中科院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所專業(yè)介紹：天體物理

天體物理(天文儀器與技術(shù))專業(yè)代碼：070401

天文儀器與技術(shù)學(xué)科系天文學(xué)分支學(xué)科之一，是光、機(jī)、電、

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2004-07-02

天體物理(天文儀器與技術(shù))專業(yè)代碼：070401

天文儀器與技術(shù)學(xué)科系天文學(xué)分支學(xué)科之一，是光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)等綜合技術(shù)學(xué)科，天文儀器屬重型精密機(jī)械儀器，其光學(xué)系統(tǒng)包含精度要求很高的非球面光學(xué)鏡面，又要實(shí)現(xiàn)精度高、自動(dòng)化程度高的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，研制難度大、目前世界上只有少數(shù)國(guó)家能獨(dú)立研制。天文儀器包含有恒星物理觀測(cè)儀器、太陽(yáng)物理觀測(cè)儀器、人造衛(wèi)星觀測(cè)儀器、天體物理觀測(cè)儀器、球載與空間觀測(cè)儀器、天文科學(xué)普及觀測(cè)儀器以及各種天文儀器的終端儀器。該學(xué)科主要通過(guò)應(yīng)用現(xiàn)代高新技術(shù)，結(jié)合國(guó)家需求對(duì)用于科學(xué)工程、科學(xué)實(shí)驗(yàn)及國(guó)防建設(shè)各類天文儀器及相關(guān)儀器、技術(shù)的研制和研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)天文儀器與技術(shù)的探索與發(fā)展。本學(xué)科的研究涉及天文學(xué)、應(yīng)用光學(xué)、物理光學(xué)、光學(xué)儀器、光學(xué)測(cè)量、精密機(jī)械、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、自動(dòng)控制、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用等相關(guān)專業(yè)、是一門綜合性的技術(shù)學(xué)科，適宜大學(xué)理工科的上述專業(yè)的學(xué)生報(bào)考。

學(xué)科主要研究方向及其特色如下：

1、天文光學(xué)及天文光學(xué)新技術(shù)　　天文學(xué)是一門實(shí)測(cè)科學(xué)，可以說(shuō)沒有天文儀器和技術(shù)的發(fā)展，就沒有天文學(xué)的發(fā)展。自現(xiàn)代天文學(xué)產(chǎn)生的近四百年來(lái)，天文光學(xué)及新技術(shù)就是天文學(xué)的重要基礎(chǔ)。天文光學(xué)是綜合天文學(xué)和光學(xué)的一門特殊的學(xué)科。它包括研究新概念的天文光學(xué)系統(tǒng)，天文光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主動(dòng)光學(xué)、自適應(yīng)光學(xué)、恒星光干涉等高分辨成像新技術(shù)，大口徑天文非球面的特殊工藝和檢測(cè)技術(shù)、光纖光譜和高分辨光譜技術(shù)。天文光學(xué)及其新技術(shù)是天文望遠(yuǎn)鏡和天文儀器的核心和龍頭。其具體的研究工作如，用科學(xué)的方法去研究、創(chuàng)造新概念的天文光學(xué)系統(tǒng)；運(yùn)用與創(chuàng)新光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)方法并用其優(yōu)化天文光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)；應(yīng)用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)、自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)減輕望遠(yuǎn)鏡的重量及其光學(xué)鏡面的加工難度從而大幅度的降低大型天文儀器的造價(jià)；開展恒星光干涉等高分辨成像技術(shù)的研究，最大限度地提高天文望遠(yuǎn)鏡的空間分辨能力以便進(jìn)一步的觀測(cè)天體的形狀和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)；為了記錄來(lái)自天體的光子信息，從中分析天體的物理和化學(xué)狀態(tài)，所以除了望遠(yuǎn)鏡外，還需發(fā)展其終端附屬儀器和設(shè)備去配合研究，如探測(cè)器、光譜儀等，中國(guó)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的終端設(shè)備是從光度計(jì)、光譜儀開始的，今天依然是天文觀測(cè)的重要手段，光學(xué)光譜包含著遙遠(yuǎn)天體豐富的物理信息，所以發(fā)展多光纖光譜技術(shù)，研制新型的光譜儀仍是一項(xiàng)重要的任務(wù)；光學(xué)成像質(zhì)量是光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的的主要指標(biāo)之一，天文學(xué)的研究需要口徑越來(lái)越大的天文光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡，因此要求天文光學(xué)鏡面的尺寸越來(lái)越大，厚度越來(lái)越薄，非球面度越來(lái)越深，精度越來(lái)越高。發(fā)展大口徑高精度非球面天文鏡面磨制技術(shù)及其檢測(cè)新技術(shù)是本世紀(jì)人類建造大型和巨型天文望遠(yuǎn)鏡的最基本的需要。

南京天光所在積累40多年天文光學(xué)的研究和成功地開展了主動(dòng)光學(xué)研究的基礎(chǔ)上，參加建議和承擔(dān)了國(guó)家重大科學(xué)工程－大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)，突破了光學(xué)材料及加工的限制，使大視場(chǎng)兼大口徑的望遠(yuǎn)鏡在國(guó)際上成為可能。南京天光所的天文光學(xué)及其新技術(shù)在國(guó)內(nèi)遙遙領(lǐng)先，在新概念的天文光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面系屬國(guó)際一流水平。LAMOST建成后，南京天光所的主動(dòng)光學(xué)技術(shù)和光纖光譜技術(shù)將達(dá)到國(guó)際一流水平，大口徑天文非球面技術(shù)在2010年內(nèi)也有望達(dá)到國(guó)際一流水平。

2、大型天文儀器結(jié)構(gòu)　　結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)模擬是目前國(guó)際上流行的先進(jìn)設(shè)計(jì)手段，隨著望遠(yuǎn)鏡的口徑越來(lái)越大，精度要求越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜以及空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)模擬變得必不可少，計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和模擬提高了望遠(yuǎn)鏡的可靠性和精度，大大降低了望遠(yuǎn)鏡的造價(jià)，縮短了研制周期。計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和模擬技術(shù)是使用有限元方法對(duì)望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)、軸系和傳動(dòng)系統(tǒng)、鏡面支撐系統(tǒng)、環(huán)境視寧度、風(fēng)載、震動(dòng)、熱變形等進(jìn)行理論分析和模擬，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果和校正方法。

我所結(jié)合正在承擔(dān)的國(guó)家重大科學(xué)工程項(xiàng)目“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)”、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡(SST)”、中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重大預(yù)研究項(xiàng)目“大射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)預(yù)研究”等開展了多方面有特色的研究。主要內(nèi)容有：

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：對(duì)望遠(yuǎn)鏡桁架結(jié)構(gòu)、鏡室、鏡面支撐系統(tǒng)、軸系和傳動(dòng)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，利用有限元分析方法分析計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

熱變形分析：對(duì)望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)和溫度場(chǎng)分布建立數(shù)學(xué)模型，利用有限元方法分析計(jì)算，得到精確的熱變形變化規(guī)律尋找解決方法和提出望遠(yuǎn)鏡使用環(huán)境要求。

環(huán)境視寧度模擬：通過(guò)模擬溫度場(chǎng)，建立數(shù)學(xué)模型。利用有限元方法分析計(jì)算，尋找解決方法和提出望遠(yuǎn)鏡使用環(huán)境要求。

巨型精密機(jī)械

天文儀器與其他精密機(jī)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(jī)、橋梁、火箭、輪船、汽車一樣要追求結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)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(jī)架及軸系、大口徑超薄光學(xué)鏡面的支撐及高精度面形的維持等，這些與其他光學(xué)儀器和精密機(jī)械相比，要求至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)。可以說(shuō)天文儀器一直在精密儀器與精密機(jī)械中是最前沿的技術(shù)。

天文儀器與巨型精密機(jī)械領(lǐng)域又是多學(xué)科交叉領(lǐng)域，它涉及天文學(xué)、光學(xué)、精密機(jī)械、測(cè)試技術(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、材料工程、信息工程、熱力學(xué)等學(xué)科，它是本本世紀(jì)最富有挑戰(zhàn)的高技術(shù)領(lǐng)域之一。研究領(lǐng)域涉及巨型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、空間望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、巨型精密軸系和低速高精度驅(qū)動(dòng)技術(shù)、超薄光學(xué)鏡面支撐技術(shù)、鏡面拼接技術(shù)、薄鏡面主動(dòng)變形控制技術(shù)、納米微位移驅(qū)動(dòng)技術(shù)、新型材料及加工工藝技術(shù)等。發(fā)展起來(lái)的精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)、納米微位移驅(qū)動(dòng)技術(shù)、高精度力促動(dòng)器技術(shù)等可廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空航天和民用。

南京天光所結(jié)合正在承擔(dān)的國(guó)家重大科學(xué)工程項(xiàng)目“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)”、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡(SST)”、中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重大預(yù)研究項(xiàng)目“大射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)預(yù)研究”等開展了多方面有特色的研究。主要內(nèi)容有：

巨型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：針對(duì)巨型望遠(yuǎn)鏡大尺寸、高精度、低速度的特點(diǎn)，開展新概念、新結(jié)構(gòu)、新工藝研究，集成現(xiàn)有的高新技術(shù)，研究發(fā)展必須的高新技術(shù)。

空間望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：針對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射過(guò)程中的超重、運(yùn)行過(guò)程中的失重、大溫差、輕量化的特點(diǎn)，開展新概念、新結(jié)構(gòu)、新材料新工藝的研究，集成現(xiàn)有的高新技術(shù)，發(fā)展必須的高新技術(shù)。

巨型精密軸系和超精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)：巨型精密軸系的設(shè)計(jì)、加工制造技術(shù)、誤差產(chǎn)生機(jī)理和檢測(cè)方法的研究，低速超精密傳動(dòng)技術(shù)、加工制造技術(shù)、傳動(dòng)誤差產(chǎn)生機(jī)理和檢測(cè)方法的研究。

超薄光學(xué)鏡面支撐技術(shù)：超薄光學(xué)鏡面保形支撐技術(shù)、工藝和方法的研究，包括聯(lián)接接口技術(shù)的研究。

薄鏡面主動(dòng)變形控制技術(shù)：薄鏡面主動(dòng)光學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)之一，包括力促動(dòng)器設(shè)計(jì)、加工工藝、聯(lián)接接口技術(shù)和機(jī)電一體化的研究。

納米微位移驅(qū)動(dòng)技術(shù)：拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)及光干涉延遲線關(guān)鍵技術(shù)之一，機(jī)械式微位移技術(shù)、壓電陶瓷式微位移技術(shù)及機(jī)電一體化研究。

新型材料及加工工藝：新材料在天文儀器上的應(yīng)用(如新反射面材料)、加工工藝、材料特性的研究。

4、計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制技術(shù)　　作為3C時(shí)代 (Computer 計(jì)算機(jī) / Control 控制 / Communication 信息交流)寵兒的計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)是天文儀器所涉及到的主要學(xué)科中發(fā)展最快和最活躍的一門，其應(yīng)用前景無(wú)可限量。一些新穎的天文望遠(yuǎn)鏡總體構(gòu)思別樹一幟，如我所承擔(dān)的國(guó)家重大科學(xué)工程項(xiàng)目LAMOST望遠(yuǎn)鏡就是一例，要求薄鏡面主動(dòng)光學(xué)控制技術(shù)、拼鏡面主動(dòng)光學(xué)控制技術(shù)和高精度機(jī)架跟蹤等多項(xiàng)當(dāng)今天文儀器頂尖控制技術(shù)集中在一塊反射施密特改正板上加以實(shí)現(xiàn)，這種控制集成在國(guó)際天文儀器領(lǐng)域尚無(wú)先例。其中主動(dòng)光學(xué)加力精度控制在0.05%以內(nèi)，最小可控力不超過(guò)50毫牛；而共焦控制位移精度在50納米(RMS)以內(nèi)。這些要求都達(dá)到了當(dāng)代國(guó)際先進(jìn)水平。另外，這架望遠(yuǎn)鏡的跟蹤性能要求經(jīng)導(dǎo)星閉環(huán)、跟蹤3小時(shí)中誤差不超過(guò)0.23角秒(RMS)。這項(xiàng)指標(biāo)將執(zhí)我國(guó)地面天文望遠(yuǎn)鏡跟蹤精度之牛耳，也將使這架望遠(yuǎn)鏡在這一指標(biāo)上跨入國(guó)際水平。所有這些挑戰(zhàn)已歷史地落到了我們計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制工程師的肩上。目前，在天文儀器專家中有一種傾向性的看法，即軟件職能及所占的比例越來(lái)越大，在某些情況下，進(jìn)一步提高機(jī)械精度捉襟見肘，此時(shí)，新穎的軟件校準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。由此，計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)在天文儀器領(lǐng)域的研究中的作用和地位便可見一斑。

本研究方向就是根據(jù)天文儀器研制的總體要求，深入研究相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的理論和方法，應(yīng)用當(dāng)今自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)時(shí)代提供的種種先進(jìn)手段，確保實(shí)現(xiàn)天文儀器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為探索一條適合于我國(guó)國(guó)情的天文儀器控制領(lǐng)域發(fā)展的道路作貢獻(xiàn)，為我國(guó)在天文儀器領(lǐng)域擠入國(guó)際先進(jìn)行列而奮斗。本研究方向所涉及的學(xué)術(shù)內(nèi)容，幾乎可以包羅當(dāng)今世界的各種劃時(shí)代的前沿技術(shù)和理論；諸如，現(xiàn)代控制論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論技術(shù)、微電子理論和技術(shù)、納米技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、嵌入式控制、診斷理論和技術(shù)、面向?qū)ο蟮能浖幊毯涂缙脚_(tái)軟件技術(shù)和系統(tǒng)集成等。

計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，今天的先進(jìn)很快就是明天的落后，我們應(yīng)該審時(shí)度勢(shì)不斷地培養(yǎng)年輕人、以造就適應(yīng)3C時(shí)代發(fā)展需要的新一代控制技術(shù)骨干。

總結(jié)

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