LAMOST小焦面系统模拟星像观测仿真与单元测试

　　国家大科学工程LAMOST ( large sky area multi-object fiber spectroscopy telescope)是一台兼备大视场和大口径的卧式中星仪式反射施密特天文望远镜。LAMOST要求能够对直径1. 75 m球冠状焦面板上的4 000个光纤定位单元进行快速准确对准观测对象,实现对4 000个星体目标进行同时观察,其定位精度要求达到40μm。每根光纤及其控制机构组成一个光纤定位单元[1],其原理如图1所示。光纤定位单元采用双回转机构,包括臂长相等的一中心回转轴和一偏心回转轴,两回转轴均由驱动脉冲电机驱动,中心回转轴可以在0~360°范围内转动,偏心回转轴可以在0~180°范围内转动,可以实现直径35 mm的整个圆区域的任意位置进行精确定位,光纤经空心轴内孔引出后连到光谱仪上。

　　在星像观测时,控制程序只需读入星像坐标数据,然后控制带有光纤的定位单元移动到星像位置进行观测。在系统运行之前有必要验证控制程序中各种算法的可行性和合理性;由于各种加工和装配误差的存在,使某些单元的精度达不到要求,利用小焦面系统对4 000个单元进行逐批跑合测试,通过星像仿真实验来检验单元是否达到要求。因此,仿真对测试程序算法和测试单元精度具有重要意义。

　　1　模拟星像产生和参数计算

　　为了更接近真实星体产生的星像,利用计算机随机分配的方法来产生星像。随机产生若干个点来模拟星像,其坐标来模拟星像坐标,并在控制界面上绘出这些模拟星像点,根据这些数据控制单元的运动。由这些星像坐标数据计算单元中心轴、偏心轴需要转过多大角度才能使光纤到达星像位置。下面计算两者角度参数。

　　以其中任一颗星像为例,若已知星像的坐标为(x,y),而该星像所在单元的回转中心坐标为(x0,y0),如图2所示,中心轴臂长为R中,偏心轴臂长为R偏,定位单元经标定后的中心轴、偏心轴初始角度为θ中初、θ偏初,则可算得中心轴夹角θ中和偏心轴夹角θ偏为

再由θ中初、θ偏初,就可以得到中心轴和偏心轴需要转过的角度(控制程序对α角度范围已作判断),通过标定文件中的角度与脉冲的对应关系可以得到需要输入的脉冲数。

　　在实际的星像仿真实验时,为简单方便,保证每颗星像都落在单元区域内,采用先在圆内随机产生中心轴转角θ中和偏心轴转角θ偏

　　在星像仿真时,再返回式(1)将星像坐标转化为两轴的转角,检验公式和程序设计的正确性。

　　2　星像分配与处理

　　由于相邻单元之间有一定的重合区域,某些星像可能会落入到多个单元的观测范围内,所以在随机产生星像后,需要将这些星像和各个单元进行映射。对于某一颗星像,它可能只属于某一个单元,也可能属于两个相邻单元的重合区域,也可能属于3个相邻单元的重合区域。星像分配原则为: