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.     

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...     

面向大口径地基望远镜视宁度检测方法综述北大核心CSCD

视宁度是现代天文学的一个重要概念。光在传输时受到大气湍流影响而发生闪烁与偏转,即视宁度。在地基大口径望远镜,激光大气传输等方面,视宁度现象对系统的图像质量起到了重要影响。为了对更加深远的宇宙进行探索,进一步围绕宇宙起源、暗物质暗能量等科学目标开展相关研究,对望远镜的分辨率与灵敏度也提出了更高的要求。在激光传输方面,激光通信、卫星遥感以及光学雷达等在大气环境下进行的工作也受到视宁度的影响。因此,如何检测视宁度,成为当前天文领域的重要课题。介绍了目前各类视宁度检测的现状,分析了DIMM、MASS、SCIDAR以及CFD等技术的原理,并在最后进行了总结与展望。     

采用液压Whiffle-tree的大口径主镜轴向支撑

轴向支撑对大口径主镜的定位及镜面变形有着重要的作用,为了深入开展该课题的研究,在传统机械Whiffle-tree支撑的基础上引入了轴向液压Whiffle-tree支撑。首先,从三点运动学定位支撑原理出发,介绍了Whiffle-tree支撑的特点与分类,着重对比分析了液压Whiffle-tree和机械Whiffle-tree支撑的优缺点。进而,根据液压Whiffle-tree的特点,分析推导了其建模方法,并运用该方法对一块18点液压轴向支撑的大口径主镜进行了静力学分析与优化,拟合后镜面变形RMS值为18.6 nm,满足设计要求。同时通过对不同建模分析结果的对比,验证了该建模方法的合理性和正确性,为大口径主镜的轴向支撑分析提供了一种参考。     

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。     

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。     

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。     

望远镜主镜面形误差的结构函数分析方法

望远镜主镜面形误差的指标制定、分析以及评价方法对主镜加工具有重要的指导意义。提出一种结构函数分析方法,利用它分析了大气湍流对望远镜系统成像质量的影响,制定出主镜面形加工误差的指标要求;通过建立泽尼克多项式与结构函数的直接转化关系,实现了对主镜面形误差的有效评价,给出了具体的转化步骤及结果;通过巨型麦哲伦望远镜(GMT)实例对分析过程进行了具体说明。结构函数分析方法与整镜均方根(RMS)波像差等方法相比,能更准确及完善地评价望远镜主镜的面形误差,对镜面加工更具指导意义。     

空间相机大口径主镜支撑结构设计

空间相机大口径主镜的支撑技术一直是空间相机研制的关键技术.本文介绍了一种相机大口径主镜球铰支撑结构在研制过程中出现的镜面面形随着外界装配条件及温度的变化出现像散的问题,并通过对球铰支撑结构的分析与研究,找出球铰支撑结构的弱点,提出一种新型的柔性支撑结构,通过工程分析及优化确定了柔性支撑结构,利用各种环境试验,证明该支撑...     

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。     

大口径大视场望远镜探测器平面度检测方法综述

为了更好地适应大口径大视场望远镜的成像要求,在相机焦平面拼接多个CCD使其能够覆盖望远镜的全视场成为大口径大视场望远镜光学相机设计的重点。本文系统地总结了当前国内外探测器平面度测量方法的最新研究进展,对比了应用较广的扫描白光干涉仪、三角激光测量仪以及激光同轴位移器的特点。文章还结合了国外大口径大视场望远镜中的相机焦平面靶面拼接特点,对其测量方法及设备进行了详细介绍和总结分析,为大口径大视场地基光电望远镜焦平面拼接探测器的平面度测量提供一定的经验参考。     

地基大口径望远镜热控技术

温度是影响地基大口径光电望远镜性能的重要因素之一。望远镜系统的任一环节存在过大温差或者温度梯度,都会降低望远镜的成像精度和跟踪性能。为了提高望远镜系统在工作时的性能和稳定性,需要对其进行全面的热控分析和设计。从望远镜防护圆顶内的环境温度控制、跟踪架结构的温度控制以及望远镜主镜温度控制等多方面入手,对各个环节进行了热控方法的研究和论述。针对所有环节中各种不同的结构形式都给出了详细的热控设计方案。这些措施可以很好地保持望远镜系统温度与外界环境温度相平衡,解决温度对整个望远镜系统的影响。该研究结果对于大口径望远镜的热控设计有一定的参考价值。     

大口径SiC主镜主动支撑研究及促动器设计

大口径轻量化SiC主镜是一种新型主镜,之前没有成功的支撑案例作为参考。通过对各类大口径主镜的主动支撑技术的优劣进行分析,确定利用液压并联力促动器的支撑方式对SiC轻量化主镜进行支撑,并利用自由谐振模式定标方法研究了某4 m SiC主镜的校正力需求,计算发现该主镜对力促动器的校正力分辨率要求为0.1 N。针对这一需求,详细分析了影响机械式力促动器精度的主要因素,并进行了相应的设计,采用步进电机作为动力源,通过大减速比减速器驱动滚珠丝杠输出微米级微位移,并利用复合弹簧系统将位移转化为作用力,最终设计并加工出一款高精度力促动器,并对促动器进行了测试,发现该促动器的输出力范围-400～400 N,位移分辨率0.96 m,力分辨率0.05 N,可以满足主动支撑对力促动器的需求。     

大口径反射镜轴向硬点定位

为了开展大口径主镜轴向支撑系统的研究,引入了硬点定位的概念。从三点运动学定位原理出发,详细地比较了不同支撑系统中硬点的特点和功能。进一步阐述了硬点在前期设计中所考虑的因素,分析了在特殊工况下,硬点与主镜轴向支撑系统刚度的关系,并选择了一块大口径薄弯月主镜作为对象,从静力学和动力学两个方面详细介绍了主镜硬点的设计过程,确定了其支撑圆半径和轴向刚度。讨论了当部分支撑点失效时,硬点与其他支撑点之间的相互影响。结果表明:新型轴向硬点定位较传统主镜定位方式优势明显,能够满足大口径主镜支撑系统的各项要求。     

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。     

基于dOTF的大口径透射光学元件检测技术

为了保证在重力变化下大口径巡天望远镜透镜组的成像质量,需要研究一种可以适用于大口径透镜组的波前检测方法,用于实现系统装调检测。首先,基于差分光学传递函数（differential optical transfer function,dOTF）建立了一套波前对准检测技术,在此基础上,分析了运算过程中相位解缠,CCD探测噪声以及大气扰动对检测算法造成的误差影响,结果表明检测误差分别小于10%、1%和2.5%,经过叠加可得整体的测量精度约为10.3%,满足一般大口径大视场检测系统设计指标。最后针对80 mm的透射式系统进行验证,由实验结果得到波前检测主要成分为彗差,与理论分析结果一致,符合几何光学预测结果。     

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。     

大口径主动光学巡天望远镜大动态范围曲率传感

为了保证外界环境剧烈变化下大口径巡天望远镜的成像质量以及实现系统的快速对准,其波前传感系统在保持像差检测精度的同时也需要具备较大动态范围。首先基于同侧离焦星点像光强分布与曲率传感技术建立了一套大动态范围的对准检测技术,分别使用解析式表达和机器学习方法实现离焦量以及系统其余低阶像差的解算。然后对不同类型像差的解算精度进行了理论分析,最后针对所提出方法进行实验验证,结果表明离焦检测误差(以波前RMS变化为准)分别小于5%,而失调检测误差小于15%,满足对准装调要求。