TMT三镜面形评价过程

TMT 望远镜是一台R-C 式的30m口径光学红外望远镜,其三镜为椭圆形平面镜,口径为3.594m2.568m,质量达到1.8 t。三镜系统需要把来自于次镜的光折转到望远镜两侧奈氏平台的科学仪器上,具有跟踪和快速定向功能,因此三镜位置也是三轴正交运动的结果。三镜支撑系统必须能够在多工况、变载荷的条件下有效保证镜面的面形精度,所以依据TMT 项目组要求面形结果需优于1/5波长(=632.5 nm) 或者斜率均方根小于1 rad。以三镜支撑的一种方案为例详细阐述了TMT 三镜面形评价的过程。这一方案中底支撑采用18 点whiffletree 结构形式,侧支撑采用8 点A-frame 结构形式。首先通过ANSYS 建模仿真,然后使用MATLAB 进行数据后期处理,依次去除结果中包含的刚体位移项、离焦和像散等,最后使用9 个子孔径来拼接归一化的三镜,同时计算每一个子孔径的斜率均方根。这一数据处理方法有别于以往圆形主镜镜面评价的过程,但适合对TMT 三镜椭圆镜面面形评价,且在光学系统中斜率均方根比均方根在镜面面形评价上更有意义。对于大口径反射镜镜面面型评价具有重要的指导意义。     

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。     

TMT三镜系统Rotator组件轴承设

以TMT三镜系统为对象，对其中的Rotator组件用轴承进行了设计，并对轴承关键参数的选取进行了探讨。首先，通过分析三镜系统的运动模式确定了系统的受载状态；接着基于Hertz弹性变形理论，建立了双列角接触球轴承的载荷-变形公式，采用牛顿迭代法对轴向、径向、角位移量进行求解，得到每个钢球受载和变形的精确解；最后对该轴承设计中的一些关键参数选择对承载能力的影响进行了讨论。计算分析表明，在三镜工作角度范围内，光轴方向最大变形为0.022 mm，滚道面内各个方向变形小于0.042 mm，最大角变形量为3.5，满足三镜系统的设计要求，并留有较大的设计裕度。建立的载荷分布方程及提出的参数选择原则对双列角接触球轴承的设计具有通用性，可适用于各种工况。     

TMT三镜系统中Stewart平台的优化设计

为了使TMT三镜系统具有跟踪瞄准功能,同时可以校正由于重力引起的结构变形,设计一个大型的Stewart平台来完成三镜的Tilt调整。根据初始参数对并联机构进行了位置反解的计算,并分别对支腿轴向力和刚度进行了建模,最后使用了Matlab进行优化计算,得出一组最优解。根据所求出的最优解使用ANSYS建立了三镜系统的参数化模型,并与Matlab联合仿真,对三镜系统的各个工况进行了有限元模拟。仿真得到三镜各个工作位置时的支腿的伸长量、重力下的变形、第一阶模态值以及六根支腿内力。模拟结果显示,最终设计的Stewart平台支腿的最大变形量为0.813 mm,与优化前的模型相比下降了20%;第一阶模态最小值为16.7 Hz,与优化前的模型相比上升了18%;六根支腿的轴向力最大值为27 219 N,相比优化前下降了15.9%。     

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。     

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。     

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。     

天文望远镜无偏消旋镜装调方案设计及验证

地平式天文望远镜在跟踪观测过程中,因方位轴与地球自转轴不重合及库徳光路中的折轴反射镜在望远镜跟踪过程中相对转动,会引入物方及像方视场旋转。传统的消旋K镜可以消除视场旋转,但会带来较大的仪器偏振,不利于望远镜实现高精度偏振测量。无偏消旋镜由5块反射镜组成,通过优化设计可以保证在消除像旋的同时减小仪器偏振,但其不规则的结构设计使装调过程面临新的挑战。针对无偏消旋镜提出双光路自准直装调方案,基于MATLAB仿真分析了镜面误差及光轴偏差对装调结果的影响,并对无偏消旋镜进行实验室装调及偏振检测。结果表明:无偏消旋镜经装调后倾斜误差可控制在15 arcsec以内,其仪器偏振明显低于传统K镜。     

卫星刚性载荷体在轨对称摆扫特性分析

为实现卫星摆扫成像,降低载荷体摆动过程中对卫星姿态的影响,提出两个相同载荷体对称摆动的方案,并规划给定角度范围内的摆动规律,使载荷体在滚动轴和俯仰轴分别具有0.6()/s、6 ()/s的角速度,通过对两载荷体摆动特性及动力学、运动学特性的分析,提出以反作用飞轮对卫星偏航轴剩余力矩进行补偿控制的方法。以某卫星示例进行仿真分析,结果表明:两载荷体对称摆动过程中滚动轴和俯仰轴的合成力矩和角动量对卫星姿态无影响,而偏航轴存在周期性变化的力矩,采用0.2 Nm的飞轮进行动量补偿后得到卫星姿态指向精度和姿态稳定度可以控制在0.032、0.006()/s以内,能够实现较高精度的对地面区域摆扫成像。说明以两载荷体对称摆动的方案实现卫星摆扫成像并满足成像需求,在设计理念上是可行的。     

外场热环境作用下地基望远镜温度分布预测

为研究外场复杂热环境对望远镜温度分布的影响,采用有限单元法,建立某全天候工作的激光通信地面站地基望远镜数值仿真模型。首先对望远镜主体进行稳态热分析,研究其在外场热环境作用下温度分布;再对主次镜进行瞬态热分析,研究其在通信时段与非通信时段温度变化。分析表明：冬夏两季望远镜最大温差为25.839℃,小于设计指标,证明望远镜能够在动态变化的外场环境中稳定通信;主次镜温度变化相较于舱内环境温度具有明显滞后性且幅值更低,在后续热分析中能够针对不同时刻正确设置主次镜温度边界条件,避免使用较高的舱内环境温度等效主次镜温度;通信前半小时打开舱门主次镜与环境温差不足以降低到2℃以下,建议设计合理热控措施,缩小舱内环境温度与外场环境温度差距,以保障望远镜通信质量。     

摆镜式激光通信终端光束指向与粗跟踪特性

基于两正交旋转轴的单平面镜（摆镜式）激光通信终端的粗跟踪问题,提出了一种求解光束指向的法矢量求解算法,给出了该类型通信终端的粗跟踪算法。采用矢量反射定律和矩阵旋转变换规律,理论推导了摆镜的光束指向模型和跟踪模型,对比分析了不同安装方式对光束指向和畸变的影响,并对模型分别进行了建模仿真和实验研究。结果表明:光束传输模型和粗跟踪模型的精度优于3 μrad,所研制的摆镜式激光终端粗跟踪精度,最大误差优于15.5 μrad (3σ),均方根误差优于10.5 μrad,满足激光通信终端对高精度粗跟踪的技术要求。该研究工作对摆镜式扫描系统的光束指向分析和激光终端粗跟踪具有借鉴意义。     

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。     

基于角接触球轴承的小型经纬仪方位轴倾斜误差修正

基于角接触球轴承的小型经纬仪方位轴系设计往往参照相似模型进行估算和类比,该方法可提高设计效率,且设计轴系具备较好工程实施性,但这种基于经验的设计往往不是最佳设计,具有优化改进空间。针对某小型经纬仪的方位轴系,从方位轴倾斜误差修正角度出发,基于物理模型确定了轴系优化参数,利用有限元分析方法对轴承外压圈设计参数进行了优化,同时通过方位轴倾斜误差理论建模对轴承配合间隙设计参数值选择进行了分析,并在偏载吊装条件下对该小型经纬仪优化前后的二轴差进行检测。结果表明,优化前经纬仪二轴差约为20″,优化后经纬仪二轴差最大约为6″,优化后方位轴倾斜误差明显小于优化前,进而验证了所述优化方法的合理性和有效性。     

一种共光路自动对准系统

强激光发射装置和光电跟踪系统中,光学器件多,光路复杂,光学机械零件位置的相对移动会使光轴平行度偏离,为此提出一种共光路自动对准系统.基于对准原理,利用激光发射光路,建立上、下行基准光束,使之分别与系统轴系、出射激光平行,并且通过自准直CCD测角仪测出上、下行光路的角偏差值,控制信号驱动快速控制反射镜,使快速控制反射镜两轴转动到角偏差为零值,实现发射激光与一级扩束系统对准及一级扩束系统与跟瞄系统之间的精密自动对准.实验结果表明,对准后的光轴平行度为5.21",快速控制反射镜的闭环精度不大于5".     

空间稳像系统摆镜设计与仿真

摆镜作为稳像系统核心部件,摆镜单元的性能参数和外载荷对摆镜面形的影响为摆镜设计和装配的主要约束条件。在设计约束基础上,对摆镜及其装卡结构材料进行了选择,对结构进行了轻量化设计。为考察外载作用对摆镜面形影响规律,使用接触非线性有限元方法对摆镜组件进行了仿真,使用基于Zernike多项式的光机集成仿真方法消除刚体位移,得到了消除刚体位移后摆镜面形参数。仿真结果表明:外载作用下摆镜刚体位移明显;预紧力作用下刚体平移占据了刚体位移的主要方面;动力载荷作用下,当重力存在于光轴方向时,静力载荷对摆镜面形起主要作用,否则动力载荷对摆镜面形起主导作用。在仿真数据基础上,对摆镜零件进行了加工和装配,对装配后摆镜进行了面形测试,测试结果表明:摆镜面形能够满足设计要求,也说明了摆镜结构设计的合理性和仿真方法的有效性。     

自由空间光通信ATP系统关键技术研究

自由空间光通信将成为未来通信的最佳解决方案之一。首先需要解决实现空间光通信的关键问题是光束的捕获、跟踪和瞄准。该文介绍了自由空间光通信终端机中ATP系统的组成和工作原理，设计了用于ATP系统的精瞄偏转镜、闭环控制器、星上终端二次电源系统，并给出了该系统性能的测试结果。     

600mm薄镜面主动光学望远镜轴系结构设计

为研究大型望远镜薄镜面主动光学的核心技术,以600 mm望远镜为缩比系统,采用高精度标准轴承设计了具有快速装调、高互换性和便于维护等特点的俯仰-方位轴系结构.俯仰轴系由向心角接触球轴承构成,方位轴系由推力球轴承和双列圆柱滚子轴承构成.采用有限元软件Patran仿真得到了系统的前三阶固有频率和振型.分析了影响轴系回转精度的误差源,采用谐波理论对轴系误差测量结果进行了处理,得到俯仰轴系晃动误差为4.2,方位轴系晃动误差为9.3.望远镜在外场观星试验中得到了比较理想的成像效果,验证了轴系结构设计的合理性和正确性,并为中小型望远镜高精度轴系的研制提供了设计依据和技术途径.