CN109405968A - 一种自动光谱观测系统及其控制方法 - Google Patents

一种自动光谱观测系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自动光谱观测系统及其控制方法,该系统包括光路组件和控制器,光路组件包括定标灯,定标灯包括空心阴极灯和卤素灯,沿着空心阴极灯射出的光线上依次设置有第一准直镜、第一滤光片、分光器和第一成像镜,沿着卤素灯射出的光线上依次设置有第二准直镜、可移动的碘盒和第二滤光片,卤素灯射出的光线进入分光器;空心阴极灯射出的光线穿过第一成像镜后进入光纤,并从光纤出来后依次经过扩焦系统、第一反射镜、狭缝和光谱仪,从狭缝处反射的光依次经过第二反射镜和第二成像镜进入控制器;第一反射镜的上方为天文望远镜,通过所述天文望远镜的星光通过狭缝进入光谱仪。本发明成本低,效率高,通用性好,稳定性好。

Description

一种自动光谱观测系统及其控制方法
技术领域
本发明属于天体观测技术领域,具体地说,涉及一种自动光谱观测系统及其控制方法。
背景技术
天文光谱观测是研究各种恒星的元素丰度、星震、类太阳活动、恒星大气和星周环境、系外行星等国际前沿课题的重要手段,对研究恒星内部结构和演化、星系和宇宙的演化有重要意义。
光谱观测需要进行谱线比对,不仅需要观测目标谱线,还要拍摄定标谱线。光谱仪通常由一个可移动的反射镜来切换光路,移开反射镜则望远镜指向的目标天体光线进入光路,可进行目标光谱拍摄,移入反射镜则引入定标灯光线,可进行定标光谱拍摄。自动光谱观测主要是涉及到CCD相机和定标灯系统的控制,根据观测任务列表控制定标灯的开启和关闭,定标灯光路和望远镜光路的切换,然后控制CCD的曝光。
现有光谱观测控制方案按自动化程度分有两种:一种是手动控制,即定标灯控制和光谱拍摄CCD相机控制软件相对独立,需要人工操作软件切换定标灯后进行相应的定标谱线和目标谱线的拍摄。如MaxIm DL软件是Windows操作系统最常用的CCD控制商业软件,具有滤光片控制、望远镜控制、调焦控制、原定控制和图像处理等功能,支持目前绝大部分商业CCD相机。但是由于该软件没有定标灯控制功能,Windows操作系统下还无法实现光谱自动观测,只能手动控制两个独立的软件进行光谱观测;手动控制效率低,对天文观测来说时间是很宝贵的,有效提高观测效率非常重要。
另一种为光谱仪所有设备都是统一厂家订制的高级方案,一般是linux操作系统下通过编写比较复杂的软件或脚本统一控制定标灯系统和CCD相机实现自动光谱观测。这种方案可以实现光谱自动观测,但是成本非常高,通用性也不好。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种自动光谱观测系统及其控制方法。
为了解决上述技术问题,本发明公开了一种自动光谱观测系统,包括光路组件和控制器,所述光路组件包括定标灯,所述定标灯包括空心阴极灯和卤素灯,沿着空心阴极灯射出的光线上依次设置有第一准直镜、第一滤光片、分光器和第一成像镜,沿着卤素灯射出的光线上依次设置有第二准直镜、可移动的碘盒和第二滤光片,所述卤素灯射出的光线最终进入分光器;所述空心阴极灯射出的光线与卤素灯射出的光线垂直;所述空心阴极灯射出的光线穿过第一成像镜后进入光纤,并从光纤出来后依次经过扩焦系统、第一反射镜、狭缝和光谱仪,从狭缝处反射的光依次经过第二反射镜和第二成像镜进入控制器;所述第一反射镜的上方为天文望远镜,通过所述天文望远镜的星光通过狭缝进入光谱仪。
可选地,所述的控制器包括中央处理器,所述的中央处理器分别通过导线连接有光谱仪、光谱CCD、监视CCD和定标灯控制系统,从第二成像镜射出的光进入监视CCD,所述光谱CCD设置在光谱仪的下方。
可选地,定标灯控制系统包括定标灯控制电路,所述的定标灯控制电路通过导线分别连接有定标灯和反射镜系统,所述定标灯包括空心阴极灯和卤素灯,所述空心阴极灯和卤素灯分别与定标灯控制电路相连接;所述反射镜系统包括步进电机,所述步进电机与精密平移导轨相连接,所述精密平移导轨的两端分别设置有第一限位开关和第二限位开关,所述第一限位开关和第二限位开关分别通过导线与定标灯控制电路相连接,所述精密平移导轨上设置有第一反射镜。
可选地,所述的中央处理器为个人计算机。
本发明还公开了一种自动光谱观测系统的控制方法,包括以下步骤:
步骤1、每个ASCOM滤光片状态被定义为一个定标灯状态;
步骤2、开始观测后,检测是否有观测任务队列;
步骤3、进行Null操作,移出第一反射镜,关闭定标灯,拍摄目标天体的谱线;
步骤4、移入第一反射镜,进行Lamp1操作,选择空心阴极灯,拍摄空心阴极灯的谱线;
步骤5、进行Lamp2操作,移入第一反射镜,选择卤素灯,拍摄卤素灯的谱线;
步骤6、继续进行Lamp操作,自动移入第一反射镜并选择空心阴极灯或卤素灯,至拍摄相应的空心阴极灯或卤素灯光谱和目标天体光谱;
步骤7、拍摄完成后检测观测队列是否完成,进行下一轮循环。
可选地,步骤6中拍摄完后将相应的空心阴极灯或卤素灯光谱和目标天体光谱自动添加定标灯信息到Fits文件中。
与现有技术相比,本发明可以获得包括以下技术效果:
1)本发明成本低,无需高额软、硬件开发费用。
2)本发明效率高,实现天文光谱观测的自动化,提高天文观测效率。
3)本发明通用性好,支持Windows系统下几乎所有厂家的CCD相机。
4)本发明稳定性好,采用商业相机控制软件和通用标准,稳定性很好。
当然,实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是本发明自动光谱观测系统的光路示意图;
图2是本发明自动光谱观测系统的硬件结构原理图;
图3是本发明自动光谱观测系统的定标灯控制器电路图;
图4是本发明自动光谱观测系统的控制方法的流程示意图。
图中,1.空心阴极灯,2.卤素灯,3.第一准直镜,4.第一滤光片,5.分光器,6.第一成像镜,7.第二准直镜,8.可移动的碘盒,9.第二滤光片,10.光纤,11.扩焦系统,12.第一反射镜,13.狭缝,14.光谱仪,15.第二反射镜,16.第二成像镜,17.天文望远镜,18.中央处理器,19.光谱CCD,20.监视CCD,21.定标灯控制系统,22.定标灯控制电路,23.定标灯,24.反射镜系统,25.步进电机,26.精密平移导轨,27.第一限位开关,28.第二限位开关。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式,藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明公开了一种自动光谱观测系统,如图1所示,包括光路组件和控制器,所述光路组件包括定标灯23,定标灯23包括空心阴极灯1和卤素灯2,沿着空心阴极灯1射出的光线上依次设置有第一准直镜3、第一滤光片4、分光器5和第一成像镜6,沿着卤素灯2射出的光线上依次设置有第二准直镜7、可移动的碘盒8和第二滤光片9,所述卤素灯2射出的光线最终进入分光器5;所述空心阴极灯1射出的光线与卤素灯2射出的光线垂直;所述空心阴极灯1射出的光线穿过第一成像镜6后进入光纤10,并从光纤10出来后依次经过扩焦系统11、第一反射镜12、狭缝13和光谱仪14,从狭缝13处反射的光依次经过第二反射镜15和第二成像镜16进入控制器;所述第一反射镜12的上方设置有天文望远镜17,所述天文望远镜17发出的星光通过狭缝13进入光谱仪14。第二反射镜15可反射来自天文望远镜的目标天体附近天空区域,主要用于监视目标天体光线是否进入狭缝,如果未进入狭缝或者有所偏离,则通过天文望远镜进行调整。
上述的光路包括两个部分光路:目标天体光路和定标灯光路;
其中,目标天体光路:来自天文望远镜的目标天体光线通过狭缝13进入光谱仪14,狭缝14反射面反射的天体背景图像经过反射镜2和成像系统1进入监视CCD 20成像,用以调整目标天体使之通过狭缝13进入光谱仪14。
定标灯光路:定标灯23可以包括多个定标灯,下面以包含两个定标灯Lamp1(空心阴极灯ThAR 1)和Lamp2(卤素灯2)为例,空心阴极灯1分别经过第一准直镜3、第一滤光片4、分光器5、第一成像镜6进入光纤10,从光纤10出来后经过扩焦系统11,经第一反射镜12反射后通过狭缝13进入光谱仪14。第一反射镜12移入天文望远镜光路时,定标灯光线进入光谱仪14,移出则目标天体的光线进入光谱仪14。
观测过程根据需要交替拍摄定标灯谱线(空心阴极灯1和卤素灯2)和目标天体谱线,如:移入第一反射镜12,选择空心阴极灯1,拍摄空心阴极灯1的定标光谱,选择卤素灯2,拍摄卤素灯2的定标光谱,然后关闭定标灯(空心阴极灯1和卤素灯2),移出第一反射镜12,拍摄目标天体光谱,拍几组后又移入第一反射镜12重拍定标灯光谱。
可选地,如图2所示,所述的控制器包括中央处理器18,所述的中央处理器18分别通过导线连接有光谱仪14、光谱CCD19、监视CCD20和定标灯控制系统21,从第二成像镜16射出的光进入监视CCD20,所述光谱CCD19设置在光谱仪14的下方。光谱CCD用于拍摄定标灯和目标天体的普线图,监视CCD用于监视目标天体光线是否进入狭缝。
可选地,定标灯控制系统21包括定标灯控制电路22,其中,定标灯控制电路22的型号为STM32F103C8T6型,所述的定标灯控制电路22通过导线分别连接有定标灯23和反射镜系统24,所述定标灯23包括空心阴极灯1和卤素灯2,所述空心阴极灯1和卤素灯2分别与定标灯控制电路22相连接;所述反射镜系统24包括步进电机5,所述步进电机25与精密平移导轨26相连接,所述精密平移导轨26的两端分别设置有第一限位开关27和第二限位开关28,所述第一限位开关27和第二限位开关28分别通过导线与定标灯控制电路22相连接,所述精密平移导轨26上设置有第一反射镜12。
其中,定标灯控制系统21的作用是:第一,控制反射镜的移入移出操作,第二,控制定标灯的开启和关闭。
定标灯控制电路22用STM32F103C8T6单片机作为核心控制芯片;该定标灯控制电路22系统用12V DC供电,通过ASM1117-5.0和ASM1117-3.3变为5.0V和3.3V供单片机和继电器用;采用USB串口CH340G芯片与电脑通信;采用DRV8825芯片驱动控制步进电机;采用AT24C02串行存储器存储定标灯状态;两个限位开关LIM1和LIM2采用中断单片机进行限位;LAMP1-LAMP4为继电器接口,外接4路5V继电器以控制定标灯开关状态,每一路都可以独立开启和关闭操作,但必须具有唯一性,不能同时开启两个及以上定标灯。
本发明还公开了一种自动光谱观测系统的控制方法,该控制方法以MaxIm DL软件作为自动光谱观测系统控制软件,这是一个集成圆顶、天文望远镜、调焦器、CCD相机和滤光片等控制功能的商业软件;采用标准ASCOM协议,通过ASCOM Platform平台控制CCD相机和定标灯实现自动观测;定标灯实际上采用ASCOM滤光片(FilterWheel)驱动控制,除定标灯外光谱仪Slit和Grism等转换也可由此控制。
如图4所示,包括以下步骤:
步骤1、采用ASCOM滤光片驱动改写定标灯控制代码,每个ASCOM滤光片状态被定义为一个定标灯状态;如Null为关闭所有定标灯,Lamp1为打开空心阴极灯1,Lamp2为打开卤素灯2等,如果光谱仪需要切换Slit和Grism,亦可以作为滤光片状态进行控制;
步骤2、开始观测后,检测是否有观测任务队列,队列不为空则执行以下操作;
步骤3、如果状态为Null,移出第一反射镜12,关闭定标灯23,拍摄目标天体的谱线;
步骤4、如果状态不为Null,移入第一反射镜12,打开相应的定标灯;具体为:
步骤4.1、进行Lamp1操作,选择空心阴极灯1,光谱CCD19拍摄空心阴极灯1的谱线;
步骤4.2、进行Lamp2操作,移入第一反射镜12,选择卤素灯2,光谱CCD19拍摄卤素灯2的谱线;
步骤5、继续进行Lamp操作,自动移入第一反射镜12并选择空心阴极灯1或卤素灯2,至拍摄相应的空心阴极灯1或卤素灯2光谱和目标天体光谱;拍摄完后将相应的空心阴极灯1或卤素灯2光谱和目标天体光谱自动添加定标灯信息到Fits文件中。
步骤7、拍摄完成后检测观测队列是否完成,进行下一轮循环。
根据上述的控制方法,可自动执行光谱观测任务,观测过程如同自动转换滤光片进行测光观测,自动移动反射镜并选择正确的定标灯拍摄相应的定标灯光谱和目标天体的光谱,并且自动添加定标灯信息到Fits文件头中。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例,但如前所述,应当理解发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述发明构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围,则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种自动光谱观测系统,其特征在于,包括光路组件和控制器,所述光路组件包括定标灯(23),所述定标灯(23)包括空心阴极灯(1)和卤素灯(2),沿着空心阴极灯(1)射出的光线上依次设置有第一准直镜(3)、第一滤光片(4)、分光器(5)和第一成像镜(6),沿着卤素灯(2)射出的光线上依次设置有第二准直镜(7)、可移动的碘盒(8)和第二滤光片(9),所述卤素灯(2)射出的光线最终进入分光器(5);所述空心阴极灯(1)射出的光线与卤素灯(2)射出的光线垂直;所述空心阴极灯(1)射出的光线穿过第一成像镜(6)后进入光纤(10),并从光纤(10)出来后依次经过扩焦系统(11)、第一反射镜(12)、狭缝(13)和光谱仪(14),从狭缝(13)处反射的光依次经过第二反射镜(15)和第二成像镜(16)进入控制器;所述第一反射镜(12)的上方为天文望远镜(17),通过所述天文望远镜(17)的星光通过狭缝(13)进入光谱仪(14)。
2.根据权利要求1所述的自动光谱观测系统,其特征在于,所述的控制器包括中央处理器(18),所述的中央处理器(18)分别通过导线连接有光谱仪(14)、光谱CCD(19)、监视CCD(20)和定标灯控制系统(21),从第二成像镜(16)射出的光进入监视CCD(20),所述光谱CCD(19)设置在光谱仪(14)的下方。
3.根据权利要求2所述的自动光谱观测系统,其特征在于,定标灯控制系统(21)包括定标灯控制电路(22),所述的定标灯控制电路(22)通过导线分别连接有定标灯(23)和反射镜系统(24),所述定标灯(23)包括空心阴极灯(1)和卤素灯(2),所述空心阴极灯(1)和卤素灯(2)分别与定标灯控制电路(22)相连接;所述反射镜系统(24)包括步进电机(25),所述步进电机(25)与精密平移导轨(26)相连接,所述精密平移导轨(26)的两端分别设置有第一限位开关(27)和第二限位开关(28),所述第一限位开关(27)和第二限位开关(28)分别通过导线与定标灯控制电路(22)相连接,所述精密平移导轨(26)上设置有第一反射镜(12)。
4.根据权利要求2所述的自动光谱观测系统,其特征在于,所述的中央处理器(18)为个人计算机。
5.一种自动光谱观测系统的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、每个ASCOM滤光片状态被定义为一个定标灯状态;
步骤2、开始观测后,检测是否有观测任务队列;
步骤3、进行Null操作,移出第一反射镜(12),关闭定标灯(23),拍摄目标天体的谱线;
步骤4、移入第一反射镜(12),进行Lamp1操作,选择空心阴极灯(1),拍摄空心阴极灯(1)的谱线;
步骤5、进行Lamp2操作,移入第一反射镜(12),选择卤素灯(2),拍摄卤素灯(2)的谱线;
步骤6、继续进行Lamp操作,自动移入第一反射镜(12)并选择空心阴极灯(1)或卤素灯(2),至拍摄相应的空心阴极灯(1)或卤素灯(2)光谱和目标天体光谱;
步骤7、拍摄完成后检测观测队列是否完成,进行下一轮循环。
6.根据权利要求5所述的自动光谱观测系统,其特征在于,步骤6中拍摄完后将相应的空心阴极灯(1)或卤素灯(2)光谱和目标天体光谱自动添加定标灯信息到Fits文件中。
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