天文望遠(yuǎn)鏡是天文學(xué)家了解宇宙的重要工具，隨著對宇宙的探索越來越深入，對望遠(yuǎn)鏡相關(guān)技術(shù)要求也越來越高。而望遠(yuǎn)鏡是一個包含多個子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，為保障望遠(yuǎn)鏡始終工作在性能最佳狀態(tài)，每次望遠(yuǎn)鏡開始觀測前，維護(hù)人員需要花費(fèi)數(shù)個小時對它的各個子系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，開始觀測后也迫切需要對望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際性能進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

望遠(yuǎn)鏡的性能監(jiān)測指的是在望遠(yuǎn)鏡觀測過程中對望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)性能和指向跟蹤性能的表現(xiàn)進(jìn)行評價。望遠(yuǎn)鏡的性能監(jiān)測系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡性能不佳，能將望遠(yuǎn)鏡性能不佳的原因快速反饋給維護(hù)人員，從而提高望遠(yuǎn)鏡的維護(hù)效率和獲得優(yōu)良的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡監(jiān)測方法使用傳感器讀取并記錄望遠(yuǎn)鏡關(guān)鍵部位的數(shù)值，當(dāng)數(shù)值超過設(shè)置好的閾值時，傳感器會報警警告維護(hù)人員停止觀測，該方法可以幫助望遠(yuǎn)鏡避免風(fēng)險和輔助維護(hù)，但不能實(shí)時監(jiān)測望遠(yuǎn)鏡性能，維護(hù)和運(yùn)行效率較低，亟需提升。

近日，南京天文光學(xué)技術(shù)研究所參與LAMOST運(yùn)行維護(hù)的研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)多年的望遠(yuǎn)鏡維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合人工智能在各類領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，提出了一種望遠(yuǎn)鏡性能監(jiān)測的新方法。該方法基于望遠(yuǎn)鏡終端儀器獲得的星像形狀與望遠(yuǎn)鏡性能之間的深刻復(fù)雜的對應(yīng)關(guān)系和最新前沿機(jī)器學(xué)習(xí)的相關(guān)算法，可以充分利用望遠(yuǎn)鏡獲得的星像進(jìn)行訓(xùn)練和測試，實(shí)現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡光學(xué)成像性能的高精度實(shí)時監(jiān)測，并在我國首個天文類國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST（Large Sky Area Multi-Object Spectroscopic Telescope，大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡）上進(jìn)行了大量的測試驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，取得了很好的實(shí)際應(yīng)用效果。

圖1 LAMOST望遠(yuǎn)鏡

LAMOST是具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)和獨(dú)創(chuàng)的世界上最大口徑的大視場望遠(yuǎn)鏡（王-蘇主動反射施密特系統(tǒng)），打破了國際上大視場和大口徑不能兼得的瓶頸，引領(lǐng)著世界光譜巡天的潮流。LAMOST等效通光口徑3.6-4.9米和視場直徑5度，能同時獲得4000個天體的光譜。2009年建成通過國家驗(yàn)收，自2011年開始先導(dǎo)巡天和正式巡天以來，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行了9年。通過由國家天文臺、南京天光所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海天文臺等單位組成的運(yùn)行維護(hù)團(tuán)隊(duì)的努力，硬件狀態(tài)穩(wěn)定，2019-2020年故障率0.66%，截至到2020年發(fā)布DR7數(shù)據(jù)達(dá)到1448萬，發(fā)表SCI論文近700篇。

地基天文望遠(yuǎn)鏡終端儀器獲得的星像均不可避免地受到大氣擾動和望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的影響，在望遠(yuǎn)鏡性能正常的情況下長時間曝光獲得的星像成圓形高斯輪廓，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡性能不佳時會導(dǎo)致獲得的像斑形狀偏離正常的標(biāo)準(zhǔn)圓形。不同原因引起的望遠(yuǎn)鏡性能不佳產(chǎn)生不同的像斑形狀，因此可以通過終端儀器獲得的像斑形狀去實(shí)時監(jiān)測望遠(yuǎn)鏡性能。

圖2 導(dǎo)星相機(jī)獲得的各種星像形狀統(tǒng)計（第一行為正常觀測星像，占星像的絕大部分）

機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)算法已經(jīng)在很多領(lǐng)域中表現(xiàn)出很好的形狀識別和分類能力，可以用于區(qū)分望遠(yuǎn)鏡的獲得的像斑形狀。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)算法，可以通過以下幾步實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡性能監(jiān)測，首先對望遠(yuǎn)鏡獲得圖片進(jìn)行分類，篩選出包含亮星的圖片；然后對圖片進(jìn)行剪切，獲得只包含單顆完整星像的小圖片，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對星像的形狀進(jìn)行識別，根據(jù)識別出形狀給出造成性能不佳的原因；最后使用概率統(tǒng)計結(jié)合多個相機(jī)的星像分類結(jié)果給出最終的原因。

圖3 望遠(yuǎn)鏡監(jiān)測方法實(shí)現(xiàn)流程圖

研究團(tuán)隊(duì)使用該方法，對LAMOST性能進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了焦面離焦、導(dǎo)星系統(tǒng)、拼接鏡面子鏡偏移、主動光學(xué)性能等故障和問題的實(shí)時監(jiān)測，準(zhǔn)確率為96.7%，提高了LAMOST的運(yùn)行維護(hù)效率，幫助提高望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)質(zhì)量。因?yàn)樵摲椒ú恍枰惭b額外的設(shè)備，可以很方便的推廣到其它望遠(yuǎn)鏡上。相關(guān)研究成果發(fā)表在《英國皇家天文學(xué)會月刊》（MNRAS）。

圖4 在LAMOST望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行性能檢測，實(shí)現(xiàn)了焦面離焦、導(dǎo)星系統(tǒng)、拼接鏡面子鏡偏移、主動光學(xué)性能的實(shí)時監(jiān)測，準(zhǔn)確率為96.7%。