TMT三镜被动支撑系统的概念设计

TMT（Thirty Meter Telescope）望远镜是一台R-C式的30 m口径光学红外望远镜，其三镜为椭圆形平面镜，口径为3.594 m2.568 m，质量达到1.8 t，三镜系统需要把来自次镜的光折转到望远镜两侧耐氏平台上的一系列科学仪器上，具有跟踪和快速定向功能。支撑系统包括底支撑系统和侧支撑系统，根据TMT对三镜的面形要求，提出了底支撑系统采用18点Whiffletree结构，通过优化分析，面形RMS值达到118.5 nm。针对侧支撑系统，提出了基于kinematics原理的12点支撑方式，侧支撑作用下的面形RMS值为4.7 nm，两者综合作用下的面形RMS值优于77 nm。按照支撑系统方案，设计了一种满足一定质量和体积要求的支撑系统结构。     

基于结构函数的子孔径拼接算法研究

为了更好地评价大口径反射光学元件在不同尺度下的起伏情况,提出了一种基于结构函数的子孔径拼接算法.首先,对于算法的基本原理与步骤进行了描述,从理论分析的角度对于计算误差的特性进行了分析;之后针对口径为1.23 m的大型反射镜面形数据,应用文中所提出的方法,利用结构函数进行子孔径拼接并对于其误差特性进行了检验,验证了所提出方法的可行性.最后,将该方法应用于30 m望远镜三镜(TMT M3)的面形仿真数据,得到了其在不同评价尺度下的起伏情况.文中的工作对于TMT M3 的最后完成有着重要的意义,并且对于与TMT M3 类似的大口径平面镜面形评价有着一定指导价值.     

TMT三镜动力学模型辨识与标校

为了更好地对于30 m望远镜三镜(TMT M3)的动力学进行度量与检测,基于加速度信号建立了系统模态信息的计算与评价方法。首先,分析了如何利用加速度计对于TMT三镜系统进行检测。之后,利用系统对于未知载荷的响应,基于随机减量法获得了系统的自由响应;之后,根据多项式拟合的方法,对于获得的传递函数进行处理。根据之前所提出的方法,对于4 m级系统,获得了其系统前两阶模态为88 Hz以及107 Hz,并获得了对应振型。所做的工作对于TMT三镜的完成有着很好的指导作用。     

基于加速度信号的TMT三镜镜面jitter测量

为了更好地对于TMT三镜镜面jitter进行评价,基于镜面方向的加速度信号,通过传递函数以及功率谱的方法,获得了镜面jitter的频域分布与数值特征。首先,对于梯形积分、辛普森积分以及3/8辛普森积分的基本性质进行推导,之后基于功率谱的思想,提出利用白噪声填满数据全部频域以及结合数值方法得到传递函数;最后对于实际测量得到的加速度信号,得到了米级口径望远镜镜面jitter的数值以及频域分布,同时证明了利用文中方法对TMT三镜镜面jitter进行评价的可行性。文中的方法对于同类的大口径望远镜的jitter测量也有一定的借鉴意义。     

大口径非圆形光学平面的五棱镜扫描检测技术研究

为了解决非圆形大口径光学平面镜加工过程中的高精度检测问题,针对五棱镜扫描技术,使用一种基于多项式内积以及cholesky分解的非递归方法进行数据处理,同时编写了检测拟合程序,并结合工程实例,对30m望远镜(TMT),thirty meter telescope)项目的三镜(2.5m×3.5m椭圆形平面镜)进行了模拟检测的Monte-Carlo分析。分析结果表明,五棱镜扫描系统对TMT三镜低阶像差的检测精度可以达到30.6nm 5 rms,对power项、astigmatism项的检测精度分别达到9.6nm rms及13.7nmrms,能够完成大口径非圆形光学平面镜低像差的高精度检测。     

GSSM系统抖动测量误差分析

30 m望远镜三镜是世界上最大的平面镜，由于其复杂的功能，又被称作大型科学可控反射镜（Giant Steering Science Mirror，GSSM）。为了更好地分析与抑制GSSM在实现光线中继功能时的抖动，需要对抖动有精确的测量。由于GSSM抖动的要求特殊且严格，在测量之前，需要对抖动测量的误差进行仔细地分析与理解，才可以更好地完成检测任务。首先，文中针对使用编码器进行抖动测量的情况，在不同的测量方案以及相对距离下，通过蒙特卡洛方法可以得到由激光跟踪仪进行标定的误差:俯仰轴线的定位误差，在轴上测量的期望为1 m，小于轴外测量的3 m；方位轴线的定位误差在激光跟踪仪偏离两米的情况下为4.6 m。之后对加速度计测量抖动的误差进行了考虑，首先推导了使用功率谱方法的完备性条件；之后使用累积功率谱对于333B32的标定结果进行处理，得到当采样频率为2 048 Hz，0.05 Hz以外的频段，其精度为0.6 m。抖动的测量以及误差分析，不仅是GSSM建设过程中十分重要的环节，同时，它可以为大口径望远镜建设提供宝贵的统计学先验知识，并对于系统工程的发展是一种很好的推动。     

TMT 三镜系统tilt 轴轴承方案研究

30 m口径望远镜(TMT)的三镜跟踪系统(M3PA)的运动性能和指向精度指标均高于已建成的各大望远镜,且工况复杂多变,给设计人员带来了巨大的挑战。三镜跟踪系统包括Rotator 轴和Tilt轴两部分。重点研究了Tilt 轴轴承布置方案以及相应分析。提出了两种轴承方案,经过分析,使用一对双列角接触转盘轴承的方案更适合于Tilt 轴的工作需要,此时结构第一阶谐振频率可达到15.1Hz,满足Tilt 轴的设计要求。选定方案后,针对所选择的轴承,使用ANSYS 进行了仿真。仿真结果显示,所选轴承中滚动体的最大承载达到5 000 N,最大应力大约为2 300 MPa,承载曲线满足经典余弦分布,从而证明仿真数据可靠,模拟方法可信;另外四列滚动体上都有明显的承载,从而说明所选择的轴系能够很好地将载荷分散到两侧结构架上。分析结果表明,这种结构形式能够满足TMT 三镜系统对刚度要求。     

基于斜率的TMT 三镜面形检测方法

为了完成对于30 m望远镜(TMT)三镜面形的检测,引入了基于斜率的测量方法。首先,针对斜率信息分别提出了对于低阶像差拟合以及中频误差分析的方法,并利用数值仿真以及实测数据对于之前提出的理论进行验证;最后,针对所提出的方法进行了基于蒙特卡洛法的误差分配,讨论了在TMT招标方所提出的精度要求下,各个检测仪器的精度如何分配。文中使用的方法,不仅对于TMT三镜的面形检测有很好的指导作用,同时对于类似的大口径平面镜的检测也有一定助力作用。     

PSSn在大口径望远镜误差评估中的应用

为了更好地对大口径望远镜进行误差分析以及分配,引入了由美国30 m望远镜（TMT）团队所提出的标准化点源敏感性（PSSn）,来进行大口径望远镜的各项误差及其之间的协调与分配。为了更好地利用PSSn进行误差分配,首先根据其定义对PSSn的基本性质进行了研究,论述了PSSn作为全频域评价指标的优越性,然后与传统的评价指标（波前均方根）进行了比较,重点分析了PSSn的合成特性以及合成误差的特点,之后利用Zernike多项式分析系统静态误差与PSSn的关系,得到了不同的Zernike系数与PSSn之间的关系。对于系统的动态载荷,利用功率谱结合光学传递函数的方法来研究系统的光学特性并对实际的大口径波前做出了仿真研究,得到系统的PSSn从0.996下降到0.991。所做的研究可以更好地理解大口径望远镜的误差特性,同时也可以帮助系统工程师对大口径望远镜的误差进行更好的分配。     

平差理论在大口径光学元件轮廓检测中的应用

为了更好地进行大口径光学元件轮廓测量,以激光跟踪仪作为测量的工具,引入测量平差理论对测量数据进行处理,以提高光学元件毛坯制作、铣磨加工阶段的轮廓测量精度。首先,对拟合误差的公式进行了推导,得出影响拟合精度的因素;之后,对于大口径元件轮廓测量的具体检测模型提出了提高拟合精度的方法;最后,对于实际的2 m量级口径的SiC主镜进行了实际的测量与拟合,并从F数、拟合残差、结构函数等角度分析了平差结果。所提出的方法对于大口径元件的加工检测具有较好的指导意义。     

GSSMP转动精度的测量与标定

为了更好地实现巨型可控科学反射镜原理演示验证平台（Giant Steerable Science Mirror Prototype,GSSMP）的指向功能,需要对GSSMP的转动精度进行测量与标定,利用激光跟踪仪对转台编码器进行标校,并通过激光跟踪仪完成角度测量。首先,基于角度测量原理进行了接触式测量和非接触式测量方式的单点精度标校,得到测量误差分别为23.7与0.71。通过公式推导验证,四个角反射器的使用能够消除6以及6的倍数谐波之外所有阶数的谐波,从而提高测量精度。最后,比较四个角反射器两种不同的排布方式的角度测量误差,得出均匀分布的误差为11.5,非均匀分布误差为9.04,而单个角反射器测量误差为23.7。通过激光跟踪仪对望远镜方位轴转动精度的测量,验证了所述理论的正确性与方法的可行性。研究结果对于30 m望远镜的工作进一步完成有着重要的意义,同时对于类似的转台精度的检测也有一定的指导意义。     

离轴天线在卫星激光通信系统中的应用

现有卫星激光通信终端通常采用同轴两反天线结构,该结构存在接收视场小、发射效率低等缺点。为消除同轴两反结构存在的固有缺陷,提高卫星激光通信系统的瞄准和捕获效率,研究了利用离轴三反结构提高卫星激光通信系统的性能。首先根据基本像差理论,推导得到离轴三反光学结构的初始结构方程。利用离轴结构具有更多设计参量的优势,对离轴三反结构进行优化设计,给出了设计实例。计算机仿真得到的光学传递函数、点列图、衍射包围圆能量和波前误差等均表明:离轴三反结构与同轴两反结构相比,具有更加优异的性能,能够满足卫星激光通信系统不断提升的性能要求。     

激光准直特性在主动式激光侦察告警系统设计中的应用探讨

探讨了主动式激光侦察告警系统入射高斯光束腰斑与望远镜副镜的距离对出射高斯光束准直倍率的影响.在满足入射高斯光束腰斑与望远镜副镜的距离远大于望远镜副镜的焦距的条件下,望远镜主镜的焦距与望远镜副镜的焦距的比值越大,出射高斯光束的准直效果越好.在不满足入射高斯光束的腰斑与望远镜副镜的距离远大于副镜的焦距的条件下,仿真分析了望...     

新型副镜并联调整机构非线性特性及校正

为满足望远镜副镜结构定位精度的要求,提出一种固定杆长杆端轴向平移运动模式的六杆并联机构。从微分几何的观点研究了该机构输入关节空间向量与输出工作空间向量之间的非线性运动学特性,并采用曲率概念度量解轨迹的非线性弯曲。通过与雅可比矩阵的对比分析可知,采用曲率度量并联机构的非线性和采用雅克比矩阵反映的瞬时线性性质一致,所设计的副镜并联调整机构在整个运动行程范围内的最大非线性误差约为3.15 μm。测试结果表明:采用多项式误差曲线拟合校正之后,该副镜调整机构三维平移重复定位精度小于2.6 μm,二维旋转重复定位精度小于1.8″,满足实际望远镜观测的需要,采用的曲率度量法也可以为其他并联机构的非线性分析和校正提供一种新的思路。     

方差分析在激光点光源质量评价中的应用

为了更好地评价激光点光源的发光质量,本文引入方差分析来研究激光点光源的系统误差以及随机误差。首先,本文从理论上推导了理想激光点光源的统计学模型,分析了理想点光源的基本统计学性质;之后,将方差分析引入了点光源质量评价之中,提出了一种检验激光点光源发光均匀性的检测方法并利用本文所提出的方法,对于某激光点光源的发光质量进行评价,得出了在0.99的置信概率下,其系统误差分布均匀的结论,验证了本文理论的正确性以及方法的可行性。最后以三十米望远镜为背景考虑了本文方法在下一代大口径光电系统误差分析中的应用。本文的工作对于点光源的发光质量评价有着一定指导意义;同时,对于光电系统的误差分析也有很好的帮助作用。     

基于极大似然估计的TMT三镜轴系装调

为了完成TMT三镜轴系的检测与装调,引入了极大似然估计来完成TMT三镜轴系装调。首先提出利用两过定点的相交拟合平面辨识一条空间直线;之后考虑到测量数据噪声类型的不确定性,提出使用极大似然估计对三镜机械轴位置参数进行辨识,并在MATLAB产生的一组带有高斯白噪声的训练集上对两个拟合平面所过定点位置进行优化,拟合轴线与理想轴线的夹角由优化前的6.29降低为优化后的5.24,优化量为17%;然后选定Vantage激光跟踪仪作为TMT大型轴系的检验工具,利用之前的优化方案,得出在该方法下TMT三镜轴系的定位残差为2.9,小于TMT招标方提出的指标4。文中将极大似然线性拟合用于TMT三镜轴系装调,提出了一种实时性强、适用范围广的方法,对于其他大口径光学系统轴系的检测与调节也有很大的借鉴意义。     

激光在大型望远镜中应用

简述激光在大型天文望远镜中应用，如激光人造星，测量４．３ｍ主镜面形，自准调校恒星光干涉仪和程差补偿测量，望远镜筒主副镜间相对倾角和弯沉测量等。     

圆锥近似Wolter-I型X射线望远镜用柱面反射镜面形误差检测方法

基于热弯玻璃的圆锥近似Wolter-I型X射线聚焦望远镜采用在凸柱面镜模具上热弯超薄玻璃的反射镜片制作方式,柱面镜低频面形误差和中频波纹度是影响望远镜聚焦性能的主要因素,因此高精度快速检测凹凸柱面镜中低频表面误差是研制中的关键技术。传统的柱面样板法无法检测超薄镜片,且只能检测对应样板半径的面形,检测效率低,无法满足要求。采用基于计算全息的零位补偿干涉检测法和激光扫描两种方法,对超光滑凸柱面模具和超薄凹柱面镜片进行快速定量检测,计算了两种检测方法的功率谱密度,通过表面的斜率误差拟合得到点扩散函数曲线和半功率直径。结果表明:两种方法都能够快速定量表征中低频表面误差对X射线望远镜角分辨率的影响,为提高反射镜制作精度和改善X射线望远镜聚焦性能提供了技术支撑。     

大口径凹椭球面反射镜光轴偏心测量方法

大口径凹椭球面反射镜光轴偏心会引起遥感相机光学系统失调,导致成像焦面与设计位置偏离。针对此问题,根据反射镜的几何参数设计了基于平晶补偿的消球差系统,通过灵敏度分析计算得到系统中平晶失调1″对系统像差无影响,主镜失调1″带来0.04λ (λ=632.8 nm)的彗差。结合仿真计算的结果,搭建测试光路,并利用经纬仪和激光跟踪仪对反射镜进行偏心测量。误差分析表明:主镜倾斜测量误差约为1.2″,主镜偏心测量误差为0.028 mm,可以满足绝大部分空间遥感相机大口径反射镜的测量需求。     

机器人位姿测量中激光跟踪仪布局位置研究

应用激光跟踪仪进行机器人位姿测量时,为了减小激光跟踪仪分布位置对测量结果的影响,对激光跟踪仪布局位置开展优化。以ABB IRB1410型机器人为研究对象,规划了其测量区域。通过构建激光跟踪仪误差传递函数,对激光跟踪仪测距误差、测角误差对整体坐标测量精度影响进行分析。通过仿真分析研究了激光跟踪仪不同分布位置下机器人测量区域内测量点整体偏差的分布规律。通过构建激光跟踪仪布局评价函数并基于MATLAB无约束线性优化算法确定了激光跟踪仪最优布局位置主要位于测量区域中心轴线及其延长线附近,并对最优位置相邻区域整体测量偏差的分布规律进行了分析,为机器人现场测量提供一定的参考依据。