No description available.

This thesis describes the author's research in the field of Real-Time Control (RTC) for Adaptive Optics (AO) instrumentation. The research encompasses experiences and knowledge gained working in the area of RTC on astronomical instrumentation projects whilst at the Optical Science Laboratories (OSL), University College London (UCL), the Isaac Newton Groups of Telescopes (ING) and the Centre for Advanced Instrumentation (СfAI), Durham University. It begins by providing an extensive introduction to the field of Astronomical Adaptive Optics covering Image Correction Theory, Atmospheric Theory, Control Theory and Adaptive Optics Component Theory. The following chapter contains a review of the current state of world wide AO instruments and facilities. The Nasmyth Adaptive Optics Multi-purpose Instrument (NAOMI), the common user AO facility at the 4.2 William Herschel Telescope (WHT), is subsequently described. Results of NAOMI component characterisation experiments are detailed to provide a system understanding of the improvement optimisation could offer. The final chapter investigates how upgrading the RTCS could increase NAOMI'S spatial and temporal performance and examines the RTCS in the context of Extremely Large Telescope (ELT) class telescopes.

No description available.

Astronomical telescopes operate in a dynamic and uncertain operational environment. Time is often oversubscribed with programs competing for available slots and the best observing conditions. In order to achieve a high scientific return a scheduler must be able to create a globally optimal observing schedule. In dynamic environments any offline or static schedule will become rapidly out-of- date, thus iterative repair based or dynamic despatch scheduling is the preferred option being able to respond quickly to such changes. Dynamic despatch suffers from myopism. Long term global aims are usurped in favor of local optimization, namely what is best to do right now. Using data collected from external and embedded instrumentation I investigate and characterize the scheduler's operating environment and investigate tech- niques for short term prediction. I investigate metrics for characterizing the value of schedules both locally (at the decision point) and over longer horizons. Using this information an extensible software architecture is designed incorporating a simulation framework to allow a variety of schedulers to be implemented. Experiments are performed using the scheduler component architecture and simulation framework to determine the effects on schedule quality of environmental stability, disruptive events and reliability of prediction under a range of load conditions. Ultimately these show that where conditions are relatively stable there is an advantage to using longer look-ahead horizons but that where conditions are unstable or disruptive a basic despatch scheduler achieves results as good or better. A look-ahead scheduler with a horizon of 4 hours can give an improvement of upto 26% over a simple despatch scheduler when seeing remains stable over a period of up to 6 hours. When the loading is high, further experiments show that look-ahead schedulers can achieve better quality than despatching. As load (measured by con- tention) is increased from 1 to 25 (a reasonable range), performance of a despatcher increases by upto 17% while for a look-ahead scheduler with 4 hour horizon it can increase by upto 23%. In the experiments the look-ahead scheduler has an advantage of between 10% and 14% over the despatcher over this range of loads. Under disruptive conditions (breaks in the normal execution of the schedule) due to weather or mechanical problems, it was found that a large number of small disruptions has a more negative effect on schedule quality than a few long events. The despatcher was unaffected by these disruptions while the look-ahead sched- uler under-performed by as much as 11 % relative to the despatcher and upto 22% relative to its own performance under non-disruptive conditions which were typ- ically 14% better than the despatcher. When new observations are being added to the pool during schedule execution it was found that a look-ahead scheduler could loose out on the potential gains of adding high quality observations if the lead-time for these observations was small compared to the scheduler's look-ahead horizon. Typically the highest gain occurs where the lead-time is of the order of the look-ahead horizon. The amount of gain also decreases for longer horizons. This loss can be up to 40% for long (4 hour) horizon and as little as a few percent for a horizon of 30 minutes. For very short lead-time observations, the loss of potential reward can increases for longer horizons. For a 4 hour horizon as much as 80% of the potential gain can be lost. Under such conditions, the addition of a sequestration mechanism by means of which newly arriving high quality urgent observations can be added into an executing schedule are shown to improve the performance of look-ahead schedulers by upto 8.8% with a look-ahead horizon of 4 hours but with little effect for shorter horizons. Further experiments have shown that when determining the length of look- ahead horizon, if we either over or under-estimate the duration of stable con- ditions we obtain poorer results. When the stability length is severely under- estimated a loss of between 5% and 17% in quality was found to occur. The optimum situation appears to be when the horizon is of order the stability length. Where the stability length is over-estimated by a factor 2, a loss of 5% to 10% can occur.

The work presented in this thesis provides an account of the assembly, testing (with subsequent empirical characterisation) and instrument software development phases undertaken by the author as part of the commissioning process for the Liverpool Tele- scope's fibre-fed integral field unit spectrograph, FRODOSpec. The software developed comprises a fully autonomous data reduction pipeline that has since been integrated into the processing workftow for all observations taken with FRODOSpec. Along with producing a set of science-ready data products, the pipeline constructs a composite raster image of the reduction products which is made available online for quick preview, allowing users to assess their observation shortly after it's taken place and without needing to perform any time-consuming reduction of their own. Coupled with the robotic nature of the Liverpool Telescope, FRODOSpec and its reduction pipeline provide a unique observational tool, and their conjunct use is particularly well suited for programmes within the field of observational time domain astrophysics where rapid response and analysis is an asset. In addition to the commissioning of FRODOSpec, a study into the variability of a 'sam- ple of 58 Be stars has been conducted. Building upon a dataset first observed with the INT ten years ago, four further epochs of data have been obtained using FRO- DOSpec and reduced using its pipeline. A method to assess the frequency of targets changing between disk emission and non-emission phases using the Ha equivalent width is explained and applied to consecutive epochs, with the resulting timescale for phase changing events predicted to be considerably larger than the current paradigm of several years to decades. The reduced frequency observed fon these events would consequently need to be explained by any theoretical model of disk decretion and dis- sipation in these stars. A corollary to this work also finds that partial variability of Ha emission is more fre- quently observed in stars with earlier spectral subtypes, indicating that the circum- stellar disk in later subtypes may be more stable over the timescales probed in this ) study.

No description available.

The next generation of ground based telescopes, the so-called extremely large telescopes, will offer a significant leap in sensitivity and resolution compared to current telescopes. They also present a range of technical challenges. This thesis presents work on two important problems in implementing laser guide star adaptive optics on extremely large telescopes: focal anisoplanatism and turbulence profiling. The SPLASH (Sky-Projected Laser Array Shack-Hartmann) laser guide star wavefront sensing technique is described. The technique is shown to offer reduced focal anisoplanatism compared to a conventional laser guide star for large telescopes. The technique may also offer advantages for larger apertures, including extremely large telescopes, but simulations were limited to 8 metre apertures by currently available computing capabilities. A calibration method is presented for the SLODAR (Slope Detection and Ranging) turbulence profiling technique, along with an analysis of the effects of scintillation on SLODAR when the technique is applied on a small (~ 40 cm diameter)' telescope. A new variation on the SLODAR technique, SLOTDAR (Slope Detection and Ranging through a slot), is introduced, in which the spatial sampling can be optimised based on the brightness of the available reference stars.

Οι αστρονομικές παρατηρήσεις που πραγματοποίησε ο Γαλιλαίος, από τότε που έστρεψε το τηλεσκόπιο στον ουρανό μέχρι και το τέλος της ζωής του αύξησαν τη γνώση για το σύμπαν σε αφάνταστο για τους αρχαίους αστρονόμους βαθμό. Έκτοτε ή ανάπτυξη της αστρονομίας συνδέθηκε με την κατασκευή όλο και μεγαλύτερων και πιο βελτιωμένων οπτικού τύπου τηλεσκοπίων. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι μετά το μεγάλο άλμα που έγινε με το Γαλιλαίο η συσσώρευση αστρονομικών γνώσεων αυξήθηκε γραμμικά συναρτήσει του χρόνου μέχρι τα μέσα περίπου του 20ου αιώνα. Το επόμενο μεγάλο άλμα στην αστρονομία συντελείται από το τέλος του 2ου Παγκοσμίου πολέμου μέχρι τις μέρες μας. Ζούμε μια επανάσταση στην αστρονομία που σχετίζεται με την ανάπτυξη της ηλεκτρονικής και διαστημικής τεχνολογίας. Οι νέες αυτές επαναστατικές τεχνολογίες υπερνίκησαν τους περιορισμούς από την γήινη ατμόσφαιρα και έδωσαν τη δυνατότητα για τη λήψη και εύκολη καταγραφή υψηλής ακρίβειας δεδομένων από όλο το φάσμα της Η/Μ ακτινοβολίας. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η αναλυτική παρουσίαση της δομής και λειτουργίας των διάφορων τηλεσκοπίων, τα οποία διακρίνονται ανάλογα με την περιοχή του Η/Μ φάσματος που εξετάζουν, καθώς και η μελέτη της συμβολής τους στην αστρονομική έρευνα. Η εργασία αυτή απαρτίζεται από 4 κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο, ασχολείται με τα οπτικού τύπου τηλεσκόπια και είναι το πιο εκτενές, δεδομένου ότι ο οπτικός κλάδος της αστρονομίας ήταν για αρκετούς αιώνες ο μοναδικός. Επίσης, στο ίδιο κεφάλαιο περιγράφονται τα είδη και οι βασικές αρχές λειτουργίας των ανιχνευτών και οργάνων που χρησιμοποιούνται τόσο στα οπτικά όσο και στα υπόλοιπα είδη τηλεσκοπίων. Το πρώτο κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την περιγραφή της νέας γένιας επίγειων οπτικών τηλεσκοπίων, στα οποία εφαρμόζονται ριζοσπαστικές νέες τεχνολογίες, καθώς και του διαστημικού τηλεσκόπιου Hubble και της συνεισφοράς του. Το δεύτερο κεφάλαιο αφορά τα ραδιοτηλεσκόπια. Η ραδιοαστρονομία είναι η παλαιότερη από τους νέους κλάδους της αστρονομίας που αναπτύχθηκαν στον 20ο αιώνα. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο ότι οι ραδιοπαρατηρήσεις μπορούν άνετα να διεξαχθούν από τη γήινη επιφάνεια, δεδομένου ότι η ατμόσφαιρα είναι διαφανής σε μεγάλη έκταση του ραδιοφωνικού φάσματος. Στο κεφάλαιο αυτό, μετά τη μελέτη της δομής και της λειτουργίας των ραδιοτηλεσκοπίων, γίνεται αναλυτική αναφορά στη χρήση των ραδιοτηλεσκοπίων στη μελέτη γαλαξιακών και εξωγαλαξιακών πηγών. Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται αντίστοιχα στα υπέρυθρου τύπου τηλεσκόπια. Ο κλάδος της υπέρυθρης αστρονομίας μπορεί μόνο κατά ένα μικρό μέρος να διεξαχθεί από επίγεια τηλεσκόπια λόγω της αδιαφάνειας της ατμόσφαιρας στα υπέρυθρα μήκη κύματος, η οποία οφείλεται στην παρουσία υδρατμών και διοξειδίου του άνθρακα στο κατώτερο μέρος της ατμόσφαιρας. Αυτός είναι ο λόγος που η υπέρυθρη αστρονομία πρέπει να συμπληρώνεται από παρατηρήσεις που διεξάγονται από αερομεταφερόμενα παρατηρητήρια καθώς και παρατηρητήρια σε τροχια. Στο κεφάλαιο αυτό αναλύονται τα προβλήματα και οι ιδιαιτερότητες των υπέρυθρων τηλεσκοπίων και γίνεται ιδιαίτερη μνεία στα τηλεσκόπια υπερύθρου που διεξάγουν παρατηρήσεις σε τροχια γύρω από τη Γη. Το κεφάλαιο κλείνει με την παρουσίαση της συμβολής των υπέρυθρων τηλεσκοπίων στη λύση των προβλημάτων της αστροφυσικής και της κοσμολογίας. Το τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται στα τηλεσκόπια ακτίνων Χ και γ. Η έρευνα σε αυτόν τον κλάδο της αστρόνομίας διεξάγεται μόνο από το διάστημα, δεδομένου ότι η γήινη ατμόσφαιρα είναι πλήρως αδιαφανής σε αυτή την περιοχή μήκους κύματος. Αρχικά, γίνεται αναφορά στο πώς η μεγάλη διεισδυτικότητα των ακτίνων Χ και γ διαφοροποιει τον σχεδιασμό των εν λόγω τηλεσκοπίων. Ακολούθως, αναφέρονται τα παρατηρητήρια ακτίνων Χ και γ τα οποία βρίσκονται σε τροχια. Τέλος περιγράφονται τα είδη των ουράνιων αντικειμένων που εμπίπτουν στην περιοχή μελέτης της αστρονομίας ακτινων Χ και γ καθώς και σχετικές ανακαλύψεις αυτού του κλάδου. / Structure and function of telescopes.

L'optique adaptative a révolutionné l'imagerie astronomique en permettant de corriger en temps réel les déformations du front d'onde introduites l'atmosphère, et d'atteindre la limite de diffraction des télescopes. Plus récemment, différentes modalités d'optique adaptative grand-champ ont permis de repousser les limites d'utilisation de ces instruments, compensant l'anisoplanétisme de l'atmosphère, et la faible couverture du ciel. L'asservissement de ces systèmes est sans aucun doute un point clé pour améliorer encore les performances de ces systèmes, pour ainsi converger vers les programmes scientifiques des futurs ELT.Le premier objectif de ces travaux de thèse est de définir un outil général d'analyse de performance, permettant de comparer, sous la forme de budgets d'erreur, différents régulateurs linéaires. Ceci permet d'améliorer les instruments actuels, ou de faire des choix dans la conception des futurs instruments des ELT. Pour cela, un formalisme d'analyse fréquentielle est développé dans le cadre de l'optique adaptative classique, et étendu au cas grand-champ. On montre que cet outil permet aussi bien de décomposer les performances calculées en simulation qu'à partir de données télémétriques enregistrées sur le ciel. De nouvelles stratégies de commande, basées sur de nouveaux modèles de perturbation sont proposées, et leur apport en performance discuté au regard de leur budget d'erreur. Ces résultats ont servi à la caractérisation d'une commande LQG tip-tilt avec filtrage de vibration qui doit être intégrée à l'instrument d'optique adaptative multi-conjuguée GeMS, au Chili. / Adaptive Optics (AO) systems have revolutionized ground-based astronomical imagery, allowing for real-time compensation of turbulence-induced deformations of the optical wavefront, and therefore allowing to reach the diffraction limit. More recently, wide-field AO modalities have been proposed to expand the operational range of instruments by compensating anisoplanatism and increase sky coverage. Controlling such systems is certainly a key issue to further improve their performance and to converge towards the goals of the ELTs science programs.The first objective of this thesis work is to define a general-purpose performance analysis tool, enabling to compare different linear controllers through their error budgets, in order to improve existing instruments or make choices in the design of future instruments. To achieve this aim, a frequency-domain formalism is developed for single-conjugated AO and extended to wide-field configurations. It is shown that this tool allows to decompose controller performance using either simulations or on-sky data. New control strategies based on new disturbance models (turbulence, vibrations...) are proposed, and the improvement in performance is discussed based on their error budget. Furthermore, these results contributed to characterize an LQG controller with vibration mitigation that is to be integrated in the tip/tilt loop of the multi-conjugate AO system GeMS, at Gemini South Observatory, in Chile.