大芯徑光纖出射環(huán)形斑譜線分析*

陳淑鑫，孫偉民，閆 奇，張 瓊，蔣 航

(1. 齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006，2. 哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院纖維集成光學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150006)

從事以光纖作為傳輸介質(zhì)產(chǎn)生環(huán)形光束的研究有文[5]數(shù)值分析偏心入射彎曲光纖的入射光斑偏向光纖內(nèi)側(cè)時(shí)，光斑中間光線數(shù)目明顯減少，出射光斑嚴(yán)重彌散。文[6]采用機(jī)械擾模器改善偏軸角入射影響出射環(huán)形光場(chǎng)。文[7]測(cè)試多目標(biāo)積分視場(chǎng)非中心入射光纖焦比退化得出耦合位置對(duì)出射焦比的影響。文[8]利用光纖振動(dòng)擾模裝置對(duì)10 μm、125 μm和320 μm芯徑的光纖擾模實(shí)驗(yàn)得出70 Hz頻率擾模有效減弱光纖激光散斑。文[9]修正光纖因轉(zhuǎn)動(dòng)和扭曲引起焦比退化而改變的光纖傳輸效率。文[10]測(cè)試偏心入射的出射光斑徑向分布。研究表明光纖出射光場(chǎng)的分布不僅與光路傳輸過程中光纖受到應(yīng)力、彎曲、機(jī)械損傷等因素有關(guān)，還取決于光線入射狀態(tài)，其來源于光纖入射端的耦合包括入射角度、入射點(diǎn)位置以及入射端面的銜接等等。采用晨昏天光對(duì)大視場(chǎng)多光纖維系統(tǒng)進(jìn)行平場(chǎng)后，隨著夜間觀測(cè)對(duì)每根光纖因轉(zhuǎn)動(dòng)和扭曲產(chǎn)生的焦比退化不同產(chǎn)生不同的效率差，使得平場(chǎng)效果變差。本文采用輪廓擬合方法處理二維光纖光譜數(shù)據(jù)，分析光纖出射環(huán)形斑對(duì)天文光譜的影響，討論傳輸角度光纖理論上對(duì)光線傳播的影響，從模式理論的角度探究解釋環(huán)形斑的產(chǎn)生，描述光纖光譜譜線峰值的變化，準(zhǔn)確識(shí)別光譜類型。

1 獲取多目標(biāo)光纖光譜

光纖引入天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)融合大數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)推動(dòng)了天文學(xué)的發(fā)展，多目標(biāo)光譜測(cè)量光纖技術(shù)主要受到光纖的透過率和焦比退化特性的影響，光纖的透過率由光纖種類、制造光纖的材料、使用波長范圍和安裝后光纖的彎曲損耗等因素決定。光纖的焦比退化除了與光纖數(shù)值孔徑等光纖固有參數(shù)有關(guān)之外，還與彎曲、聚焦光束相對(duì)于光纖纖芯的入射偏心角等使用條件有重要關(guān)系。對(duì)光纖的焦比退化特性的分析研究將為多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的觀測(cè)質(zhì)量的改善提供依據(jù)。

1.1 焦比退化

光纖周圍介質(zhì)的折射率為n0，纖芯和包層的折射率分別為n1，n2，光線在纖芯與包層界面處產(chǎn)生全反射，需要滿足條件sinφ≥sinφc=n2/n1(其中φc為臨界角)，光纖全反射臨界角φc約在70°～80°，光纖的數(shù)值孔徑Na定義如下：

(1)

小于孔徑角θmax的光線均能耦合進(jìn)入光纖，若光源入射焦比與θmax對(duì)應(yīng)的焦比大，那么光線都能有效耦合進(jìn)入光纖。當(dāng)光線以θ角入射時(shí)，由于光纖彎曲、應(yīng)力、光纖缺陷等因素造成模式間相互耦合，使能量發(fā)生轉(zhuǎn)移，小角度入射的低階模能量會(huì)耦合到高階模，同樣，較大入射角的高階模也會(huì)向低階模耦合。實(shí)際的出射光束存在發(fā)散，出射光的焦比小于入射光的焦比，產(chǎn)生光纖的焦比退化，理想傳播時(shí)沒有焦比退化效應(yīng)定義如下：

(2)

非理想傳播時(shí)有焦比退化效應(yīng)定義如(3)式：

Fin>Fout，

(3)

其中，f為像面到光纖端面的距離；Din為入射光斑的直徑；Dout為出射光斑的直徑，其特性與光纖長度、芯徑、溫度、光纖端面的平滑程度、彎曲、應(yīng)力、入射焦比Fin、波長、光纖主軸與入射光軸對(duì)準(zhǔn)關(guān)系等多種因素有關(guān)[11]。光纖的數(shù)值孔徑?jīng)Q定耦合的光纖入射角的最大值，當(dāng)θin=θmax時(shí)滿足Fin=Fmax，代入(2)式，得到數(shù)值孔徑與焦比之間的關(guān)系：

(4)

光纖頭研磨、裝載和望遠(yuǎn)鏡上的應(yīng)用使光纖受各種因素影響，同時(shí)實(shí)驗(yàn)裝置也存在系統(tǒng)誤差，使焦比退化測(cè)量精度發(fā)生改變。由(4)式推導(dǎo)出大芯徑光纖焦比退化效應(yīng)相對(duì)于小芯徑光纖的焦比退化效應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)的影響相對(duì)較小。光纖的長度越長、溫度越低時(shí)焦比退化效應(yīng)越大，而相對(duì)于其他影響因素很小。

1.2 郭守敬望遠(yuǎn)鏡光纖光譜儀焦比耦合

我國自主研發(fā)的郭守敬望遠(yuǎn)鏡焦面板上采用芯徑為320 μm的4 000根大芯徑光纖作為星光傳輸介質(zhì)[12]，有效孔徑為3.6～4.9 m，焦距為20 m，視場(chǎng)為5°，焦比為5，光學(xué)系統(tǒng)主要由3部分組成：改正鏡(5.72 m × 4.40 m)、主鏡(6.67 m × 6.05 m)和焦面板。在觀測(cè)過程中改正鏡能夠同步改變它的非球面鏡片取得很好的光學(xué)質(zhì)量。這4 000根光纖在每次變換觀測(cè)天區(qū)時(shí)，均需重新定位，每根光纖都轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度，每根光纖會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)和扭曲情況不同導(dǎo)致焦比退化發(fā)生不同的變化，改變光纖之間的傳輸效率。

在涉農(nóng)資金管理方面，鄉(xiāng)鎮(zhèn)財(cái)政部門并按照“誰主管、誰負(fù)責(zé)”和“誰使用、誰負(fù)責(zé)”的原則，基本制定了監(jiān)管方案，充分調(diào)動(dòng)了各級(jí)各涉農(nóng)部門工作積極性，增強(qiáng)了部門責(zé)任感。在資產(chǎn)管理方面，通過2016年度的全國固定資產(chǎn)清查工作，各個(gè)單位都基本摸清了家底，建立了專門的固定資產(chǎn)臺(tái)賬，制作、粘貼了具有電子識(shí)別功能的條形碼標(biāo)簽，并明確責(zé)任到個(gè)人，確保了資產(chǎn)管理的有序進(jìn)行。在會(huì)計(jì)基礎(chǔ)工作方面，會(huì)計(jì)崗位設(shè)置合理、規(guī)范，印鑒管理合規(guī)，出納崗位設(shè)置分離，銀行預(yù)留印鑒按規(guī)分別保管。在財(cái)政資金管理方面，財(cái)政資金賬戶設(shè)置較好，沒有多頭開戶情況，財(cái)政資金管理完善，票據(jù)管理規(guī)范。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡采用Polymicro公司多模石英光纖型號(hào)為FBP320385415階躍折射率特性光纖，光纖芯徑為320 μm，包層直徑為385 μm，長度為20 m，數(shù)值孔徑為0.22 ± 0.02，光纖的光譜傳光即帶寬范圍275～2 100 nm，光譜覆蓋范圍370～900 nm，通常一組觀測(cè)目標(biāo)需要連續(xù)曝光3次，系統(tǒng)每次曝光由32臺(tái)CCD相機(jī)和16臺(tái)光譜儀生成32幅二維目標(biāo)光譜圖像(紅藍(lán)兩波段各16幅)。采用CCD均為4 k × 4 k，每幅CCD目標(biāo)圖像中記錄250根光纖光譜數(shù)據(jù)，其中有10根光纖獲取天光背景信號(hào)的數(shù)據(jù)。觀測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際天體目標(biāo)信號(hào)形成目標(biāo)光譜圖像過程中需考慮天光背景信號(hào)、雜散光、宇宙射線以及系統(tǒng)噪聲等影響。

2 抽取二維CCD天文光譜

光纖技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模巡天科學(xué)，一次曝光可獲得數(shù)條甚至幾千條光譜，提升了傳統(tǒng)獲取光譜的方法一次曝光只獲得一條光譜的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采集能力。CCD相機(jī)拍攝的天體光纖光譜記錄圖像僅為二維光譜圖像，不能直接使用，需采用相應(yīng)的抽譜方法把二維光譜圖像轉(zhuǎn)換成一維光譜。進(jìn)而從目標(biāo)觀測(cè)圖像中獲得各光纖在各個(gè)波長上的流量值，抽譜精度直接影響光譜后續(xù)處理的質(zhì)量。現(xiàn)結(jié)合郭守敬望遠(yuǎn)鏡CCD光纖光譜圖像的特點(diǎn)研究抽取二維光譜的方法。

2.1 天文光譜處理

望遠(yuǎn)鏡聚焦天體的光，成像到焦面再通過光纖到達(dá)攝譜儀，郭守敬望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)系統(tǒng)獲得的原始二維光纖光譜數(shù)據(jù)主要包括目標(biāo)光譜圖像、本底圖像、平場(chǎng)光譜圖像以及定標(biāo)燈譜圖像。其中主要研究的數(shù)據(jù)是目標(biāo)光譜圖像，其他3類數(shù)據(jù)輔助觀測(cè)用于幫助校正處理目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)處理二維光纖光譜數(shù)據(jù)包括CCD改正、平場(chǎng)改正、宇宙線剔除、目標(biāo)譜抽取、波長定標(biāo)、減天光、流量定標(biāo)等流程。二維光譜色散的方向沿CCD列的方向，二維光譜的空間方向平行于CCD行的方向；光譜對(duì)應(yīng)的波長i表示CCD行號(hào)，j表示CCD列號(hào)，P(i,j)表示處于CCD第i行、第j列的像素。按CCD每一行的流量值順序排列得到一維光譜如圖1。圖中經(jīng)一次拍照的單色光經(jīng)過儀器系統(tǒng)后，CCD成像呈現(xiàn)一幅展寬的輪廓圖，即輪廓圖為光纖在CCD上成像，研究分析獲取的天體信息需要對(duì)每條一維譜線波長定標(biāo)、流量定標(biāo)，讀出一維的波長-流量光譜圖。

圖1 郭守敬望遠(yuǎn)鏡拍攝的二維CCD局部光纖光譜圖
Fig.1 2-D CCD spectrum of local fiber in LAMOST telescope

2.2 孔徑抽譜及優(yōu)化方法

孔徑抽譜方法較簡單，且抽取速度很快，低次多項(xiàng)式曲線表示每一行光譜輪廓的中心曲線，光譜圖像的軌跡波長對(duì)應(yīng)CCD給定的某一行數(shù)值，在軌跡兩側(cè)光譜的徑直方向上，取一個(gè)固定大小的孔徑，選取孔徑范圍[r1,r2]，孔徑越大引入的噪聲越小，Dij為像素P(i,j)的計(jì)數(shù)值，通過選取孔徑內(nèi)流量并評(píng)定權(quán)值，根據(jù)孔徑內(nèi)每個(gè)像素的信噪比，給出對(duì)應(yīng)像素上計(jì)數(shù)的權(quán)重ωij，疊加孔徑內(nèi)沿徑向所有CCD像素的計(jì)數(shù)值Dij與權(quán)重ωij的乘積，信噪比高的P像素其權(quán)重ω越高，該行對(duì)應(yīng)波長處的流量值Fi表示第i行記錄的總流量值定義如下：

(5)

郭守敬望遠(yuǎn)鏡每幅圖像記錄250條光譜，每條光譜圖像之間的間隔大約16個(gè)像素，譜線在同一幅圖上密集排列，每兩條光譜之間存在相互交叉污染。沒有交叉污染的情況下，不引入很大噪聲，孔徑選取越大越好，由于孔徑抽譜方法無法處理這些交叉污染，故引入輪廓擬合法。

2.3 輪廓擬合法

針對(duì)大視場(chǎng)巡天圖1中郭守敬望遠(yuǎn)鏡拍攝的光譜圖像軌跡彎曲，因此2.2節(jié)描述的優(yōu)化孔徑方法很難選取合適的孔徑，誤差較大，并不是一個(gè)理想的抽譜方法。為了準(zhǔn)確地抽取彎曲的多光纖光譜圖像，采用輪廓擬合方法，利用光譜圖像空間輪廓具備相應(yīng)的函數(shù)解析表達(dá)式(如高斯函數(shù)、Voigt函數(shù)、洛倫茲函數(shù)、B樣條等等)輪廓，假設(shè)光譜圖像在空間方向歸一化解析輪廓函數(shù)Φ(c)，則圖1中CCD圖像的第i行，利用(6)式抽譜：

(6)

其中，m為CCD總列數(shù)；Cis為第i行第s條光譜的中心位置；第i行第s條光譜的流量值fis作為調(diào)整歸一化函數(shù)Φ(c)的尺度因子；Dij為第i行第j個(gè)像素的計(jì)數(shù)值；Vij為第i行第j個(gè)像素的計(jì)數(shù)方差。在抽譜過程中CCD不同位置的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(Point Spread Function, PSF)存在較大的輪廓差異，為了消除CCD圖像不同位置處輪廓不同的影響，利用反卷積方法運(yùn)行在高性能運(yùn)算服務(wù)器完成抽譜計(jì)算。

2.4 反卷積方法

由于CCD記錄真實(shí)光譜卷積上儀器輪廓的光譜圖像，圖像處理反卷積法從(6)式中反求C(λ)，從真實(shí)CCD光譜圖像中經(jīng)反卷積，去掉儀器輪廓后得到一維光譜。在2.3節(jié)中單色光點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的波長用矩陣P存儲(chǔ)，向量Dij由CCD上每個(gè)像素的計(jì)數(shù)組成，若只有一條光譜數(shù)據(jù)采用最小二乘法求解一維光譜數(shù)據(jù)，但郭守敬望遠(yuǎn)鏡同時(shí)記錄250條數(shù)據(jù)，矩陣規(guī)模較大，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)尚未采用此方法。

3 探究天文光纖出射斑

郭守敬望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)獲得二維光纖光譜，數(shù)據(jù)處理輸入原始目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)時(shí)，依次按順序減本底處理、宇宙射線檢測(cè)與剔除、光纖追跡、波長定標(biāo)和光纖效率改正處理。望遠(yuǎn)鏡在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，處于焦平面和光譜儀之間的光纖部分產(chǎn)生彎曲形變，同時(shí)如果來自望遠(yuǎn)鏡的光束匯聚中心未對(duì)準(zhǔn)光纖的主軸，焦比退化效應(yīng)就隨之發(fā)生變化，較大地影響光譜儀的接收效果。本節(jié)主要分析在望遠(yuǎn)鏡定位系統(tǒng)中光纖受到一定程度的擠壓和彎曲，利用實(shí)際觀測(cè)的帶有發(fā)射線的光譜與實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的模擬環(huán)形斑的響應(yīng)進(jìn)行卷積，從而模擬這種退化效應(yīng)對(duì)光譜譜線輪廓造成的影響，形成假的雙峰結(jié)構(gòu)，影響光纖中光線的傳輸。

3.1 實(shí)驗(yàn)偏心入射環(huán)形斑

當(dāng)光照射到光纖端面時(shí)，最理想的狀態(tài)是入射光主光線與光纖端面所在平面垂直，此時(shí)入射光主光線與光纖軸線平行，或者說夾角為0°，如果主光線正好落在光纖軸心上，則稱為光線正入射。若光纖端面以及入射光線的機(jī)械調(diào)節(jié)等原因使入射光線有一定的角度偏差時(shí)，根據(jù)1.1節(jié)偏斜入射的分析，光從不同角度入射光纖會(huì)激勵(lì)產(chǎn)生不同模式，光纖出射斑隨模式改變而變化。

實(shí)驗(yàn)中采用氦氖(He-Ne)激光器作為光源[13]，有效控制入射光纖的線性度，方便精確控制入射位置和角度，使其能量集中，方向性好，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2，激光經(jīng)出射擴(kuò)束準(zhǔn)直處理后，匯聚到光纖端面，在透鏡后側(cè)放置小孔光闌(口徑大小為500 μm)，將濾過激光器出射光斑的雜散光，使照在光纖端面的光規(guī)則均勻。光纖端面放置在角度旋轉(zhuǎn)臺(tái)的中心位置，此處分別調(diào)節(jié)左右方向旋轉(zhuǎn)光纖時(shí)，確保光纖與入射光夾角從0°到90°之間的光束一直照射在光纖端面，光纖端面保持處于角度旋轉(zhuǎn)臺(tái)的中心位置。

圖2 偏斜入射實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)光路圖
Fig.2 Optical path diagram design of deflection incidence experiment

實(shí)驗(yàn)采用的光纖長度5 m，測(cè)試裝置設(shè)備實(shí)物圖如圖3，光纖(a)固定在角度旋轉(zhuǎn)臺(tái)(c)上，調(diào)整光路高度將光纖連同角度旋轉(zhuǎn)臺(tái)的位置固定，為了便于光束以及光纖端面的位置粗調(diào)，如圖3在旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心處放置一根細(xì)針，如果激光束射到針尖，表明激光光束大致經(jīng)過旋轉(zhuǎn)臺(tái)的中心位置，再粗調(diào)激光器的水平高度及前后俯仰，使激光器出射光線與光纖端面垂直，確保光線沿光纖軸方向入射。轉(zhuǎn)動(dòng)角度旋轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整光纖與入射光的夾角，確定光纖接收光的角度范圍，當(dāng)光纖端面沒處于角度旋轉(zhuǎn)臺(tái)的中心位置時(shí)，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臺(tái)左右旋轉(zhuǎn)角度，看光纖與入射光夾角從0°到90°時(shí)光束是否一直照射在光纖端面上，保證光纖端面反射光從小孔中返回。放置小孔光闌(直徑500 μm)如圖3(b)能濾過激光器出射光斑的雜散光，使射入光纖端面的光均勻規(guī)則。激光器出射端加裝光強(qiáng)衰減片后，調(diào)整光纖的接收光強(qiáng)到合適的程度 。通過CCD (型號(hào)為TE-9361S)觀察光纖出射端光斑，出射端面與CCD接收屏之間無間距，計(jì)算機(jī)相連CCD，采集卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，記錄光纖出射端的出射光斑，并得出數(shù)值孔徑。

圖3 偏斜入射實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備實(shí)物圖

(a) 光纖; (b) 小孔光闌; (c) 角度旋轉(zhuǎn)臺(tái); (d) 顯微鏡

Fig.3 Equipment diagram of deflection incident experiment

(a) Fiber; (b) Aperture; (c) Angle rotation stage; (d) Microscope

3.2 采集遠(yuǎn)場(chǎng)出射斑圖像

實(shí)驗(yàn)用的光纖數(shù)值孔徑為Na=0.22 ± 0.02，根據(jù)數(shù)值孔徑和入射角關(guān)系(1)式計(jì)算出光線能夠耦合進(jìn)入光纖的最大入射角在11.5°～13.6°之間，如圖4(a)的中心圓斑，增大入射角度，光纖出射光斑直徑逐漸變大，亮度逐漸減弱，角度增加到8°左右時(shí)，出射光斑相對(duì)于邊緣亮度，中心出現(xiàn)暗區(qū)，光纖出現(xiàn)出射環(huán)形斑，入射角增加到10°左右時(shí)，如圖4(b)的環(huán)形斑，隨著旋轉(zhuǎn)角度增大環(huán)形斑也逐漸增大，呈現(xiàn)向外擴(kuò)散狀。當(dāng)入射角旋轉(zhuǎn)到12°～14°時(shí)光斑亮度大幅度下降，幾乎達(dá)到消光的光斑臨界旋轉(zhuǎn)角為15°，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合理論計(jì)算值。光斑的亮度證實(shí)，當(dāng)入射光與光纖入射角范圍內(nèi)激勵(lì)光纖的高階模式，增大入射光與光纖的夾角，低階模的能量逐漸向高階模耦合，光纖傳播的總能量逐漸分散并減小，直至完全消失。

圖4 光纖出射光斑示意圖。(a) 中心圓斑；(b) 環(huán)形斑
Fig.4 Schematic diagram of optical fiber spot. (a) Center circular spot; (b) Annular spot

從LAMOST DR2中選取光譜除巴爾末系列發(fā)射特征還包含金屬發(fā)射，實(shí)驗(yàn)抽取LAMOST星表命名Designation為J015 650.77 + 574 037.6，赤經(jīng)為29.211 578，赤緯為57.677 124。J043 857.45 + 542 226.8，赤經(jīng)為69.739 404，赤緯為54.374 115。該譜線為恒星B6類型光譜，若目標(biāo)觀測(cè)圖像中存在噪聲將嚴(yán)重影響光纖的實(shí)際輪廓，抽譜過程的關(guān)鍵是參數(shù)采樣點(diǎn)的選取范圍。實(shí)驗(yàn)選取LAMOST紅端長波長CCD對(duì)應(yīng)的波段500～600 nm，如圖5。從譜線檢測(cè)3條FeII線峰值對(duì)應(yīng)波長501.8 nm、516.9 nm、531.7 nm，用藍(lán)色虛線標(biāo)注，由于望遠(yuǎn)鏡采用320 μm芯徑的光纖在CCD上占10個(gè)像素，對(duì)應(yīng)寬度0.84 nm，即紅端每個(gè)像素為0.084 nm。

圖5 抽取LAMOST J043 857.45 + 542 226.8紅端CCD對(duì)應(yīng)501.8 nm處波段波長
Fig.5 Extraction LAMOST J043857.45 + 542226.8 red CCD corresponding wavelength at 501.8nm band wave

讀取實(shí)際觀測(cè)的帶有發(fā)射線的圖5光譜數(shù)據(jù)環(huán)形斑圖像成一維譜線并平滑，如圖6，最近鄰插值采樣49個(gè)樣本點(diǎn)(圖6(b))作為光斑模板，用該模板對(duì)圖5光譜501.8 nm處每一點(diǎn)周圍49點(diǎn)對(duì)應(yīng)光譜強(qiáng)度反卷積后模擬這種退化效應(yīng)對(duì)光譜譜線輪廓造成的影響，得到FeII發(fā)射線峰值數(shù)據(jù)的假雙峰結(jié)構(gòu)如圖7。

圖6 環(huán)形光斑平滑采樣處理。(a) 讀取環(huán)形光斑平滑曲線圖; (b) 取樣49個(gè)點(diǎn)環(huán)形斑模板
Fig.6 Smoothing sample processing annular spot
(a) Reading smoothing chart of annular spot; (b) Take a sample of 49 circular annular spots

圖7 反卷積處理峰值數(shù)據(jù)。(a) FeII線501.8 nm處環(huán)形斑產(chǎn)生雙峰圖像; (b) 處理環(huán)形斑后的峰值圖像
Fig.7 Deconvolution processing peak data
(a) Bimodal image of annular spot at 501.8nm of FeII line; (b) Processing peak image of annular spot

3.3 LAMOST消除環(huán)形斑

上述實(shí)驗(yàn)采集的遠(yuǎn)場(chǎng)出射斑表明，波長定標(biāo)燈安放在不同位置會(huì)影響波長定標(biāo)，若直接照射主鏡時(shí)經(jīng)反射后的光線射入光纖的入射角度產(chǎn)生出射斑貌，巡天觀測(cè)時(shí)在主鏡前懸掛平場(chǎng)漫反射屏后，可消除上述入射角度偏差引起的環(huán)形斑，如圖8。試運(yùn)行巡天燈譜出射斑，如圖8(a)，當(dāng)直接照射主鏡時(shí)可形成各種出射斑，經(jīng)過主鏡反射后的光線進(jìn)入光纖的入射角度不同，燈譜發(fā)射線像斑會(huì)產(chǎn)生形狀復(fù)雜的環(huán)，引入不同的光纖和光譜儀計(jì)算斑的位置，入射角度誤差也不一致。在主鏡前懸掛平場(chǎng)漫反射屏測(cè)試如圖8(b)，主鏡放置幕布照射燈譜出射斑較規(guī)則，觀測(cè)中不直接照射主鏡拍攝波長定標(biāo)燈譜，而是采用在主鏡前懸掛平場(chǎng)反射屏的方式消除環(huán)形斑。

圖8 主鏡懸掛平場(chǎng)漫反射屏消除環(huán)形斑對(duì)比。(a) 試運(yùn)行巡天燈譜出射斑; (b) 主鏡放置幕布照射燈譜
Fig.8 Comparison of main mirror Mb when using a suspended flat diffuse screen to eliminate annular spot
(a) Lamp spectrum of the spot in commissioning survey; (b) Lamp spectrum of main mirror Mb when placing screen irradiation

4 結(jié) 論

本文研究郭守敬望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中光纖的傳輸性能，分析了望遠(yuǎn)鏡中大芯徑光纖出射環(huán)形斑的產(chǎn)生機(jī)制，采用輪廓擬合方法處理二維光纖光譜數(shù)據(jù)，擬合天文光譜與光纖出射環(huán)形斑的譜線峰值圖像，減少直接照射主鏡時(shí)焦比退化效應(yīng)的影響。在巡天觀測(cè)過程中，利用主鏡前懸掛平場(chǎng)漫反射屏，消除光纖出射環(huán)形斑貌，且二維光譜圖像發(fā)射線輪廓沒出現(xiàn)環(huán)形斑，進(jìn)而確保正確的光譜分析及譜線的識(shí)別工作。