大口径环形分段光学系统基准构建方法

为了更好地对大口径分段望远镜进行集成检测与稳定性保持基准构建,本文提出一种大口径环形分段光学系统基准构建方法。首先,采用局部光瞳投射的方式实现光瞳对准映射;其次,利用微透镜阵列构建系统共焦空间基准;之后,基于环带整体调控模式,采用共焦与曲率半径联合分析,实现曲率半径与系统对准的共同调节;最后,利用白光干涉所形成的条纹包络进行粗共相探测,并利用通道光谱方法实现粗共相与精共相间的精度衔接,空间共焦基准定位精度优于125μm,共相基准覆盖范围优于20μm,精度优于0.5μm,光谱基准不确定度优于5%。实现了不同时空特征扰动的分层次、多模态抑制,利用以上共基准原位测量新方法有效提升了光学系统原位计量检测精度并缩短了溯源链长度,增加了检测效率与准确度。

多镜面大视场主动光学望远镜调控方法

为了更好地实现多镜面大视场主动光学望远镜波前像差抑制、提升望远镜探测能力极限,本文基于望远镜视场边缘内置的错位型曲率传感器进行波前感知,并利用功率谱对波前感知结果进行分析,进而基于波前像差的空间频率特征进行调控。首先,基于复光场理论分析了非瞳面对系统波前调控的影响机理。其次,分析了本方法在多镜面大视场主动光学望远镜调控过程中的精度特性。再次,利用桌面实验对多镜面大视场主动光学望远镜调控的可行性进行了验证。最终,波前重建结果与理论波前相关性高于0.85。利用功率谱对各个视场的空间频率特性进行了分析,与单纯使用均方根对多镜面影响敏感度进行分析的方法相比,灵敏度提升了20%。

大口径巡天望远镜分区域曲率传感方法研究

大口径巡天望远镜需要基于波前传感系统的反馈,进行主动光学闭环校正,以更好地发挥其极限探测能力。本文面向大口径巡天望远镜波前传感过程中,离焦星点像重合所导致的导星数量下降的问题,首先针对分区域曲率传感的基本理论表达进行了推导,之后,通过建立联合仿真模型,利用光学设计软件与数值计算软件之间的通讯交互,对分区域曲率传感的过程进行了仿真分析。最后,通过搭建桌面实验,分别就单目标与多目标的曲率传感进行了交叉比对,验证了算法的正确性。针对标准波前,本文所提出的方法与单导星曲率传感相比,误差为0.02个工作波长(RMS),误差在10%以内,可在传统主动光学技术的基础上,通过扩展可用导星,提升探测信噪比与采样速度,有效提升主动光学系统校正能力。

基于条纹传感的大口径透镜检测方法

为实现大口径透镜组的高质量集成,亟需一套透射波前检测系统,其可实现米级跨度上的微米级精度检测。针对大口径透射波前质量检测难题,采用非窄带干涉与条纹跟踪相结合的方法,获得元件相对倾斜以及支撑结构所引入的系统波前变化。首先,基于光纤互联架构,设计了子孔径分时复用测系统;其次,建立了斜率测量与最终系统波前的映射关系,分析了斜率重建过程对不同空间频率波前的影响;最后,利用桌面实验系统,针对探测原理进行了验证测试,在测试波长1550 nm时,干涉感知信噪比优于15 dB,测量范围优于5μm,探测精度优于0.5μm。本文所提出的方法可实现大口径透镜透射波前大范围、高鲁棒、高精度的检测,具有重要的意义,特别是对于未来大口径大视场望远镜的建设。

基于曲率传感的主焦巡天望远镜集成检测方法

通过对望远镜进行曲率波前感知,以更好地实现主焦巡天望远镜的集成检测。首先,利用傅立叶光学理论分析了主焦巡天望远镜曲率传感过程以及多环节动态稳定性传递基本原理。其次,对主焦巡天望远镜集成检测中的静态校正与动面形测量过程进行误差分析。然后,分析了调节过程中的自由度锁定。最后,通过实验实现了集成检测过程的原理贯通。所获得的波前探测残差优于0.08λ(λ=633 nm)。空间分辨率为0.1 m,时间分辨率为0.2 Hz。本方法可有效提升主焦点大口径大视场望远镜的成像质量,利用曲率传感非干涉、高鲁棒的特点,降低了集成检测过程对外界环境稳定性的需求,为未来更加精细的时域天文学观测提供助力。

基于曲率传感的稀疏孔径望远镜共焦检测方法研究

为了更好地对大口径稀疏孔径望远镜进行共焦调控,利用曲率传感方法非干涉、大范围、波段鲁棒的特点。首先,利用近场电磁波的传输方程分析了稀疏孔径望远镜共焦调控的基本原理。其次,结合曲率传感理论,进行了稀疏孔径望远镜共焦调控误差分析。再次,对于曲率传感稀疏孔径望远镜共焦检测的可行性进行了分析与实验。之后,利用桌面实验实现了大口径稀疏孔径望远镜共焦检测的原理贯通。最终,波前倾斜探测结果与原始波前相比,相关性从0.26上升至0.83。利用曲率传感可实现20个波长范围的共焦测量,避免了传统方法对像点进行多次移动标校以及逐个调节的缺点。文中实现了大通量共焦误差感知与收敛调控,为未来大口径稀疏孔径望远镜的建设打下技术基础。

基于旋转扫描的高分辨率光子计数测距方法

光子计数测距激光雷达在暗弱目标探测、激光遥感等方面均有着极大的应用潜力。激光固态密集分束照明探测虽然相较逐点扫描的方法而言,能够有效提高探测时效性,但在保证较高探测空间分辨率的条件下,激光能量损耗较大。为了能够既保证对目标的高效探测,同时减少密集分束对激光能量的消耗,提出了旋转扫描与推扫相结合的探测方法。对目标进行激光分束照明后,在推扫的过程中快速旋转激光束群,并利用单光子阵列探测器同时对不同目标点返回的信号光子进行采集,以此在固定时间内得到更多的采样点数据。搭建单光子测距系统,发射端利用光纤将激光进行分束,利用位移台模拟推扫,旋转光纤支架模拟旋转扫描,接收端通过单光子阵列探测器并行接收回波光子。对文中所提方法进行了原理性验证,测量出系统测距的精度和准确度,并对上述二者与光子计数间的关系进行了探究。实验结果表明:对于文中所搭建系统,目标点所在像素位置测距的精度优于1.48 cm,准确度优于2.78 cm。二者均随着光子数的增加而提高,并逐渐趋于一个常数。经过旋转扫描,所测得的深度信息较未经旋转扫描所测深度信息增加了33%。总结可得通过旋转扫描能够有效提高探测得到的目标空间分辨率。

面向大口径地基望远镜视宁度检测方法综述

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。

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。

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。

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1μm,小于轴外测量的3μm;方位轴线的定位误差在激光跟踪仪偏离两米的情况下为4.6μm。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0.6μm。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。

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。

大口径望远镜风载分析综述

随着大口径望远镜研究的深入,风载对于望远镜的影响也越来越受到重视。为了更加全面、系统地研究风载对于大口径望远镜的影响,分别对于3种主流的风载研究分析方法进行了阐述。这3种方法分别为:功率谱研究方法,流体软件分析方法(CFD);以及数学建模外加实验修正的方法。对于功率谱方法,分析了风压谱都与统计学模型的差别,需要具体的建模与分析;对于流体软件的分析方法分析了其建模的精度问题。研究结果表明,通过谱方法以及流体软件模拟分析可以作为大口径望远镜的建设过程中的初期判据,在实际的建造过程中,需对于实际系统的风载响应进行测试。

PSSn在大口径望远镜误差评估中的应用

为了更好地对大口径望远镜进行误差分析以及分配,引入了由美国30 m望远镜(TMT)团队所提出的标准化点源敏感性(PSSn),来进行大口径望远镜的各项误差及其之间的协调与分配。为了更好地利用PSSn进行误差分配,首先根据其定义对PSSn的基本性质进行了研究,论述了PSSn作为全频域评价指标的优越性,然后与传统的评价指标(波前均方根)进行了比较,重点分析了PSSn的合成特性以及合成误差的特点,之后利用Zernike多项式分析系统静态误差与PSSn的关系,得到了不同的Zernike系数与PSSn之间的关系。对于系统的动态载荷,利用功率谱结合光学传递函数的方法来研究系统的光学特性并对实际的大口径波前做出了仿真研究,得到系统的PSSn从0.996下降到0.991。所做的研究可以更好地理解大口径望远镜的误差特性,同时也可以帮助系统工程师对大口径望远镜的误差进行更好的分配。

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。

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。

小型反射镜柔性镜座柔度分析

为了进行小型反射镜柔性镜座的柔度研究。首先利用伴随变换建立柔性镜座的柔度矩阵,推导出轴向、侧向某方向柔度分别为9.58×10-8m/N、1.38×10-8m/N,并用有限元分析软件MSC.Patran/Nastra仿真得到轴向柔度1.00×10-8m/N、侧向柔度1.33×10-8m/N。之后假设镜座与模拟镜之间连接处柔度矩阵为6×6对角阵。将此矩阵组合至镜座柔度理论模型中,得到侧向柔度关于连接处柔度矩阵对角线元素的表达式。通过对侧向柔度实验数据进行非线性拟合得到其数值,并计算出其正交方向与轴向柔度分别为4.039×10-7m/N、2.20×10-7m/N与实测值4.136×10-7m/N、2.25×10-7m/N比较,分别相差9%、2%,证明了简化的正确性与方法的可行性。本文利用优化的方法对柔度实验数据进行了非线性拟合,避开了可能的各向异性等具体的物理性质,直接在数学上建立其柔度模型,同时,对工程中类似问题的求解提供了指导;本文对于柔性镜座的分析对于项目之后的分析与装调也有重要意义。

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。

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。

大型合成孔径望远镜标准化点源敏感性分析

为了更好地对大口径光学系统进行误差分析、分配,本文在美国TMT主镜团队所提出的"标准化点源敏感性"的基础上,研究了大口径合成孔径望远镜各项误差的特性及其分配。首先,对"标准化点源敏感性"的基本性质进行了研究,论述了其作为大口径合成孔径望远镜全频域评价指标的优越性;之后,分析了不同误差源对合成孔径望远镜"标准化点源敏感性"的影响,以及在不同评价尺度下对应的标准化点源敏感性;最后,利用标准化点源敏感性与斜率均方根之间的关系,针对合成孔径望远镜子镜间相对位置误差存在封闭性的特点,提出了基于"Brownian Bridge"过程与"标准化点源敏感性"的误差模型。本文的工作对于类似的大口径系统设计与检测也有着一定指导意义。