大射电望远镜新构型的结构优化设计、虚牵索的抑制分析及风致振动实验研究

大射电望远镜馈源柔索支撑系统是一类大跨度柔索并联机器人(WDPR)。为了抑制悬索虚牵和馈源舱的风致振动,提出了在此机器人的动平台上增加盛液容器的结构新方案。首先,运用Guldin定理确定轮胎状附加容器中液体体积在并联机器人的不同俯仰角度处的静态分布规律,进而建立此机构的力学模型;其次,建立WDPR非线性两层优化模型,并应用遗传算法获得LT500 m附加容器结构的优化参数;最后,从数值分析和实验两种途径分别检验新方案克服悬索虚牵和抑制风振的效果。分析与实验结果表明与原构型相比,该结构方案能够抑制悬索的虚牵和风致振动。     

基于物理规划的 Stewart 平台多目标优化

应用物理规划方法对500米口径球面射电望远镜(FAST)精调 Stewart 平台进行了多目标优化设计.根据 Stewart 平台的设计准则,将 Stewart 平台的运动精度、重量和工作效率作为目标函数,构造了相应的以目标函数为变量的偏好函数,建立了基于物理规划的多目标优化模型,采用遗传算法对该优化问题进行求解.结果表明,物理规划避免了基于权重的多目标优化方法中权系数难以确定的问题,有效地给出了优化问题的 Pareto 解.     

基于衍/折射光学元件二级光谱的校正

采用衍射和折射光学元件结合的方法，对星载用长焦距望远物镜的二级光谱进行了复消色差设计。计算机模拟结果表明：校正后的望远物镜满足了使用要求，并且设计方法简单可行.     

FAST深空数据传输速率分析

500 m口径反射面射电望远镜(FAST)是目前世界口径最大、最灵敏的射电天文望远镜.为了分析FAST对深空探测任务的数据传输支持能力,利用数据传输链路预算分析方法,在规定特定工程余量的条件下,详细计算了FAST应用在内行星、外行星及柯伊伯带(Kuiper belt)天体探测任务中的数据传输速率.计算结果表明,FAST等效成口径300 m的地面接收天线,能使目前的深空通信数据下行传输速率提高70~400倍,未来其将会强有力地支持我国的火星、木星等深空探测任务.     

基于GPS的射电望远镜跟踪平台的研究

现今,大型的射电望远镜项目在各个国家都得到了普遍的重视。但是,市场上需求越来越多的是小型的射电望远镜或者科普类的射电望远镜。大型的射电望远镜天线,指向精度要求高,观测的过程中需要做各种实时修正,允许投资较多于控制模块,大多采用计算机闭环程序控制。虽然在大型的射电望远镜上这样的控制方法取得了很好的效果,但是对于小型的射电望远镜来说昂贵和复杂的闭环控制方式并不是适用。所以,本文通过实践调研,通过按键控制电路来控制单片机的工作模式来代替原来庞大的控制台,并经过大量的调试,实现了可适用于小型天线的控制系统。     

大型望远镜主镜位姿解算与监测系统设计

准确解算与监控大望远镜主镜位姿是实现主镜位置控制,提高大望远镜成像质量的前提。根据大望远镜的主镜控制的需要,研制了大望远镜主镜位姿解算与监测系统。利用主镜底部安装的3个直线位移传感器,由主镜移动的几何位置关系实现轴向自由度Z,旋转自由度Rx、Ry的解算,利用主镜侧向安装的3个位移传感器,考虑了主镜材料温度变化,实现了轴向位移X、Y,镜温度导致的半径变化r的解算。利用虚拟仪器技术实现了对传感器数据的采集分析及实时监控,仿真出主镜位移变化的三维运动。在重复精度为平移误差小于1μm,角度偏转误差小于1 arcsec的Stewart平台上安装虚拟镜,安装底部和侧向传感器,解算与监测虚拟镜的各自由度位移并进行测试。结果表明:在位移X、Y、Z整个量程-2.2~2.2 mm内,解算与基准位移差在10μm以内。在旋转位移Rx、Ry整个量程-1 500~1 500 arcsec范围内,解算与基准位移差在15 arcsec内,满足大型望远镜解算位移及控制要求。     

地基望远镜风载数值分析

风载是影响地基望远镜性能的主要因素之一,为了研究风载荷的作用以及对望远镜性能的影响程度,首先建立了望远镜、圆顶和流场的几何模型。然后利用CFD(Computational Fluid Dynamics)分析了在外界风速为10 m/s 的情况下,3 种不同高角(30、60、120)流场中截面空气速度、压力、湍流动能以及主镜面的静压力的瞬态分布,最后通过有限元方法获得了主镜去除刚体位移后的面形。仿真结果表明,望远镜以不同高角观测时主镜面静压力功率谱密度与Gemini 望远镜的实测结果接近,真实模拟了风载荷的作用。由风载引起的镜面变形RMS 值分别为3.74E-1 nm,2.5E-2 nm,1.71E-1 nm,满足面形精度要求。     

用于太空望远镜的大口径薄膜菲涅尔衍射元件

为了满足空间衍射成像系统对大口径、轻量化衍射元件的需求,设计制作了直径为400mm的聚酰亚胺(PI)薄膜菲涅尔衍射元件。通过紫外光刻、离子束刻蚀等微细加工方法在石英基底上制作衍射图形,然后将衍射图形复制到PI薄膜上得到菲涅尔衍射型薄膜元件。结合有限元法探究了薄膜复制过程中热应力的变化规律及降低热应力的方法,分析了影响薄膜衍射效率的因素及薄膜制作误差、温度变化对薄膜成像的影响,最终实现了大面积薄膜与基底的分离,并通过局部氧气等离子体轰击提高了薄膜衍射效率的均匀性。经测试,薄膜菲涅尔衍射元件的厚度约为20μm,在波长633nm处的实际衍射效率平均值为33.14%,达到了理论效率的81.83%,衍射效率的均方根值RMS=0.01。实验结果表明,通过紫外光刻、离子束刻蚀和薄膜复制的方法可以得到大口径、高衍射效率的薄膜菲涅尔衍射元件。     

基于多 CNN 的分块镜 piston 和 tip-tilt 误差同步检测方法研究

绝大多数大型望远镜采用分块镜的设计方案,为了获得优质的成像效果,需要控制分块望远镜系统的 piston 和 tip-tilt 误差。 神经网络误差检测方法相较于传统的检测方法具有一定优势,但存在仅检测单一类型误差的局限性。 本文提出一种基 于卷积神经网络的 piston 和 tip-tilt 误差同步检测方法,通过在出瞳面设置具有离散孔的光阑,引发分段镜反射的子波发生干涉 -衍射现象,构建包含丰富 piston 和 tip-tilt 误差信息的数据集。 通过粗测网络和精测网络级联,满足大范围和高精度同步检测 的需求。 结果表明,该方法实现了对输入光源相干长度内纳米级的 piston 误差检测,并对 10 μrad 范围内的 tip-tilt 误差实现了 亚微弧度检测;对 40 dB 的 CCD 噪声表现出良好的抗干扰性,对面形误差的允差为 0. 05λ0RMS(λ0 = 600 nm),同时对六子镜系 统具有可扩展性。 本文方法光路简单,操作便利,具有实际意义。     

空间太阳望远镜主光学数据处理系统EGSE研制

分析了空间太阳望远镜(Space Solar Telescope)有效载荷EGSE(Electrical Ground Support Equipment)的功能需求,给出了基于通用平台的SST有效载荷EGSE的设计和双通道主光学望远镜数据处理系统(MOT-SDUP)EGSE软件的研制.EGSE实现了接口仿真、测试过程监控以及测试结果分析等任务.其软件基于通用平台开发,具有良好的可扩展、可继承性,可以扩展用于SST其余载荷仪器EGSE以及整个有效载荷分系统与整星的电测试,从而达到节约成本,缩短开发周期和提高可靠性的目的.基于通用卫星测试软件平台GSEOS的双通道MOT-SDPU EGSE开发经验,可供国内其他航天项目EGSE开发参考.