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%.     

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。     

平差理论在大口径光学元件轮廓检测中的应用

为了更好地进行大口径光学元件轮廓测量,以激光跟踪仪作为测量的工具,引入测量平差理论对测量数据进行处理,以提高光学元件毛坯制作、铣磨加工阶段的轮廓测量精度。首先,对拟合误差的公式进行了推导,得出影响拟合精度的因素;之后,对于大口径元件轮廓测量的具体检测模型提出了提高拟合精度的方法;最后,对于实际的2 m量级口径的SiC主镜进行了实际的测量与拟合,并从F数、拟合残差、结构函数等角度分析了平差结果。所提出的方法对于大口径元件的加工检测具有较好的指导意义。     

大口径望远镜镜面视宁度检测方法综述

望远镜分辨率和集光能力与其口径成正比。随着人类对于望远镜分辨力要求的日渐严格，望远镜的镜面尺寸也在不断的增加。镜面尺寸的不断加大，使镜面视宁度变得越来越重要。镜面视宁度主要是指由于镜面表面的湍流所导致的像质下降。当镜面尺寸超过当地大气湍流尺度时，就不得不考虑这一因素对于成像或者加工的影响。系统的工作环境在一定程度上会影响镜面视宁度，所以镜面视宁度对于集成检测过程也有重要的意义。因此，为了提高镜面加工的面形精度，检测系统的集成效果，必须精确测量仪器的镜面视宁度，从而为其加工检测和应用集成提供判断。文中从原理、研究现状以及在镜面视宁度上的应用三个方面出发，阐述了一维检测(自准直仪法等)、二维检测(斜率/曲率法、全息波前传感法和剪切干涉法等)、三维检测(全息粒子测速法与温度场法等)。通过介绍面向不同场景与检测要求的检测方法，对镜面视宁度的检测具有很好的指导意义。     

反射镜柔性支撑结构的模态参数分析

为解决全面、准确地检测反射镜柔性支撑结构的柔度参数的问题,将参数辨识技术应用到柔度测试领域中。开展了在频域中基于模态参数辨识理论分析柔性支撑结构柔度参数的分析。首先,对于串联弹簧-质量-阻尼系统的传递函数及其性质进行了推导,建立了一种对于串联模型端部子系统参数进行辨识的方法;然后,利用计算机进行了数值仿真,以验证上述理论推导的准确性;最后,针对某小型反射镜的柔性支撑结构Bipod进行了实验验证。实验结果表明,该测试方法与传统的测量方法相比误差小于5%,证明了该方法的可行性,对其他柔性部件的检测分析都有较好的指导意义。     

奇异值方法在大口径反射镜面形分析中的应用

为了更好地分析大口径反射镜的面形,引入奇异值方法来分析系统的重力印透造成的大尺度起伏以及由磨削加工、测量噪声等因素造成的中高频误差。首先对奇异值分解的基本方法以及在反射镜表面评价中的具体应用方法进行了研究;之后利用数值仿真,验证了奇异值分解应用在反射镜表面分析中的可行性;最后,将提出的方法应用在实际的反射镜镜面评价之中,得到系统去除高频误差后的结果。所提出的方法对于低信噪比的大口径反射系统面形评价有较好的指导作用。     

基于曲率/斜率混合传感的镜面视宁度检测方法

随着光学元件的口径增加,无论是在加工检测还是在站址观测过程中,镜面视宁度的影响已经越来越难以忽略。在此情况下,研究可以定量测量镜面视宁度的方法与设备就显得十分重要。基于曲率/斜率混合传感策略,结合冷冻湍流假设实现镜面视宁度评价在时-空域上的转化,实现对镜面视宁度大动态范围的检测。首先,对曲率/斜率混合传感的基本方法进行了理论推导,并以标准化点源敏感性作为评价指标进一步分析了检测过程中的镜面视宁度变化。实验结果显示,在热扰动流场较为均匀时,镜面视宁度的影响较流场反复变化时小,由于湍流不稳定所引入点源敏感性（PSSn）为0.971 8。实验结果证明基于曲率/斜率混合传感的方法可以定量分析大口径光学元件镜面视宁度,对于后续开展的大口径系统设计优化与检测加工具有很好的指导意义。     

基于结构函数的大口径望远镜中频误差分配研究

为了更好地对于大口径望远镜中频误差进行评价与分配,本文引入了结构函数来进行研究。本文首先对于结构函数的基本性质进行了推导,并与传统的误差均方根(RMS)进行比较,表明了其表征不同尺度误差的能力。之后分析了系统波前在不同的评价尺度下的统计特性差异,得出在较小尺度下,系统的误差分布可以较好的服从正态分布,而随着尺度的增加(如大于100mm)会逐渐偏离正态分布的结论。然后根据结构函数的基本性质,提出了一种可以同时考虑诸多误差源的大口径望远镜中频误差分配方法。结合美国三十米望远镜(TMT)团队所提出的标准化点源敏感性(normalized Point Source Sensitivity,PSSn),建立起了由结构函数到标准化点源敏感性的换算关系,通过此方法来进行误差分配指标间的交叉验证以及与其他单元技术之间的对接。最后,根据本文所提出的方法,对于某大口径望远镜的主镜系统进行了误差分配,得到在大尺度均方根为25nm,粗糙度为1nm,中频尺度为250mm,大气相干长度为0.4m(检测环境)的要求下,该系统的结构函数满足要求,同时由要求结构函数所计算得到的PSSn=0.999 6大于由镜面数据直接得到的PSSn=0.999 5,同样满足要求。     

大口径光学系统的镜面视宁度检测

为了保证大口径光学镜面加工检测的质量和效率,提出了提高大口径光学系统镜面视宁度检测精度的方法。利用电子自准直仪以及平面镜确定波前斜率,推导了基于斜率信息与镜面视宁度之间的关系。为了提高测量精度,突破单台自准直仪精度限制,采用三台自准直仪进行互标校。为了进一步降低误差,使用六自由度平台支撑立方反射体,使精度提高至0.01″量级。另外,结合频响函数的相关理论,估计得到了六自由度平台在检测环境下所引入的误差。最后,引入标准化点源敏感性(PSSn)对结果进行评价,并开展了数值仿真实验。针对模拟镜面视宁度,分别计算两个方向的斜率功率谱以及原始波前功率谱,然后利用之前给出的功率谱与PSSn之间的关系得到了两个方向的PSSn均为0.999。该镜面视宁度测量方法可以在模拟望远镜实际工况下,完成对于系统主镜视宁度的定量预测。     

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。