地基大口径望远镜主镜热控的设计原则及方式

热问题贯穿了望远镜设计的各个方面,而且随着望远镜口径的增大,温度对望远镜的工作性能和稳定性的影响也越来越明显。望远镜的主镜作为望远镜系统中关键的光学元件,对望远镜的成像质量有着重要的影响,为了克服主镜视宁度对望远镜成像质量和望远镜主镜温度梯度导致的热变形对望远镜成像质量的影响,对望远镜主镜温度进行合理地控制显得十分的必要和重要。本文结合国外大口径望远镜,详细论述了现代望远镜主镜热控的原则,总结了望远镜热控设计的方法,并进行了相应的探讨,为今后的大口径望远镜的主镜热控设计提供一定的参考价值。     

地基大口径望远镜主镜主动支撑系统综述

主动支撑技术作为地基大口径望远镜建造的核心技术,直接影响望远镜的观测能力,一直以来备受关注。文章系统性地总结了地基大口径望远镜主镜的定位系统和支撑系统。定位系统包括三点硬点定位、六杆硬点定位;支撑系统包括采用不同促动器结构的轴向支撑系统及采用“竖直推-拉”、“斜向推-拉”和“推-拉-剪”形式的径向支撑系统。文章还结合了国外采用主动支撑结构的大口径望远镜,对其主动支撑技术进行了详细介绍和总结分析,希望为大口径望远镜主镜主动支撑设计提供一定的经验参考。     

大口径望远镜主镜支撑结构研究

主镜是望远镜系统的重要组成部分之一.随着其口径的不断增大,望远镜的重量也随之加大,自重、热变形等问题将对主镜镜面的面形精度产生一定的影响.因此,在保证系统精度的同时,要尽可能的减少结构重量,所以在设计阶段就要根据光学系统的技术要求及影响因素对主反射镜的支撑方案进行综合考虑和全面分析,使其结构设计更为合理.根据大口径望远镜系统主镜结构设计的要求,利用结构分析软件,建立结构分析模型,来确定主镜支撑方案.详细分析了大口径望远镜主镜支撑的各方面技术.     

大口径主镜热边界层热控对成像质量影响分析

随着望远镜口径的增大,主镜热惯性增大,主镜温度相对于环境温度的滞后性引起反射面热边界层形成热湍流波动,严重影响望远镜成像质量。介绍了一种基于CFD仿真和光程差累积的计算方法评估主镜反射面热边界层的湍流波动对成像质量的影响。以3.0 m口径的主镜为例,仿真计算了自然对流下和强迫对流下不同温升的反射面热边界层分布,将热边界层的流场参数转化成折射率场分布,采用光程差累积法得到反射面热边界层的成像质量。结果可以定量地描述反射面热边界层对成像质量的影响;验证了现有天文观测要求主镜反射面与环境温差小于2 K的合理性;同时证明了主镜反射面热控措施使得强迫对流下的光程差比自然对流下的下降了一个数量级,显著提高了主镜视宁度,进一步表明反射面热控措施对改善成像质量具有重要意义。     

大口径望远镜主镜保护盖设计

针对某米级光学望远镜设计了四门对开花瓣式主镜保护盖。简要介绍了国内外已建成大口径望远镜主镜保护盖的主要结构形式,利用铰链四杆机构的演化偏置曲柄滑块机构为基体进行优化设计,得出一种不需曲柄存在的四杆机构,建立运动学模型,对其受力状态进行分析,计算了电机所需的驱动力矩、滑块的移动位移及镜盖开关时间。实际工程应用表明,该保护盖对主镜能够有效防尘及保护,单次打开或关闭时间约为62.5 s,在长春地区无故障使用时间大于一年,免维护开关次数大于500次。满足系统设计要求,为后续研究者提供了设计参考。     

大口径地基太阳望远镜温度传感器标定方法

热控系统是大口径地基太阳望远镜的重要组成部分,它能最大限度地减小主镜面的视宁度效应和内部视宁度效应。在热控系统中,温度传感器是监控主镜表面、热光阑表面和环境真实温度的“眼睛”,因此,其精度对热控系统乃至整个望远镜的性能均有影响。针对现有商用传感器精确度不高、零点和响应曲线随时间变化而变化等缺陷,在将其组装入太阳望远镜之前,必须先对其进行标定。本工作采用一元线性回归的标定方法,通过修正传感器的响应曲线,从而提高传感器的测量精度。建立相应的实验装置,验证了该标定方法的可行性和有效性。验证结果表明,温度传感器的测量误差由1.5℃以上降低到0.05℃以下,可以满足大型地基太阳望远镜热控制系统的要求。     

国外大型地基望远镜主镜支撑综述

对于大型地基望远镜来说,主镜支撑是关键技术之一,主镜支撑效果直接影响望远镜的观测能力,文章详细介绍了目前国际上具有代表性的一些望远镜主镜的底支撑和侧支撑方法和结构等,总结了主镜支撑的几个原则,期望对我们从事大口径望远镜的研制提供一些借鉴意义。     

大口径望远镜主镜中心定位机构研究

通过对大口径光电望远镜中主镜中心定位机构的研究分析,设计了一种胀紧圈球头形式的中心定位机构,指出了其优缺点和在望远镜中适合应用的口径大小以及工况要求.定位机构在望远镜主镜支撑结构中,实现了主镜在垂直于光轴方向的平面内的有效定位,并且与主镜底支撑和侧支撑联合作用,承担部分主镜的载荷,保证了主镜的面形精度.同时,定位机构还...     

大口径望远镜主镜径向偏心误差检测技术北大核心CSCD

为保证大口径望远镜主镜在加工、镀膜和装调过程中的径向公差要求,提出一种基于图像处理的实时检测大口径望远镜主镜径向偏心误差的方法,利用光学成像系统对沿轴线运动的主镜的内孔和固定于主镜支撑结构底座的参考孔进行成像,通过边缘提取和质心算法计算主镜相对于支撑结构的径向偏心误差。经实验验证,该方法可实现对主镜径向偏心误差的实时测量,且测量精度满足主镜的径向公差要求。     

地基大口径望远镜库德光路误差建模

为更好地实现地基大口径望远镜库徳光路的集成装调,在三个层次上对其误差进行分析,并利用Brownian Bridge过程建立了库徳光路误差模型。首先,基于光径方程分析了库徳光路在大气扰动影响下的光线偏离情况;其次,分析了动态误差所引起的光学模糊以及重力作用下的累积印透效应;最后,根据Brownian Bridge过程,在充分考虑误差闭合链的情况下,建立了库徳焦点位置误差的模型。结果表明:即使在0.4℃/m的温差下,大气扰动也可以引起0.2左右的偏差,且与2.3 mm的大气相干长度等效。同时,由于折光补偿的符号是一致的,故无法依靠多次测量平均抵消大气扰动的影响。根据改进的误差模型,库徳焦点的位置误差与基于独立同分布的假设所得的结果相比,降低了约20%,即更充分地考虑了误差闭合的情况。     

地基大型望远镜数字通信系统的设计

数据通信系统是整个大型望远镜的数据传输中枢。针对地基大型望远镜分系统多,信号种类繁杂、分布不均匀和分布距离较远等特点,设计了一种基于大规模集成电路FPGA的数据通信系统。系统分为机上数据通信系统和机下数据通信系统两部分,机上与机下数据通信系统通过单根光纤进行连接。系统最多可提供60路RS422、32路TTL、10路RS485和4路RS232同步传输。同时,系统以GPS时钟频率为基准频率产生多种工作时序,为望远镜提供同步工作脉冲;通过采集曝光脉冲对应时刻的时间数据和编码器数据锁存当前的时空信息。硬件方面采用XILINX公司的Virtex-5系列FPGA为核心处理芯片完成该系统的设计,实验结果表明系统可满足大型望远镜数据通信的需求。     

使用幸运成像技术恢复地基大口径望远镜图像

开发了一套地基大口径望远镜上的幸运成像系统,以完成对空间目标图像的恢复。系统由5部分组成:预处理、帧选择、图像配准、图像重建和图像增强。对于点目标图像,系统使用斯特列尔比做为像质评价函数,配准算法使用最亮点匹配或质心匹配;对于扩展目标图像,系统采用Fisher信息值或SOBEL算子函数进行像质评价,图像配准采用基于GPU的傅里叶-梅林变换及SIFT匹配算法。用户还可以根据目标图像的特点手动选定图像,并选择合适的配准算法。该幸运成像系统已经成功地应用在1.23 m望远镜的成像探测中,并取得了较为理想的实验结果,成功地获取了月表、木星等空间目标的清晰图像。实验结果表明,该幸运成像系统可以显著地提高通过大气湍流的成像分辨率。     

提高大口径望远镜控制系统闭环带宽的方法

为了提高大口径望远镜的抗风载扰动能力和对目标的跟踪精度,要求望远镜控制系统有较好的动态性能和稳态跟踪精度,望远镜的闭环控制带宽决定了控制系统的跟踪性能。因此,首先根据望远镜结构的二质弹簧质量模型,分析影响望远镜控制系统闭环带宽和动态响应的因素,进而介绍提高闭环控制系统带宽的两种方法:结构滤波器方法和加速度反馈控制方法;然后,详细分析了结构滤波器的设计方法及其望远镜控制系统中的应用;最后,分析了基于加速度反馈控制的设计方法以及该控制策略对提高望远镜控制系统闭环带宽的有效性。通过实验结果可以看出,加速度反馈控制方法对提高望远镜镜控制系统闭环带宽更加有效。     

大口径望远镜阻尼调制技术

针对大口径望远镜由于自身尺度的增加以及钢桁架结构所带来的阻尼不足的情况,开展了大口径望远镜阻尼调制技术的研究,提出了一种基于动力学模型的调制质量阻尼器的设计方法。首先分析了现有的大口径望远镜的阻尼调制策略,选择了使用专门的阻尼调制器的解决方案;之后,研究了建立系统动力学缩减模型以及基于该模型的动力学检测方法,为阻尼调制器的设计打下基础。最后,设计了适应某大口径望远镜主镜模态的调制质量阻尼器。为验证文中的正确性,针对一阶固有频率为172 Hz实验系统进行了阻尼调制实验,使用调制质量阻尼器后,该频率所对应的响应有明显的下降。同时,对于用于验证的大口径望远镜,计算得到其141 Hz的主镜模态对应的调制质量阻尼器质量为7.015 kg。刚度为5.506 N/mm。提出了一种基于动力学模型的调制质量阻尼器的设计方法。分析了现有大口径望远镜的阻尼调制策略,选择了使用专门阻尼调制器的解决方案,不仅可指导下一代望远镜的建设工作,还可以对现有设备进行有效的升级。     

空间太阳望远镜热设计

针对空间太阳望远镜工作时间长、工作环境苛刻的热特点,在极端工况条件下对空间太阳望远镜本体框架和导行镜进行热设计。通过在高低温工况下进行有限元仿真分析与热平衡试验,对本体框架和导行镜热分析与热平衡试验结果进行了对比,其温度均控制在22 ℃,并且同一工况下各组件的温度波动均小于1 ℃,验证了热设计的正确性。同时本体框架与导行镜有限元仿真与热平衡试验在高温工况下的功耗差为1.2 W,低温工况下的功耗差为0.8 W,仿真分析和热平衡试验吻合,分析正确有效,保证了望远镜在复杂工作条件下的正常工作,为提高空间太阳望远镜本体模块与对日追踪光学系统的可靠性与热设计优化提供了理论依据。     

大口径望远镜主镜支撑系统装调

针对1.2 m大口径望远镜主镜支撑系统,为保证主镜面形精度均方根要求,提出了一种有效的装调方法。该主镜支撑系统结合运动学原理,分别设计了Whiffletree轴向支撑和柔性切向杆侧向支撑结构,以保证其在较大温差范围内（-20~60℃）以及不同俯仰状态下（垂直-水平）始终具有较好的面形精度。机械加工误差及安装误差使柔性机构在组装过程中极易引入装配应力,明显地增大主镜表面变形。借助于有限元软件对装调过程中可能出现的误差进行仿真分析,根据结果制定装调流程,并对实际装调进行指导。完成主镜支撑系统装调后,采用补偿器和干涉仪对主镜的垂直检测及水平检测,检测出两种状态下主镜的实际面形误差分别为/42和/31（=632.8 nm）。