[论文解读] SOUL at LBT: commissioning results, science and future

Enrico Pinna, Fabio Rossi+28 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用 5

一句话总结

本文展示了大型双子望远镜（LBT）上SOUL自适应光学系统在调试、性能表征及未来展望方面的成果，该系统通过采用EMCCD探测器、金字塔波前传感器和先进控制算法，对四个单共轭自适应光学（SCAO）系统进行了升级。关键成果是实现了对较暗自然导星（GRP < 17）的高斯特雷尔比（SR(K) > 20%），首次使NGS-SAO系统具备开展河外天文学研究的能力。

ABSTRACT

The SOUL systems at the Large Bincoular Telescope can be seen such as precursor for the ELT SCAO systems, combining together key technologies such as EMCCD, Pyramid WFS and adaptive telescopes. After the first light of the first upgraded system on September 2018, going through COVID and technical stops, we now have all the 4 systems working on-sky. Here, we report about some key control improvements and the system performance characterized during the commissioning. The upgrade allows us to correct more modes (500) in the bright end and increases the sky coverage providing SR(K)&gt;20% with reference stars G$_{RP}$&lt;17, opening to extragalcatic targets with NGS systems. Finally, we review the first astrophysical results, looking forward to the next generation instruments (SHARK-NIR, SHARK-Vis and iLocater), to be fed by the SOUL AO correction.

研究动机与目标

• 通过采用EMCCD探测器和先进控制算法，对LBT的四个SCAO系统进行升级，以提升性能和天空覆盖范围。
• 实现对较暗自然导星（GRP < 17）的高斯特雷尔比（SR > 20%），将NGS-SAO系统的观测能力拓展至河外目标。
• 在实地调试期间对系统性能进行表征，并验证控制策略的改进效果。
• 通过优化SOUL系统以支持下一代LBT仪器（SHARK-NIR、SHARK-Vis、iLocater），实现高对比度和高精度观测。
• 基于SOUL在控制与性能方面的创新，为未来极大望远镜（E-ELT）SCAO系统提供设计与运行参考。

提出的方法

• 将CCD39替换为Ocam2k EMCCD探测器，以提升帧频（最高达1.7 kHz）并减少环路延迟（2.0 ms）。
• 为倾斜/抖动模式实现无限脉冲响应（IIR）时间滤波器，以抑制120 Hz共振频率下的噪声放大。
• 为高阶模式采用漏积分器，以减少静态残余误差并降低促动器力预算。
• 开发并应用了针对金字塔波前传感器（PWFS）的实时光学增益补偿，以在不同视宁条件下保持一致的环路增益。
• 对所有四个系统进行了实地性能表征，测量了半高全宽（FWHM）和斯特雷尔比随星等和视宁条件的变化。
• 利用AO遥测数据和快速数值工具（如TIPTOP）对PSF进行建模，用于科学数据还原。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于EMCCD的AO系统是否能在SCAO配置下，对较暗自然导星（GRP < 17）实现高斯特雷尔比（SR > 20%）？
• RQ2 如IIR滤波等先进控制策略在高帧频下如何提升AO系统的稳定性和性能？
• RQ3 在实时条件下，金字塔WFS光学增益的变化在多大程度上可被测量并补偿，以维持稳定的校正？
• RQ4 升级后的SOUL系统在不同星等和视宁条件下的实地性能如何？
• RQ5 SOUL系统如何支持下一代仪器（如SHARK-NIR、SHARK-Vis和iLocater）在高对比度和高精度科学中的应用？

主要发现

• SOUL系统在GRP < 17的自然导星上实现了SR(K) > 20%，首次使NGS-SAO系统具备对河外目标进行高空间分辨率观测的能力。
• IIR控制滤波器成功抑制了120 Hz处的噪声放大，减少了共振激发，提升了低频波前校正性能。
• 漏积分器通过最小化因对准偏差引起的静态残余误差，降低了促动器力使用，提升了镜面力预算与系统鲁棒性。
• 系统在所有星等和高达1.0"视宁条件下均保持FWHM低于100 mas，证明了在恶劣条件下的稳定性能。
• SOUL系统提供了高质量的天体物理成果，包括对大质量原恒星、多重活动星系核及超新星的观测，证实了其科学可用性。
• 截至2023年8月，所有四个系统的成功调试标志着重大里程碑，实现了面向全体科研社区的全面开放，并为下一代仪器铺平了道路。