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

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

傳統(tǒng)的望遠鏡監(jiān)測方法使用傳感器讀取并記錄望遠鏡關(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人員停止觀測，該方法可以幫助望遠鏡避免風(fēng)險和輔助維護，但不能實時監(jiān)測望遠鏡性能，維護和運行效率較低，亟需提升。

近日，南京天文光學(xué)技術(shù)研究所參與LAMOST運行維護的研究團隊根據(jù)多年的望遠鏡維護經(jīng)驗，結(jié)合人工智能在各類領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用，提出了一種望遠鏡性能監(jiān)測的新方法。該方法基于望遠鏡終端儀器獲得的星像形狀與望遠鏡性能之間的深刻復(fù)雜的對應(yīng)關(guān)系和最新前沿機器學(xué)習(xí)的相關(guān)算法，可以充分利用望遠鏡獲得的星像進行訓(xùn)練和測試，實現(xiàn)了望遠鏡光學(xué)成像性能的高精度實時監(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)光纖光譜望遠鏡)上進行了大量的測試驗證實驗，取得了很好的實際應(yīng)用效果。

LAMOST是具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)和獨創(chuàng)的世界上最大口徑的大視場望遠鏡(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行維護團隊的努力，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)達到1448萬，發(fā)表SCI論文近700篇。

地基天文望遠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鏡系統(tǒng)的影響，在望遠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)準圓形。不同原因引起的望遠鏡性能不佳產(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時監(jiān)測望遠鏡性能。

機器學(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)分望遠鏡的獲得的像斑形狀。結(jié)合機器學(xué)習(xí)相關(guān)算法，可以通過以下幾步實現(xiàn)望遠鏡性能監(jiān)測，首先對望遠鏡獲得圖片進行分類，篩選出包含亮星的圖片;然后對圖片進行剪切，獲得只包含單顆完整星像的小圖片，使用機器學(xué)習(xí)算法對星像的形狀進行識別，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)合多個相機的星像分類結(jié)果給出最終的原因。

研究團隊使用該方法，對LAMOST性能進行監(jiān)測，實現(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時監(jiān)測，準確率為96.7%，提高了LAMOST的運行維護效率，幫助提高望遠鏡的數(shù)據(jù)質(zhì)量。因為該方法不需要安裝額外的設(shè)備，可以很方便的推廣到其它望遠鏡上。相關(guān)研究成果發(fā)表在《英國皇家天文學(xué)會月刊》(MNRAS)。