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研究生教育

学科、專業介紹

   天體物理(天文儀器與技術)專業代碼:070401
  天文儀器與技術學科系天文學分支學科之一,是光、機、電、計算機等綜合技術學科,天文儀器屬重型精密機械儀器,其光學系統包含精度要求很高的非球面光學鏡面,又要實現精度高、自動化程度高的計算機自動控制,研制難度大、目前世界上只有少數國家能獨立研制。天文儀器包含有恒星物理觀測儀器、太陽物理觀測儀器、人造衛星觀測儀器、天體物理觀測儀器、球載與空間觀測儀器、天文科學普及觀測儀器以及各種天文儀器的終端儀器。該學科主要通過應用現代高新技術,結合國家需求對用于科學工程、科學實驗及國防建設各類天文儀器及相關儀器、技術的研制和研究,實現對天文儀器與技術的探索與發展。本學科的研究涉及天文學、應用光學、物理光學、光學儀器、光學測量、精密機械、機械設計與制造、自動控制、電子技術、計算機技術及應用等相關專業、是一門綜合性的技術學科,適宜大學理工科的上述專業的學生報考。
    
  學科主要研究方向及其特色如下:
 
  1、天文光學及天文光學新技術
  天文學是一門實測科學,可以說沒有天文儀器和技術的發展,就沒有天文學的發展。自現代天文學産生的近四百年來,天文光學及新技術就是天文學的重要基礎。天文光學是綜合天文學和光學的一門特殊的學科。它包括研究新概念的天文光學系統,天文光學系統的優化設計,主動光學、自適應光學、恒星光幹涉等高分辨成像新技術,大口徑天文非球面的特殊工藝和檢測技術、光纖光譜和高分辨光譜技術。天文光學及其新技術是天文望遠鏡和天文儀器的核心和龍頭。其具體的研究工作如,用科學的方法去研究、創造新概念的天文光學系統;運用與創新光學自動設計方法並用其優化天文光學系統的像質;應用主動光學技術、自適應光學技術減輕望遠鏡的重量及其光學鏡面的加工難度從而大幅度的降低大型天文儀器的造價;開展恒星光幹涉等高分辨成像技術的研究,最大限度地提高天文望遠鏡的空間分辨能力以便進一步的觀測天體的形狀和結構細節;爲了記錄來自天體的光子信息,從中分析天體的物理和化學狀態,所以除了望遠鏡外,還需發展其終端附屬儀器和設備去配合研究,如探測器、光譜儀等,中國的光學望遠鏡的終端設備是從光度計、光譜儀開始的,今天依然是天文觀測的重要手段,光學光譜包含著遙遠天體豐富的物理信息,所以發展多光纖光譜技術,研制新型的光譜儀仍是一項重要的任務;光學成像質量是光學天文望遠鏡的的主要指標之一,天文學的研究需要口徑越來越大的天文光學/紅外望遠鏡,因此要求天文光學鏡面的尺寸越來越大,厚度越來越薄,非球面度越來越深,精度越來越高。發展大口徑高精度非球面天文鏡面磨制技術及其檢測新技術是本世紀人類建造大型和巨型天文望遠鏡的最基本的需要。
  南京天光所在積累40多年天文光學的研究和成功地開展了主動光學研究的基礎上,參加建議和承擔了國家重大科學工程-大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡(LAMOST),突破了光學材料及加工的限制,使大視場兼大口徑的望遠鏡在國際上成爲可能。南京天光所的天文光學及其新技術在國內遙遙領先,在新概念的天文光學系統、光學系統優化設計方面系屬國際一流水平。LAMOST建成後,南京天光所的主動光學技術和光纖光譜技術將達到國際一流水平,大口徑天文非球面技術在2010年內也有望達到國際一流水平。
 
  2、大型天文儀器結構
  結構優化設計與計算機模擬是目前國際上流行的先進設計手段,隨著望遠鏡的口徑越來越大,精度要求越來越高,結構越來越複雜以及空間望遠鏡的發展,結構優化設計與計算機模擬變得必不可少,計算機優化設計和模擬提高了望遠鏡的可靠性和精度,大大降低了望遠鏡的造價,縮短了研制周期。計算機優化設計和模擬技術是使用有限元方法對望遠鏡結構、軸系和傳動系統、鏡面支撐系統、環境視甯度、風載、震動、熱變形等進行理論分析和模擬,得到優化設計結果和校正方法。
  我所結合正在承擔的國家重大科學工程項目“大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡(LAMOST)”、國家自然科學基金重大項目“空間太陽望遠鏡(SST)”、中科院知識創新工程重大預研究項目“大射電望遠鏡(FAST)預研究”等開展了多方面有特色的研究。主要內容有:
  1. 結構優化設計:對望遠鏡桁架結構、鏡室、鏡面支撐系統、軸系和傳動系統建立數學模型,利用有限元分析方法分析計算,優化設計方案。
  2. 熱變形分析:對望遠鏡結構和溫度場分布建立數學模型,利用有限元方法分析計算,得到精確的熱變形變化規律尋找解決方法和提出望遠鏡使用環境要求。
  3. 環境視甯度模擬:通過模擬溫度場,建立數學模型。利用有限元方法分析計算,尋找解決方法和提出望遠鏡使用環境要求。
 
  3、巨型精密機械
  天文儀器與其他精密機械最大的不同是口徑越大反而精度要求越高。因此“巨型”的天文儀器不僅要求與高精度的小型儀器一樣追求高精度,還與飛機、橋梁、火箭、輪船、汽車一樣要追求結構的合理優化及可靠性。另外天文儀器還有許多特殊性,如低速高精度跟蹤大型特殊的機架及軸系、大口徑超薄光學鏡面的支撐及高精度面形的維持等,這些與其他光學儀器和精密機械相比,要求至少高一個數量級。可以說天文儀器一直在精密儀器與精密機械中是最前沿的技術。
  天文儀器與巨型精密機械領域又是多學科交叉領域,它涉及天文學、光學、精密機械、測試技術、結構力學、彈性力學、材料工程、信息工程、熱力學等學科,它是本本世紀最富有挑戰的高技術領域之一。研究領域涉及巨型望遠鏡結構設計、空間望遠鏡結構設計、巨型精密軸系和低速高精度驅動技術、超薄光學鏡面支撐技術、鏡面拼接技術、薄鏡面主動變形控制技術、納米微位移驅動技術、新型材料及加工工藝技術等。發展起來的精密驅動技術、納米微位移驅動技術、高精度力促動器技術等可廣泛應用于國防、航空航天和民用。
  南京天光所結合正在承擔的國家重大科學工程項目“大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡(LAMOST)”、國家自然科學基金重大項目“空間太陽望遠鏡(SST)”、中科院知識創新工程重大預研究項目“大射電望遠鏡(FAST)預研究”等開展了多方面有特色的研究。主要內容有:
  1. 巨型望遠鏡結構設計:針對巨型望遠鏡大尺寸、高精度、低速度的特點,開展新概念、新結構、新工藝研究,集成現有的高新技術,研究發展必須的高新技術。
  2. 空間望遠鏡結構設計:針對空間望遠鏡發射過程中的超重、運行過程中的失重、大溫差、輕量化的特點,開展新概念、新結構、新材料新工藝的研究,集成現有的高新技術,發展必須的高新技術。
  3. 巨型精密軸系和超精密驅動技術:巨型精密軸系的設計、加工制造技術、誤差産生機理和檢測方法的研究,低速超精密傳動技術、加工制造技術、傳動誤差産生機理和檢測方法的研究。
  4. 超薄光學鏡面支撐技術:超薄光學鏡面保形支撐技術、工藝和方法的研究,包括聯接接口技術的研究。
  5. 薄鏡面主動變形控制技術:薄鏡面主動光學的關鍵技術之一,包括力促動器設計、加工工藝、聯接接口技術和機電一體化的研究。
  6. 納米微位移驅動技術:拼接鏡面主動光學及光幹涉延遲線關鍵技術之一,機械式微位移技術、壓電陶瓷式微位移技術及機電一體化研究。
  7. 新型材料及加工工藝:新材料在天文儀器上的應用(如新反射面材料)、加工工藝、材料特性的研究。
 
  4、計算機與自動控制技術
  作为3C时代 (Computer 计算机 / Control 控制 / Communication 信息交流)宠儿的计算机技术和自动控制技术是天文仪器所涉及到的主要学科中发展最快和最活跃的一门,其应用前景无可限量。一些新颖的天文望远镜总体构思别树一帜,如我所承担的国家重大科学工程项目LAMOST望远镜就是一例,要求薄镜面主动光学控制技术、拼镜面主动光学控制技术和高精度机架跟踪等多项当今天文仪器顶尖控制技术集中在一块反射施密特改正板上加以实现,这种控制集成在国际天文仪器领域尚无先例。其中主动光学加力精度控制在0.05%以内,最小可控力不超过50毫牛;而共焦控制位移精度在50纳米(RMS)以内。这些要求都达到了当代国际先进水平。另外,这架望远镜的跟踪性能要求经导星闭环、跟踪3小时中误差不超过0.23角秒(RMS)。这项指标将执我国地面天文望远镜跟踪精度之牛耳,也将使这架望远镜在这一指标上跨入国际水平。所有这些挑战已历史地落到了我们计算机和自动控制工程师的肩上。目前,在天文仪器专家中有一种倾向性的看法,即软件职能及所占的比例越来越大,在某些情况下,进一步提高机械精度捉襟见肘,此时,新颖的软件校准技术应运而生。由此,计算机技术和自动控制技术在天文仪器领域的研究中的作用和地位便可见一斑。
  本研究方向就是根据天文仪器研制的总体要求,深入研究相关的计算机技术和自动控制技术的理论和方法,应用当今自动化和计算机时代提供的种种先进手段,确保实现天文仪器的设计目标,为探索一条适合于我国国情的天文仪器控制领域发展的道路作贡献,为我国在天文仪器领域挤入国际先进行列而奋斗。本研究方向所涉及的学术内容,几乎可以包罗当今世界的各种划时代的前沿技术和理论;诸如,现代控制论、神经网络理论技术、微电子理论和技术、纳米技术、分布式数据库、嵌入式控制、诊断理论和技术、面向对象的软件编程和跨平台软件技术和系统集成等。
  計算機和控制技術發展突飛猛進,今天的先進很快就是明天的落後,我們應該審時度勢不斷地培養年輕人、以造就適應3C時代發展需要的新一代控制技術骨幹。