中科院南京天文光学技术研究所专业介绍：天体物理

天体物理(天文仪器与技术)专业代码：070401

天文仪器与技术学科系天文学分支学科之一，是光、机、电、

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2004-07-02

天体物理(天文仪器与技术)专业代码：070401

天文仪器与技术学科系天文学分支学科之一，是光、机、电、计算机等综合技术学科，天文仪器属重型精密机械仪器，其光学系统包含精度要求很高的非球面光学镜面，又要实现精度高、自动化程度高的计算机自动控制，研制难度大、目前世界上只有少数国家能独立研制。天文仪器包含有恒星物理观测仪器、太阳物理观测仪器、人造卫星观测仪器、天体物理观测仪器、球载与空间观测仪器、天文科学普及观测仪器以及各种天文仪器的终端仪器。该学科主要通过应用现代高新技术，结合国家需求对用于科学工程、科学实验及国防建设各类天文仪器及相关仪器、技术的研制和研究，实现对天文仪器与技术的探索与发展。本学科的研究涉及天文学、应用光学、物理光学、光学仪器、光学测量、精密机械、机械设计与制造、自动控制、电子技术、计算机技术及应用等相关专业、是一门综合性的技术学科，适宜大学理工科的上述专业的学生报考。

学科主要研究方向及其特色如下：

1、天文光学及天文光学新技术　　天文学是一门实测科学，可以说没有天文仪器和技术的发展，就没有天文学的发展。自现代天文学产生的近四百年来，天文光学及新技术就是天文学的重要基础。天文光学是综合天文学和光学的一门特殊的学科。它包括研究新概念的天文光学系统，天文光学系统的优化设计，主动光学、自适应光学、恒星光干涉等高分辨成像新技术，大口径天文非球面的特殊工艺和检测技术、光纤光谱和高分辨光谱技术。天文光学及其新技术是天文望远镜和天文仪器的核心和龙头。其具体的研究工作如，用科学的方法去研究、创造新概念的天文光学系统；运用与创新光学自动设计方法并用其优化天文光学系统的像质；应用主动光学技术、自适应光学技术减轻望远镜的重量及其光学镜面的加工难度从而大幅度的降低大型天文仪器的造价；开展恒星光干涉等高分辨成像技术的研究，最大限度地提高天文望远镜的空间分辨能力以便进一步的观测天体的形状和结构细节；为了记录来自天体的光子信息，从中分析天体的物理和化学状态，所以除了望远镜外，还需发展其终端附属仪器和设备去配合研究，如探测器、光谱仪等，中国的光学望远镜的终端设备是从光度计、光谱仪开始的，今天依然是天文观测的重要手段，光学光谱包含着遥远天体丰富的物理信息，所以发展多光纤光谱技术，研制新型的光谱仪仍是一项重要的任务；光学成像质量是光学天文望远镜的的主要指标之一，天文学的研究需要口径越来越大的天文光学/红外望远镜，因此要求天文光学镜面的尺寸越来越大，厚度越来越薄，非球面度越来越深，精度越来越高。发展大口径高精度非球面天文镜面磨制技术及其检测新技术是本世纪人类建造大型和巨型天文望远镜的最基本的需要。

南京天光所在积累40多年天文光学的研究和成功地开展了主动光学研究的基础上，参加建议和承担了国家重大科学工程－大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)，突破了光学材料及加工的限制，使大视场兼大口径的望远镜在国际上成为可能。南京天光所的天文光学及其新技术在国内遥遥领先，在新概念的天文光学系统、光学系统优化设计方面系属国际一流水平。LAMOST建成后，南京天光所的主动光学技术和光纤光谱技术将达到国际一流水平，大口径天文非球面技术在2010年内也有望达到国际一流水平。

2、大型天文仪器结构　　结构优化设计与计算机模拟是目前国际上流行的先进设计手段，随着望远镜的口径越来越大，精度要求越来越高，结构越来越复杂以及空间望远镜的发展，结构优化设计与计算机模拟变得必不可少，计算机优化设计和模拟提高了望远镜的可靠性和精度，大大降低了望远镜的造价，缩短了研制周期。计算机优化设计和模拟技术是使用有限元方法对望远镜结构、轴系和传动系统、镜面支撑系统、环境视宁度、风载、震动、热变形等进行理论分析和模拟，得到优化设计结果和校正方法。

我所结合正在承担的国家重大科学工程项目“大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)”、国家自然科学基金重大项目“空间太阳望远镜(SST)”、中科院知识创新工程重大预研究项目“大射电望远镜(FAST)预研究”等开展了多方面有特色的研究。主要内容有：

结构优化设计：对望远镜桁架结构、镜室、镜面支撑系统、轴系和传动系统建立数学模型，利用有限元分析方法分析计算，优化设计方案。

热变形分析：对望远镜结构和温度场分布建立数学模型，利用有限元方法分析计算，得到精确的热变形变化规律寻找解决方法和提出望远镜使用环境要求。

环境视宁度模拟：通过模拟温度场，建立数学模型。利用有限元方法分析计算，寻找解决方法和提出望远镜使用环境要求。

巨型精密机械

天文仪器与其他精密机械最大的不同是口径越大反而精度要求越高。因此“巨型”的天文仪器不仅要求与高精度的小型仪器一样追求高精度，还与飞机、桥梁、火箭、轮船、汽车一样要追求结构的合理优化及可靠性。另外天文仪器还有许多特殊性，如低速高精度跟踪大型特殊的机架及轴系、大口径超薄光学镜面的支撑及高精度面形的维持等，这些与其他光学仪器和精密机械相比，要求至少高一个数量级。可以说天文仪器一直在精密仪器与精密机械中是最前沿的技术。

天文仪器与巨型精密机械领域又是多学科交叉领域，它涉及天文学、光学、精密机械、测试技术、结构力学、弹性力学、材料工程、信息工程、热力学等学科，它是本本世纪最富有挑战的高技术领域之一。研究领域涉及巨型望远镜结构设计、空间望远镜结构设计、巨型精密轴系和低速高精度驱动技术、超薄光学镜面支撑技术、镜面拼接技术、薄镜面主动变形控制技术、纳米微位移驱动技术、新型材料及加工工艺技术等。发展起来的精密驱动技术、纳米微位移驱动技术、高精度力促动器技术等可广泛应用于国防、航空航天和民用。

南京天光所结合正在承担的国家重大科学工程项目“大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)”、国家自然科学基金重大项目“空间太阳望远镜(SST)”、中科院知识创新工程重大预研究项目“大射电望远镜(FAST)预研究”等开展了多方面有特色的研究。主要内容有：

巨型望远镜结构设计：针对巨型望远镜大尺寸、高精度、低速度的特点，开展新概念、新结构、新工艺研究，集成现有的高新技术，研究发展必须的高新技术。

空间望远镜结构设计：针对空间望远镜发射过程中的超重、运行过程中的失重、大温差、轻量化的特点，开展新概念、新结构、新材料新工艺的研究，集成现有的高新技术，发展必须的高新技术。

巨型精密轴系和超精密驱动技术：巨型精密轴系的设计、加工制造技术、误差产生机理和检测方法的研究，低速超精密传动技术、加工制造技术、传动误差产生机理和检测方法的研究。

超薄光学镜面支撑技术：超薄光学镜面保形支撑技术、工艺和方法的研究，包括联接接口技术的研究。

薄镜面主动变形控制技术：薄镜面主动光学的关键技术之一，包括力促动器设计、加工工艺、联接接口技术和机电一体化的研究。

纳米微位移驱动技术：拼接镜面主动光学及光干涉延迟线关键技术之一，机械式微位移技术、压电陶瓷式微位移技术及机电一体化研究。

新型材料及加工工艺：新材料在天文仪器上的应用(如新反射面材料)、加工工艺、材料特性的研究。

4、计算机与自动控制技术　　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。

计算机和控制技术发展突飞猛进，今天的先进很快就是明天的落后，我们应该审时度势不断地培养年轻人、以造就适应3C时代发展需要的新一代控制技术骨干。