LAMOST实现光纤定位检测系统的升级改造并成功运行

LAMOST在国际上是首个将中国自主创新的分区并行可控光纤定位技术应用于大规模光谱巡天的望远镜，光纤定位技术也成为了LAMOST两个核心关键技术之一，它要求 4000 根光纤在较短的时间内精确对准各自的观测目标，这为LAMOST成为世界上光谱获取量最大的天文望远镜起到了关键性作用。LAMOST成功运行以来，世界上一大批有影响力的天文望远镜借鉴LAMOST光纤定位技术开始进行多目标光谱观测。然而，国际上最新的大规模光纤光谱巡天都采用了闭环的检测系统来实现对光纤的实时控制，相比之前的开环检测系统，闭环检测系统不仅提升了光纤运行的稳定性，而且提高了光纤定位精度和望远镜巡天效率。LAMOST的光纤定位检测系统也亟需实现从开环到闭环的升级改造和技术突破。  

2019年，国家天文台LAMOST运行和发展中心与中国科大的LAMOST光纤定位工作组合作，申请了中国科学院国家重大科技基础设施的维修改造项目《LAMOST光纤定位检测系统升级改造》，该项目于2020年正式启动。为了保证项目的顺利开展并尽量减少对望远镜正常巡天工作的影响，项目组首先在实验室搭建了包含一个相机和一个距离20米含有306根光纤的小焦面实验系统，并在这个中间实验系统上完成了闭环软件的建设和闭环走位精度的验证。经过3年夜以继日的奋战和技术攻关，项目组克服了疫情带来的人员隔离以及北京、兴隆和合肥三地往返的重重困难，2023年初在兴隆观测现场完成了LAMOST光纤定位闭环检测系统的全部搭建。  

项目负责人张昊彤研究员带领团队在兴隆观测现场对新安装的光纤定位闭环检测系统进行了长达一年多的调试和优化，陆续解决了相机的数据传输、焦面不同姿态下的检测、不同相机间的拼接和光纤定位的逐次逼近时间等一系列技术难题。最终项目组成功实现了LAMOST光纤定位的闭环控制，达到了项目要求的技术指标，即LAMOST光纤定位检测精度提高到0.2角秒（2σ），光纤闭环定位精度达到0.4角秒（2σ），闭环光纤定位时间小于10分钟。项目于近日顺利通过了中国科学院对LAMOST光纤定位检测系统升级改造项目的工艺验收。   

新系统自2024年1月正式应用到LAMOST的观测运行以来，运行状态高效稳定。LAMOST正式巡天的统计结果表明新安装的光纤定位闭环检测系统可以在平均8分44秒内将97.7%以上的光纤定位在0.4角秒之内。这个光纤定位精度相当于1/8的光纤直径（LAMOST的光纤直径约为3.3角秒）。通俗而言，新的光纤定位闭环检测系统相当于实现了在20米外可以控制LAMOST光纤单元走到大约2/3头发丝粗细的范围之内（人类发丝的粗细约为60微米）。与之前的光纤定位开环检测系统相比，系统的平均效率可以提升20%左右，大大提升了光纤定位的精度。  

  
图 1 光纤检测相机在主镜MB周围的安装位置（左）及对应相机在焦面上覆盖的区域分布（右）。  

LAMOST光纤定位闭环检测系统由光纤定位检测相机，光纤背照和光纤前照及相应的软件系统共同组成。7台光纤定位检测相机分布在主镜MB的周围（如图1），在距离焦面20米的地方对光纤位置进行测量，光纤背照系统从光谱仪端点照亮光纤，通过对发光光纤的照相测量，可以准确知道光纤的位置，比较测量位置与目标位置的差异，控制光纤逐步逼近目标位置，实现精确光纤定位。而前照系统可以从焦面端照亮光纤定位单元的机械结构，通过机器学习算法对光纤机械结构进行识别，可以辅助背照图像识别正确的光纤单元和判断光纤单元的机械结构之间是否发生碰撞。 

项目组成员知重负重，攻坚克难，苦干实干，成功实现了LAMOST光纤定位检测系统的升级和运行，从而减少了光纤之间的碰撞及故障，大大节省了维护时间，显著提高了光纤定位精度和观测效率，为保持LAMOST的国际领先地位以及铸就新的科学辉煌打赢了一场关键核心技术的攻坚战。

  
图 2. 2024年1月14日LAMOST巡天观测的星等流量关系图。上图为正式巡天天区，采用开环光纤定位控制。下图为在紧跟该天区之后拍的闭环光纤定位测试天区。图中每个小图代表一个光谱仪。