基于标准化点源敏感性的镜面视宁度评价

考虑光学望远镜系统的设计和配备与镜面视宁度相关,本文引入了标准化点源敏感性(PSSn)来改善传统评价手段的局限性,以实现镜面视宁度的全频域内评价。介绍了镜面视宁度的概念以及各大口径望远镜对镜面视宁度的检测与评价方法,同时指出了之前使用的评价指标与评价方法的缺点不足。基于30m望远镜研究团队所提出的全频域评价指标——标准化点源敏感性(PSSn)提出了新的评价方法。分析了PSSn的特性,并利用其良好的合成特性以及不同的曝光函数,得到了不同曝光条件以及视宁条件下的PSSn表达式。最后,利用在大口径波前上随机选取子孔径的方法,模拟了冻结湍流假设下的镜面视宁情况,并对其PSSn的变化进行了估计,验证了本文方法的可行性。基于本文所提出的对于镜面视宁度的评价与分析,系统工程师可以全面客观地评价大口径系统的镜面视宁度,结合PSSn的优良合成特性建立合理的误差树,有效提高匹配精度,降低系统建造成本。     

大口径光学系统的镜面视宁度检测

为了保证大口径光学镜面加工检测的质量和效率,提出了提高大口径光学系统镜面视宁度检测精度的方法。利用电子自准直仪以及平面镜确定波前斜率,推导了基于斜率信息与镜面视宁度之间的关系。为了提高测量精度,突破单台自准直仪精度限制,采用三台自准直仪进行互标校。为了进一步降低误差,使用六自由度平台支撑立方反射体,使精度提高至0.01″量级。另外,结合频响函数的相关理论,估计得到了六自由度平台在检测环境下所引入的误差。最后,引入标准化点源敏感性(PSSn)对结果进行评价,并开展了数值仿真实验。针对模拟镜面视宁度,分别计算两个方向的斜率功率谱以及原始波前功率谱,然后利用之前给出的功率谱与PSSn之间的关系得到了两个方向的PSSn均为0.999。该镜面视宁度测量方法可以在模拟望远镜实际工况下,完成对于系统主镜视宁度的定量预测。     

基于结构函数的大口径望远镜光机系统误差分配

从结构函数的角度分析和研究了大口径望远镜光机系统的评价方法。分析了基于结构函数的系统误差传递特性,利用功率谱反演得到大气扰动的数值模拟,并建立了基于结构函数的系统误差分配方法。将本文的方法应用于长春光学精密机械与物理研究所的1.23m口径望远镜进行了实验验证,结果证明了提出理论的正确性以及方法的可行性。最后将其应用于30m望远镜(TMT)三镜系统,研究了其在大气湍流下的印透效应,实验表明其在考虑了不同的视宁情况下,分辨印透峰的能力没有减弱。本文的研究对提高大口径望远镜的性价比,降低大口径望远镜在研制和使用过程中的技术风险颇有意义。     

基于结构函数的大口径望远镜中频误差分配研究

为了更好地对于大口径望远镜中频误差进行评价与分配,本文引入了结构函数来进行研究。本文首先对于结构函数的基本性质进行了推导,并与传统的误差均方根(RMS)进行比较,表明了其表征不同尺度误差的能力。之后分析了系统波前在不同的评价尺度下的统计特性差异,得出在较小尺度下,系统的误差分布可以较好的服从正态分布,而随着尺度的增加(如大于100mm)会逐渐偏离正态分布的结论。然后根据结构函数的基本性质,提出了一种可以同时考虑诸多误差源的大口径望远镜中频误差分配方法。结合美国三十米望远镜(TMT)团队所提出的标准化点源敏感性(normalized Point Source Sensitivity,PSSn),建立起了由结构函数到标准化点源敏感性的换算关系,通过此方法来进行误差分配指标间的交叉验证以及与其他单元技术之间的对接。最后,根据本文所提出的方法,对于某大口径望远镜的主镜系统进行了误差分配,得到在大尺度均方根为25nm,粗糙度为1nm,中频尺度为250mm,大气相干长度为0.4m(检测环境)的要求下,该系统的结构函数满足要求,同时由要求结构函数所计算得到的PSSn=0.999 6大于由镜面数据直接得到的PSSn=0.999 5,同样满足要求。     

误差分离技术在平面镜瑞奇-康芒法检测中的应用

为了提高瑞奇-康芒法检测平面镜面形误差的精度,提出了利用检测系统光瞳面与被检平面镜表面的坐标映射关系插值拟合平面镜面形的方法。结合最小二乘法分析,解算了由光路调整引入的离焦误差,获得了更为真实的平面镜面形误差。理论仿真分析显示,此方法的平面镜测量误差可控制在λ/100(λ=632.8nm)量级。对口径为40mm的小口径平面镜进行了实际检测,检测过程中通过多角度旋转被测平面镜,利用坐标映射关系和幅值转换关系对测试波前进行恢复,在分离系统离焦误差后得到被检平面镜面形RMS值为0.018 6λ,与干涉仪直接检测得到的RMS值0.021λ相比,残差为0.002 4λ。实验结果证明了此种误差分离技术在瑞奇-康芒法对平面镜面形检测时的有效性与准确性。     

基于光纤陀螺的即插即用式全站仪定向方法

针对全站仪视准轴与光纤陀螺轴间存在集成误差角和光纤陀螺零偏问题,提出了一种即插即用且系统误差自动抵偿的光纤陀螺/全站仪组合定向方法.在工作现场,光纤陀螺通过锁紧装置连接到全站仪望远镜上,利用全站仪望远镜可分别在竖直和水平方向精确转动的特点,带动光纤陀螺到东向、西向、东向抵偿位置、西向抵偿4个位置做静态观测.这4组观测值代入一个简单公式即可计算出全站仪视准轴方位角.该方法的锁紧装置简单,集成精度要求低,光纤陀螺零偏和集成误差对方位角的影响基本被消除.仿真表明,在不利情况下,定向系统误差可控制在1″以内.     

基于摩擦模型的反演滑模控制在大型望远镜上的应用

根据永磁同步电机驱动的大型望远镜转台对指向精度与低速跟踪精度的要求,设计了基于摩擦模型的反演滑模控制器。建立了基于摩擦模型与外部扰动的系统模型;然后,按照反演设计方法,设计了离控制输入最远的子系统,在设计过程中加入滑模控制,从而减小非线性摩擦因素与外部风载等对指向精度与跟踪精度的影响。通过理论仿真和实验研究验证了该方法的有效性。结果显示:所设计的反演滑模控制器具有较好的动态响应,对扰动等不确定性因素具有较强的鲁棒性,当位置阶跃指令为4.6″时,稳态误差为0.048 51″,比传统的PI控制算法减小21.4%;当输入斜率为5(″)/s的位置斜坡指令时,稳态跟踪误差为0.031 26″,比传统的PI控制算法减小30.1%。结果表明提出的方法能够提高望远镜控制系统的指向精度和低速跟踪精度。     

压电陶瓷精密转动平台的转角精度测量

提出了一种亚角秒精度的转角测量方法。利用ZYGO数字干涉仪测量压电陶瓷转动平台驱动待测标准平面镜偏转前后镜子面形精度的PV(Peak Valley)值,二者的差值除以待测标准平面镜的直径,其结果近似等于压电陶瓷转动平台转动的角度。通过测量与误差分析,验证了压电陶瓷转动平台的转角精度小于1 μrad(0.2″),而测量的总误差和压电陶瓷转动平台移动的角度大小有关,移动距离越大,产生的误差越大,但其相对误差小于1％。本测量方法证明压电陶瓷精密转动平台转角精度达到了极紫外太阳望远镜(EUT)0.8″的角分辨率的要求。     

环境对大口径SiC轻量化主镜视宁度的影响

由于地基大口径望远镜主镜视宁度与望远镜系统成像质量相关,本文研究了环境对主镜视宁度的影响。理论分析了影响主镜视宁度大小的因素,得出主镜视宁度会随主镜表面和环境之间温差的增大而增大的结论。利用有限元法分析了自然对流和吹风条件下主镜的温度变化和温度分布;最后通过相应工况条件下2mSiC轻量化主镜的温度测试实验对仿真分析结果进行了验证。实验结果显示:在初始温差为6℃的无风自然对流情况下,主镜与环境达到温度平衡约需4h;而在初始温差为8℃的吹风情况下,主镜与环境达到热平衡仅需1.5h。分析和实验结果表明:采用强迫对流热控措施可快速而有效地将主镜视宁度控制在合理的范围内,可获得更多的望远镜观测时间,同时保证大口径望远镜系统的成像质量。     

地基大口径望远镜圆顶设计

圆顶视宁度是影响地基大口径望远镜成像质量重要的影响因素之一。视宁度产生的原因主要是由于空气折射率的不均匀变化导致,首先通过理论分析确定影响空气折射率的主要因素为空气的温度、速度和压力,然后借助CFD流体仿真软件,得到望远镜圆顶周围附近空气的温度场、速度场和压力场的变化,进而推算出望远镜成像光路中圆顶及望远镜附近周围空气折射率的变化情况,以评估不同结构形式圆顶所产生的圆顶视宁度对望远镜成像的影响。通过仿真分析可知,升降式圆顶更利于望远镜周围空气的温度、速度和压力的快速变化及稳定,能够减少圆顶视宁度的影响,为4 m级及更大口径望远镜的圆顶方案选择及设计提供指导。     

巨型科学可控反射镜缩比模型系统抖动检测

为了更好地对三十米望远镜三镜,即巨型科学可控反射镜(Giant Steerable Science Mirror,GSSM)的抖动(Jitter)特性进行研究,利用信号的复数表达分别分析了时域积分与频域积分的特性,明晰了二者之间的关系,并从积分精度的角度上,选择频域积分作为GSSM Jitter数据的处理方法。同时,对比了高精度编码器以及高精度加速度计对抖动测量的适用性,验证了使用加速度计测量的合理性。针对GSSM内部振动的影响,选择频响函数法测量内部作用力。最后,对GSSM缩比模型进行了Jitter检测,得到镜面方向Jitter为0.079 7μm,方位轴方向为14.143 2 mas,俯仰轴方向为20.747 5mas,内部作用力为0.003 3N。     

基于二维随机场的地基大型光学望远镜风扰动时程模拟与性能预测

随着地基光学望远镜口径的不断增大,风扰动已成为影响望远镜成像质量最为关键的因素之一.为了深入研究风扰动对望远镜系统性能的影响规律及作用机理,从时域角度对望远镜在风扰动作用下的响应进行时程模拟以及系统性能预测.首先,简要介绍了望远镜结构组成并采用有限元方法建立了结构动力学模型,通过模态变换方法将动力学模型转换到模态坐标系...     

用缓冲层结构抑制碳纤维表面复制中的纤维印透

针对碳纤维光学元件复制过程中的纤维印透现象,提出了镍-环氧树脂-镍的缓冲层方法.以单向碳纤维材料为基底,采用传统方法制备了碳纤维-环氧树脂-银膜结构的光学反射镜;采用缓冲层方法,制备了碳纤维-镍-环氧树脂-镍-银膜的光学反射镜.用台阶仪测试了这两种光学元件在垂直纤维方向和沿纤维方向的表面形貌.结果表明,纤维印透现象主要...     

4mSiC轻量化主镜的主动支撑系统

针对4 m光电望远镜中SiC轻量化主镜比刚度大,面形精度要求高的特点,提出采用液压whiffletree被动支撑并联力促动器主动支撑的轴向液压主动支撑方案。液压被动支撑承担镜重,主动支撑仅输出校正主镜面形误差所需的主动校正力,从而减小主动支撑元件力促动器的作用力范围,提高主动校正力精度。借助于有限元法完成了轴向和侧向支撑系统的优化,确定了轴向54点和侧向24点等间距等力（β=0.5）支撑系统设计。当仅有被动支撑作用时,主镜水平和竖直状态下重力引起的镜面变形误差RMS值分别为37.8 nm和82.9 nm。采用主动校正后,主镜水平和竖直状态下的镜面变形误差RMS分别减小到12.0 nm和9.8 nm。不同俯仰角下主镜的镜面变形均能满足面形误差RMS不大于λ/30（λ=632.8 nm）的指标要求。