30m望远镜三镜系统初步设计与分析

为保证30 m望远镜(thirty-meter telescope,TMT)聚集的光线顺利进入各个终端设备,设计了一套适用于30 m望远镜的精密跟踪指向三镜系统.该系统包含有基于Whiffle-tree原理的三镜支撑系统设计和采用地平式结构的跟踪指向系统设计2两个部分.通过参数化建模手段,在ANSYS中建立了系统的详细模型,联合Matlab完成了98个主要工况下的静力学分析后,对镜面面形结果以及结构变形情况进行了统计总结.最后将面形误差引入到ZEMAX中,分析了三镜面形变化对光学调制传递函数的影响.结果表明:98个工况下三镜位置与理想位置最大偏差为1.28 mm,系统的第一阶谐振频率为15.1 Hz,各工况下三镜面形精度均满足指标要求.三镜面形误差对系统MTF影响较大,但通过主镜主动光学校正后可以明显提高成像质量,满足使用要求.通过分析可知,该方案能够满足30 m望远镜项目的需求.探索与解决巨型望远镜的这些技术问题能够大大提高中国在超大口径光学望远镜上的设计和制造能力,并为建设中国下一代巨型望远镜积累丰富的经验.     

TMT三镜缩比系统cradle组件结构设计与分析

三十米望远镜(TMT)三镜系统具有跟踪瞄准功能,其结构类似于地平式望远镜,其镜室托架(cradle)功能相当于望远镜中的四通组件,其结构设计对系统指标有着直接的影响。以三镜缩比系统为例,为了提高cradle组件的结构刚度质量比,根据三镜系统结构特点,提出了桁架拼接式的结构设计,利用有限元方法对其进行了静力分析和模态分析。结果表明,在重力沿x、y、z方向三种工况下,cradle组件最大变形分别为0.064mm、0.015mm、0.025mm,其一阶固有频率为74.4Hz,利用模态分析仪对cradle组件实物进行了模态检测,其结果与模态分析前四阶结果最大相对误差为10.2%,显示所设计结构满足使用需求。     

基于展开式望远镜的次镜调整结构设计

次镜作为展开式望远镜系统的重要光学组成部分,其位置姿态精度直接影响着成像质量的优劣;针对展开式望远镜系统次镜的五自由度位姿调整性能及精度要求,设计了一套由二自由度调节平台与三自由度倾斜调节机构组成的五自由度调整机构,将压电驱动下的柔性微动机构应用于对次镜XY向的精密调节之中;利用理论建模与有限元工程分析相结合的研究方法对压电精密驱动柔性平台动态驱动特性、承载性能进行分析;结果表明,所设计的五自由度调整平台能够满足次镜所需调节精度要求,具有实际意义。     

望远镜主镜支撑中粘接连接的热应力研究

支撑与镜面的连接是大型望远镜主镜支撑的关键技术之一,连接的好坏直接影响望远镜的成像质量。相比机械紧固方式,粘接连接具有重量轻、成本低、易于装配等优点,常被用来作为支撑和主镜的连接方式。但由于粘接连接中镜子和粘接层的材料不同,在温度变化时,会引起较大的热应力,从而影响主镜的面形质量,因此对粘接链接中的热应力也需要进行研究。为此本文使用有限元方法对粘接层的热应力进行了系统研究,采用了MMT望远镜的支撑结构形式,通过计算镜子表面热应力分布情况,找到热应力最大值,并研究了几何因素、粘接层厚度和粘接层模量对热应力最大值的影响。     

望远镜跟踪架结构形式及测量原理浅析

望远镜跟踪架的结构形式至关重要,它将影响整个跟踪系统的跟踪精度和快速响应等性能指标。本文介绍了望远镜跟踪架的三种结构形式—赤道式、地平式和水平式,通过建立赤道式、地平式和水平式坐标系,相应介绍了三种跟踪架的测量原理,对三种结构形式的跟踪架的特点进行了讨论分析,赤道式利用赤经轴的匀速转动抵消地球自转产生的星体的视运动,主要用于天文观测,地平式具有较好的承载能力,应用较为广泛,现代大口径望远镜均采用地平式结构,水平式无天顶盲区,对高仰角空域目标跟踪性能优异。     

Evaluation of the Performance of the GSSM Under Vibration Based on Normalized Point Source Sensitivity

基于归一化点源敏感性的GSSM振动影响评价

安其昌^1,2,张景旭¹,杨飞¹,赵宏超¹

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;

2.中国科学院大学,北京 100039）

创新点说明：

1）深入研究了振动对于GSSM光学中继作用的影响,并建立与PSSn的联系;

2）引入统计矩的方法获得GSSM在任意可测载荷下的光学传递函数;

3）引入功率谱的方法获得GSSM在统计载荷下的光学传递函数。

中文摘要：

巨型可控科学反射镜系统（GSSM）是国际合作项目30 m望远镜（TMT）的三镜。为全面研究GSSM 在振动下的光学传递能力的降低,本文引入了归一化点源敏感性（PSSn）以实现在整个频域上全面地评价系统所受到的影响。首先,介绍了PSSn的基本概念和定义,推导了在大气视宁占主导情况下系统PSSn的计算方法,为GSSM的概念设计与误差估计提供理论依据。之后,对在可测的任意载荷及符合统计规律的载荷（如风载）这两类载荷下的系统光学传递函数的计算方法进行了研究。在任意载荷下使用的是所测得振动的高阶统计矩,通过数值的方法来获得系统的光学传递函数;而对于符合统计规律的载荷,使用功率谱来进行分析。通过实测结合仿真得到GSSM在上述两种情况下PSSn从0.996分别下降到0.994和0.991。本文的研究,建立了GSSM所受振动与PSSn之间的关系,可以为系统工程师在进行GSSM以及TMT的误差分配过程中提供参考。同时由于PSSn良好的合成特性,可以结合其他误差项一起考虑。

关键词：三十米望远镜;标准化点源敏感性;光学传递函数;机械振动

     

基于ZEMAX的折反射式望远物镜的设计

折反射式望远物镜顾名思义是将折射系统与反射系统相结合的一种光学系统,这种系统的特点是便于校正轴外像差．以球面镜为基础,加入适当的折射元件,用以校正球差,得以取得良好的光学质量．在设计过程中通过对计算数据的优化、对像差的校正,逐步达到了预期的要求．这次设计的折反射式望远物镜由两片球面反射镜及五片折射透镜组成．     

Ws832分光数码望远镜光学系统设计

本文提出一种望远系统和摄影物镜一体化的设计方案。望远系统中物镜采用三分离式来获得更好的像质,目镜采用非完全对称的对称式结构,在获得合适的工作距离和较长出瞳距离的同时使像差得到良好校正;数码相机部分采用petz-val物镜的形式,其中望远物镜为其前组,经分光板分光,成像光束到达后组,后组采用双分离镜片,并在靠近像面处加场镜,以校正场曲和畸变,提高轴外视场的像质。     

九子镜多镜望远镜系统仿真方法的研究

在分析光学设计软件模拟光学面型基本原理的基础上,提出借助该软件接口,通过程序设计建立面形文件,仿真九子镜多镜望远镜系统的方法。首先,分析九子镜稀疏孔径结构特征,推导在球面主镜上确定子镜位置的公式。然后,开展程序设计,规定光线经过九子镜稀疏孔径结构光学面的传播属性,建立用户定义面形文件,实现仿真九子镜多镜望远镜系统。最后,给出评价系统的仿真实例。结果表明,仿真方法合理有效,对仿真其他结构的稀疏孔径系统具有重要的参考价值。     

基于DCPS的分布式实时通信体系结构分析及时延测试

针对分布式实时系统对结点间通信延迟的确定性要求,探讨了基于DCPS通信模型的分布式实时通信体系结构.分析了联邦式、分布式和集中式的DCPS通信模型体系结构设计策略及其对分布式实时系统通信延迟、可靠性及可扩展性的影响,通过定义实时通信测试主题,设计外部应用接口,提出了一种分布式实时系统的通信延迟测试方法.结果表明,在有效满足分布式实时系统对网络通信延迟确定性要求的前提下,以分布式体系结构设计策略实现的DCPS通信模型具有更小的通信延迟及抖动.     

粘结连接在望远镜主镜支撑中应力分散作用研究

支撑与镜面的连接是大型望远镜主镜支撑的关键技术之一,连接的好坏直接影响望远镜的成像质量。相比于机械紧固方式,粘结连接具有重量轻、成本低、易于装配等优点,常被用来作为支撑和主镜的连接方式。而硅橡胶粘结剂在固化后模量较低,因此硅橡胶粘结层还具有分散应力的作用。过去对主镜粘结研究主要集中在粘结强度方面,而对其他性能研究较少。本文使用有限元方法对粘结层的力分散作用进行了系统研究,借鉴了MMT望远镜的分析方法,通过计算应力分散因子PCF来评价粘结层的应力分散能力,并分析了粘结层模量、厚度等对力分散作用的影响。     

带有未建模动态的光学跟踪望远镜的鲁棒自适应控制

针对光学跟踪望远镜非线性数学模型，提出一种鲁棒自适应控制器的设计方法，可用于存在未建模动态和未知有界扰动的情况。通过引入一动态信号抑止未建模动态的影响，并采用自适应阻尼来抑止各种不确定性。应用Lyapunov稳定性理论证明，本鲁棒自适应控制器可保证整个非线性系统的稳定性，且通过适当选择参数，满足任意的跟踪精度。仿真试验表明，和有关文献的模型参考自适应控制器相比，本鲁棒自适应控制器能够保证输出跟踪任一光滑参考信号，自适应速度快，控制效果有很大的改善。     

基于图像传感的焊缝自动跟踪系统设计

本文提出了一种基于图像传感的焊缝自动跟踪系统.系统应用CCD(Charge Coupled Device)图像传感器采集焊缝图像,并应用由VC 语言设计实现的图像处理软件对焊缝图像进行处理及特征值提取.基于图像传感的焊缝自动跟踪系统实现了焊接机器人对焊缝的实时自动跟踪.     

大射电望远镜精调Stewart平台工作空间分析

针对大射电望远镜精调Stewart平台的五自由度运动特性,采用快速极坐标搜索法确定了五自由度大射电望远镜精调Stewart平台的工作空间. 通过实例分析验证了所提出的工作空间分析方法的有效性. 为大射电望远镜馈源轨迹跟踪实现和精调Stewart平台的设计奠定了坚实的基础.     

大视场红外搜索系统的光机结构设计

设计了具有小型化、集成化的兼具大视场和高分辨率的红外搜索系统。首先阐述了系统的工作原理：采用扫描成像方法将9个凝视视场的图像拼接获得大视场高分辨图像;光学系统结构由偏移视场棱镜组、扫描镜和成像镜头三部分组成,光学设计的单个凝视视场范围为6.87°×5.50°,通过上述扫描方式拼接后获得6.87°×45.10°的大视场,对系统的成像质量进行了分析与评价,在20lp/mm时系统MTF接近衍射极限;重点介绍了扫描镜机构中传动装置以及图像采集时序设计,完成加工装调后系统重量52kg,扫描装置运转平稳,光机设计结果均达到设计要求。     

望远镜主镜柔性侧支撑机构设计研究

侧支撑是大型望远镜主镜支撑的关键技术之一,侧支撑机构具有结构复杂、精密性高、运动量微小、无污染等特点,其性能优劣直接影响望远镜的成像质量甚至主镜自身安全。相比于传统机械式铰链机构,柔性结构具有体积小、无摩擦、无间隙以及无需润滑等优点,更加适用于大型望远镜主镜侧支撑机构。本文通过对柔性结构柔度矩阵的分析,利用等效弹性模量方法降低柔性结构设计及分析难度;针对一种基于运动学平衡原理的柔性侧支撑方式,通过等效弹性模量方法优化柔性结构尺寸,以满足大型望远镜主镜对于侧支撑机构的面形精度、定位精度、热匹配能力、固有频率的技术要求。     

Principle demonstration of fine pointing control system for inter-satellite laser communication

Due to high data rates and reliability,inter-satellite laser communication has developed rapidly in these days.However,the stability of the laser beam pointing is still a key technique which needs to be solved;otherwise,the beam pointing jitter noise would reduce the communication quality or,even worse,would make the inter-satellite laser communication impossible.For this purpose,a bench-top of the fine beam pointing control system has been built and tested for inter-satellite laser communication.The pointing offset of more than 100rad is produced by the steering mirror.With beam pointing control system turned on,the offset could be rapidly suppressed to lower than 100 nrad in less than 0.5 s.Moreover,the pointing stability can be kept at 40 nrad for yaw motion and 62 nrad for pitch motion,when the received beam jitter is set at 20rad.     

望远镜主镜位置解算算法研究

利用位移传感器测量望远镜主镜相对镜室的相对位置时,需要设计算法将传感器测得值解算为主镜的姿态和位置信息。本文对已有的算法进行了改进,从空间解析几何角度出发研究了主镜位置解算算法,并分析了传感器安装位置偏差对解算精度的影响,发现传感器安装径向尺寸误差对解算精度影响较小,而安装角度误差影响较大,并得到最佳的传感器安装角度为30°,从而得到最佳的传感器布局和解算方法。     

FAST中的宏/微机器人概念及索张力的优化配置

基于大射电望远镜ＦＡＳＴ创新设计中悬索与Ｓｔｅｗａｒｔ平台两级调节方案,提出了并联宏－微机器人的概念,建立了悬索柔性机器人的系统的逆运动学模型;针对悬索柔性的特点,在满足馈源电性能要求的前提下,提出了索系结构张力配置的优化方案,计算结果表明该方案可使悬索张力的分布更加均匀,并可避免悬虚牵,这一方案也可用于其他并联悬索结构的张力配置。     

改进型卡塞格林光学系统的设计

普通的卡塞格林光学系统,其主次镜分别由抛物面和双曲面组合而成,非球面镜的加工难度大、成本高,针对这些特点对卡塞格林光学系统进行了改进。改进型的卡塞格林光学系统与传统的卡塞格林光学系统对比具有加工难度小、成本低等特点,通过在系统最前面附加前校正组,使得主次镜可以由球面面型实现,通过在像面前设置后校正组使视场也得到了提高,与传统的卡塞格林光学系统20＇相比,它的视场可以拓宽到1.3°。系统设计结果通过传递函数与点列图的分析与衍射极限非常接近,为中等口径卡塞格林光学系统的设计提供了一个新的思考方法。