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。     

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.     

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。     

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%。     

大口径望远镜jitter检测与评估综述

为了更好地理解与评估大口径系统jitter,首先对jitter的概念进行了描述,之后对jitter的来源,影响因素等展开了论述;然后着重介绍了30 m望远镜的三镜系统(thirty meter telescope tertiary mirror,TMT M3),其要求在系统准直标校之后jitter的要求为0.1″RMS,经过自适应滤波之后为0.2 mas RMS,针对该要求,对TMT M3 jitter的分析与检测要求以及步骤进行了介绍。最后,从主动隔振以及控制策略的角度简述了对jitter的抑制方法。文章对理解jitter的产生与性质以及jitter的抑制都有着较好的指导意义。     

望远镜次镜钢索支撑结构动力学分析

为了增加大口径望远镜次镜支撑结构第一阶固有频率,采用施加有预紧力的八根钢索取代原有的四翼梁结构。文中首先根据Euler-Bernoulli梁理论将此次镜支撑结构简化为一个由质量点和梁组成的简化模型并使用变分法得出系统固有频率表达式以及系统第一阶固有频率;然后以1.23 m望远镜为例,计算得出预紧力为20 000 N时系统第一阶固有频率为18.9 Hz与有限元仿真软件ANSYS得出的17.8 Hz相比误差为6%,证明了简化的可行性与理论的正确性。最后通过分析次镜室质量不变的情况下,不同主镜口径下预紧力与次镜支撑结构第一阶模态的关系,得出对于1.23 m望远镜,施加70 000 N的预紧力即可以使一阶模态达到34 Hz,对于2 m、4 m口径的望远镜,通过调节预紧力,可以将一阶频率控制在20 Hz以上的结论。文中的方法可以用于类似结构的动力学特性计算;同时这种结构具有较高的抗扭转刚度,并能够有效减轻次镜支撑结构的重量,对于大口径光学系统的设计有很好的指导意义。     

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。     

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。     

基于光纤光栅的结构应变模态测试及参数识别

以光纤光栅传感器为测量手段实现了基于快速应变响应的结构模态分析。根据位移模态分析的基本原理,推导了应变模态参数识别算法,能够仅根据应变响应数据计算结构的模态参数。搭建了一套采样率为5 000Hz的光纤光栅快速应变采集系统,进行了等截面悬臂梁的光纤光栅应变模态试验并识别了悬臂梁的前5阶模态参数。光纤光栅方法与有限元分析结果相比,固有频率相对误差小于0.6%,比基于电传感器的位移模态测试结果更接近理论值。基于光纤光栅的应变模态分析方法附加质量小,能够适应更复杂的测量环境,具有一定的应用价值。     

TMT tertiary mirror axis calibration with laser tracker

A novel fiber Bragg grating(FBG)displacement sensor is proposed,which can achieve wide measuring range displacement detection with variable measurement precision due to its mechanical transfer structure of helical bevel gear.A prototype is designed and fabricated.The maximum detection displacement of this prototype is 1.751 m,and the precision grade changes from 0.2%to 6.7%.Through analyzing the experiment data which is obtained in the calibration experiment,the measuring range of this sensor is from 0 m to 1.532 m,and the wavelength shift errors between experiment data and theory calculation are all less than 5%.     

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。     

卫星激光测距系统控制分系统设计及实现方法

卫星激光测距系统是一套集光、机、电为一体的精密复杂系统。控制分系统主要通过精确控制激光器分系统、望远镜分系统、折轴光学系统实现测距信号的发射、接收和测距数据处理。是保证系统具有高自动化程度和高测距成功率的关键技术。使用 FPGA 设计制作控制信号板,产生激光点火信号和距离门信号,实现精确控制激光器、单光子雪崩二极管和时间计数器。 本文对系统的整个工作流程进行了仔细分析,设计出软件的各个功能模块。分别对 1m 望远镜、 激光器做了控制试验,用真实卫星白天测距数据做了数据处理试验,得到了很好的效果。     

南极大型望远镜主镜运输的抗振缓冲系统

我国南极天文台规划有一台主镜口径2.5 m的光学红外望远镜。这台望远镜在国内制造,以大型装配体的形式运输到南极天文台，从南极边沿的中山站到南极内陆的昆仑站需要用雪橇车运输。雪橇车在一些路段振动剧烈。文中以这台望远镜主镜运输的抗振缓冲系统为研究目标，首先研究了隔振系统理论模型，用四端参数法分析了双层隔振系统的传输特性，然后研究了南极内陆科考队在雪橇运输中测得的振动数据，分析了考虑底支承力不均匀时主镜运输的许用动力学条件，提出了一种包含杠杆式缓冲结构和聚乙烯泡沫塑料结构的双层隔振系统，最后对这种隔振系统的性能进行了有限元分析与多体动力学研究。结果表明:所提出的抗振缓冲系统在南极实测得到的最极端冲击信号的作用下可以满足主镜模块最大加速度不大于5 g的要求，此时主镜模块的 Z 向运动范围约1.2 m，该缓冲系统具有实用价值，可以在南极2.5 m望远镜主镜的整体运输中使用。所提出的方法对其他脆弱结构的缓冲系统设计有参考价值。     

五百米口径球面射电望远镜的相控阵馈源设计

相控阵天线作为射电望远镜的馈源时可以扩大射电望远镜的视场, 提高天空扫描速度和系统灵敏度.分析了相控阵馈源的阵列排布形式、阵列规模、阵元间距等参数对灵敏度的影响, 并给出了设计一般相控阵馈源的基本方法.针对五百米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope, FAST)的系统要求设计了一种工作在L波段的宽带双极化微带偶极子相控阵馈源.相控阵系统采用制冷放大器时所设计的馈源满足FAST系统性能指标.加工并测试了单个阵元的结果, 与采用HFSS软件仿真的结果相当吻合, 验证了所设计馈源的可行性.     

2 m望远镜消旋K镜转台的模型辨识

针对某2 m望远镜消旋K镜转台,提出了一种基于Hankel矩阵奇异值分解的特征系统实现算法对系统的参数和阶次进行辨识。首先,以正弦扫描信号激励转台并同步采集位置反馈信息,利用谱分析法对测试数据进行分析,得到了系统的频率特性曲线;其次,对系统的Hankel矩阵进行奇异值分解,得到了K镜转台的结构模型;最后,采用特征系统实现算法对Hankel矩阵进行辨识,得到了K镜转台的参数模型。实验结果显示:K镜转台相对均衡的最小阶阶次为6阶,在系统的中低频段获得幅度0.31 dB和相位0.87的辨识精度,相对于参数递阶辨识方法,分别提高了50.7%和23%。结果表明:该方法能够确定一个与系统外特性等价的相对均衡的最小阶状态空间模型,在辨识系统阶次和参数估计方面具有较好的可行性和实用性。     

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。