全画幅图像输出，在低增益、中增益、高增益模式下分别达成了364.87 e-，40.66 e-，15.73 e-的噪声水平，线性度、响应均匀程度均表现良好，在室内和室外均能稳定工作并清晰成像，满足科学级探测器的指标要求。关键词：短波红外;现场可编程门阵列;成像驱动电路;半导体制冷29|14|0更新时间：2025-12-04 - “在红外成像领域，专家研制了非共平台多波段红外杜瓦低温光机平台，通过有限元仿真分析和试验验证，确保了低温下分光镜和成像镜组的准确位置，为冷光学技术多波段成像杜瓦光机设计提供参考。”摘要：基于冷光学技术的多波段红外成像杜瓦是实现地基大口径望远镜红外高灵敏探测的重要手段，因此研制了一种红外相机和光机元件非共平台的多波段红外杜瓦低温（100 K）光机平台。根据需求明确低温光机平台的设计方向及设计原则，利用柔性结构设计了变形可控的低温平台。通过有限元仿真分析研究低温光机平台热变形并进行试验验证。结果表明，试验测量得到的长波光路在X方向和Z方向上的变化量分别为0.37 mm和0.04 mm，有限元分析得到对应的变形量为0.387 mm和0.021 mm；中波光路在X方向和Y方向上的变化量分别为0.36 mm和0.03 mm，有限元分析得到对应的变形量为0.385 mm和0.031 mm。分析与实测误差均在0.02 mm内，证明了低温平台设计的合理性，确保了低温下分光镜，长波成像镜组和中波成像镜组的准确位置。本研究对于今后基于冷光学技术的多波段成像杜瓦内的光机设计具有很高的参考价值。关键词：冷光学;红外探测;低温光机平台;多光路37|16|0更新时间：2025-12-04
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地基大型光学望远镜大靶面相机成像电路设计 AI导读
“在地基大型光学望远镜探测领域，定制了高分辨率背照式可拼接sCMOS图像传感器，设计了高性能成像电路，实现了高动态合成和同步运行，满足了探测器系统的应用要求。”摘要：针对地基大型光学望远镜大视场探测的需求，定制了一款1 680万分辨率背照式可拼接sCMOS图像传感器，并设计了相机成像电路。对该电路设计中的硬件设计、功能模块设计、数据流设计、高动态合成、曝光时刻信息记录和同步运行设计等方面进行了研究。成像电路选择FPGA芯片作为核心处理器，采用模块化、高集成度设计。数据缓存采用4片并行DDR芯片，最高数据读写速率为102.4 Gb/s。通过GTX高速收发器设计了5 Gb/s通信速率的自定义光通信接口，实现相机控制和图像传输功能。FPGA内部数据流采用AXI-Full总线协议，实现了高性能、高带宽和灵活互联架构。在FPGA片内设计了高动态图像合成功能，实时生成高位深合成图像。通过接收时间和姿态信息并细分，实现了图像曝光时刻信息记录，其时间分辨率为1 μs。经过测试，该系统实现了1 680万分辨率全画幅4 frame/s的成像。通过图像高动态合成，动态范围提升为95.52 dB，满足探测器系统的应用要求。关键词：大靶面相机;高动态合成;曝光时刻信息;光通信26|13|0更新时间：2025-12-04 -
地基大口径光学望远镜圆顶钢结构设计 AI导读
“在望远镜圆顶结构设计领域，专家对比分析国内外大型圆顶，探索大口径望远镜圆顶定位和结构设计，为更大尺寸圆顶设计提供技术支持。”摘要：圆顶作为望远镜的存放保护装置，优良的结构性能是其安全运行的保障，也是望远镜能否正常观测的前提。随着地基光学望远镜口径的不断增大，圆顶的尺寸规模也随之逐渐变大，尺寸的增大对圆顶结构的稳定性、环境适应性和运行精度等提出一定挑战。因此，本文通过对比分析国内外大型圆顶结构形式和使用特点，对大口径光学望远镜圆顶的定位和结构设计进行了理论探索。结合本圆顶安装位置的自然环境特点，分析了圆顶设计过程中涉及的风载荷、地震载荷、雪载荷和温度载荷，采用权重系数得出圆顶综合载荷。最后，利用空间结构设计软件3D3S对圆顶开启和关闭状态下的载荷情况分别建模，并利用有限元仿真技术进行计算，实验结果表明，圆顶桁架系统开启和关闭状态下的最大结构应力分别为144.58 MPa和189.51 MPa，均小于材料屈服极限。本研究对圆顶结构的计算和仿真分析，能为更大尺寸的圆顶设计提供一定的技术支持和参考。关键词：望远镜;圆顶;钢桁架;综合载荷;变形比;应力比34|13|0更新时间：2025-12-04 -
大靶面拼接探测器的终端数据接收系统设计 AI导读
“在大靶面拼接探测器技术领域，专家建立了终端数据接收系统，优化了数据通信能力，为高速图像数据处理提供解决方案。”摘要：随着大靶面拼接探测器技术的发展，保障数据处理终端能够高速、无误地接收大规模、高分辨率图像数据至关重要。终端数据接收系统由具备两路光纤接口，八路串口，一路PCIe接口的硬件设备及其配套国产系统设备驱动组成。其中，硬件设备以FPGA芯片作为核心处理单元。本文详细阐述了终端数据接收系统的硬件结构设计及若干关键技术，包括光纤数据的接收，数据校验与缓存方案设计，设备驱动程序控制串口收发数据的方案设计，采用分散/聚集映射直接内存访问技术（Scatter-Gather Direct Memory Access， SG-DMA）优化硬件设备与计算机之间大容量数据通信的能力和国产系统设备驱动的方案设计。实验结果表明，设备的数据接收速率可以达到2.26 GB/s，连续长时间运行未发生任何错误，驱动响应时间最短为111 μs。该终端数据接收系统在稳定性、传输速率和传输延迟等方面均表现优异，展现了出色的性能和广泛的应用潜力。关键词：图像采集;光纤通信;设备驱动;PCIe;SG-DMA28|12|0更新时间：2025-12-04 - “在超大口径地基望远镜领域，专家提出了多电机同步驱动控制方法，实现了高精度控制，为后续设计提供参考。”摘要：针对下一代超大口径地基望远镜的主轴伺服控制系统需求，提出了一种基于多电机同步驱动的控制方法。基于4 m量级望远镜介绍了控制系统的硬件组成，并设计了基于EtherCAT总线的多电机同步控制架构。给出了方位分段弧形永磁同步电机（Segmented Arc Permanent Magnet Synchronous Motors， SAPMSM）和俯仰整装电机的参数标定方法和测试结果。将速度环设计为最佳二阶系统，通过引入结构滤波器和抗饱和控制算法，实现了速度输出快速且无超调。进一步针对力矩波动测量问题，提出基于转矩电流的定量分析方法，并通过电机电角度相位匹配来降低力矩波动，同时引入扩张状态观测器，实现力矩波动前馈补偿。实验结果表明，望远镜采用直接驱动方式，跟踪架一阶谐振频率不低于20 Hz，俯仰轴双驱动架构具有更好的频率特性，伺服系统速度环带宽不低于6 Hz，望远镜在线性区的小速度输出和非线性区的大速度输出均可以实现快速无超调，引入力矩波动前馈补偿算法后，俯仰轴速度波动由0.000 868（°）/s降至0.000 341（°）/s，速度平稳性得到明显提升。该主轴多电机同步驱动伺服控制系统能够满足大口径望远镜高精度控制要求，可为后续更大口径望远镜控制系统的设计提供了参考。关键词：地基望远镜;永磁同步电机;同步驱动;EtherCAT总线;抗饱和;扩张状态观测器;力矩波动39|15|0更新时间：2025-12-04
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大型车载光电望远镜伺服系统扰动抑制 AI导读
“在大型车载光电望远镜领域，专家提出了基于补偿和预测模型的扩张状态观测器在线扰动估计和补偿方法，有效提升了系统的抗扰动能力。”摘要：大型车载光电望远镜伺服系统由于受到力矩电机齿槽力矩等因素造成的时变扰动，从而导致跟踪性能下降。为了提高大型车载光电望远镜伺服系统的抗扰动能力，对望远镜伺服系统的速度环路等校正环节进行设计。针对电机齿槽力矩等带来的周期性扰动和时变扰动，对比了基于电流直接补偿、观测器前馈补偿等方法，分析了以上方法在实际工程中的应用局限，提出了基于补偿和预测模型的扩张状态观测器在线扰动估计和补偿方法，在伺服系统硬件框架不变的情况下，充分利用系统已知信息，提高了补偿精度。最后，利用仿真和实验对该方法进行验证。实验结果表明，该系统在跟踪1 （°）/s速度指令时，转速波动误差均方根（Root Mean Square， RMS）值由未加补偿时的0.007 60 （°）/s下降到0.003 45 （°）/s，相对下降了54.6%；在跟踪1 （°）/s的位置斜坡指令时，位置跟踪误差RMS值由未加补偿时的0.997″下降到0.157″，相对下降了84.3%。因此，本文采用的方法可以有效提升大型车载光电望远镜伺服系统的抗扰动能力。关键词：光电望远镜;扰动抑制;伺服控制;观测器20|12|0更新时间：2025-12-04 - “在自适应光学系统领域，研究者提出了一种无需额外设备即可评估天光背景影响的方法，为提升白天观测效率和目标探测能力提供数据支撑。”摘要：针对白天自适应光学系统受强烈天光背景干扰的问题，提出一种在不引入额外设备的前提下，利用哈特曼波前传感器标定并计算天光背景等效星等的方法，以定量评估其亮度分布及其对观测的影响。实验结果表明，天光背景星等值随太阳高度增加与观测俯仰角减小而降低，在常规目标跟踪过程中，同一方位天光背景亮度变化可达约1 mag，星等计算值与Kasten-Young线性大气质量模型高度一致。对哈特曼靶面时空特性进一步分析发现，不同子孔径间灰度均值差异显著，但短时波动趋势一致，子孔径内天光背景图像在空间上的起伏标准差显著高于时间上的起伏标准差，比值约为1.68。为实现有效的白天目标观测，需重点考虑子孔径内部空间非均匀性，对天光背景进行逐像素动态建模。本研究可为自适应光学系统动态参数调整与噪声抑制提供数据支撑，从而提升白天观测效率与目标探测能力。关键词：自适应光学;白天天光背景;哈特曼波前传感器;星等;时空特性17|11|0更新时间：2025-12-04
地基大型光学望远镜技术创新与科学前沿
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