空间引力波星载望远镜测试与评估技术研究进展

在空间引力波探测任务中,星载望远镜承担太空超长干涉光路双向光束准直的重要作用。空间引力波探测对星载望远镜提出了pm级光程稳定性和低于10^(-10)级后向杂散光水平的极高要求。超高水平指标要求超过了当前测试技术的精度极限,因此,针对星载望远镜发展测试与评估技术并开展系统超高精度测试是空间引力波探测计划成功的重要前提。本文在概述国内外在研的空间引力波探测星载望远镜研制情况的基础上,重点围绕星载望远镜的核心技术指标——光程稳定性和后向杂散光,介绍了在研望远镜的测试技术发展现状和已经取得的部分测试成果,以及各研究单位进一步的测试计划,为我国的空间引力波探测的星载望远镜测试与评估技术发展提供参考。

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10μrad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。

空间引力波探测星载望远镜专题导读(二)

探测空间引力波有望揭开更多的宇宙奥秘。在国家重点研发计划项目的支持下,《光电工程》组织了“空间引力波探测星载望远镜专题(二)”。专题围绕空间引力波探测星载望远镜设计与分析、建造与装调、测试与评估等几个方面介绍了近期的主要研究进展,将为相关领域学者和专家提供技术研究的参考和合作交流的平台,并将积极推动我国空间引力波探测计划的研究进程。

基于Seidel像差理论的离轴四反初始结构自动化设计方法研究

离轴反射系统设计的关键环节是确定适用初始结构并进行优化,一般从同轴结构或者专利库中寻找相似的结构开始优化,这往往需要耗费大量的时间。以Seidel像差理论为依据,研究了一种获取离轴四反系统初始结构的设计方法。在设计之初引入视场偏置,通过追迹近轴光线给出五种单色像差的初级Seidel像差表示。以Seidel像差绝对值最小化作为目标函数,同时加入对光学和系统结构上的限制条件构建含有约束条件的单目标非线性优化模型,并通过粒子群优化算法进行求解。在此基础上,通过MATLAB调用CODE V API接口,判断此视场偏置情况下是否满足无遮拦的条件,并从中挑选出满足条件的初始结构。设计了一款焦距为1200 mm,视场1.2°×20°,F数为6的离轴四反光学系统,系统结构布局紧凑,成像质量良好,各项指标均满足设计要求。

低成本小型化遥感光学系统设计

随着航空航天成像技术的发展,遥感成像观测系统需求不断增加,为了简化光学系统的加工装配复杂度,缩小光学系统体积,该文提出了一种低成本、小型化遥感成像光学系统设计方法。在全球面镜的基础上,配合氟化钙等低色散材料,设计了一种焦距2000 mm,适用于5.08 cm(2 inch)探测器的光学成像系统,该系统在50 lp/mm处MTF(调制传递函数)优于0.41,体积与R-C系统接近,系统的球面主、次镜避免了在加工装调时使用非球面补偿器,降低了加工装调成本。同时设计了新型百叶窗遮光罩结构,有效避免了传统外遮光罩结构形式体积过大的问题,规避角大于12°后PST(点源透射比)值均小于10^(-6),且光学体积仅为ф227×421 mm^(3),远小于传统外遮光罩形式。该系统具有低成本、结构小型化、轻量化、像质优良、杂散光抑制良好等优点,在工程应用中可以满足航空航天成像系统的使用要求。

超长空间激光传输数值模拟研究进展

文章主要围绕空间引力波探测中超长空间链路传输部分进行介绍,概述了目前国内外星间传输仿真时采用的计算方法,以及指向抖动引起的相位噪声分析方法。相较于地基引力波探测,空间引力波探测可以有效降低噪声,增加干涉臂长度,从而实现更高精度、更低频率的探测。在长达数百万公里的传输距离,以及皮米量级数值模拟的精度要求下,需要考虑指向角变化引起的相位噪声。研究表明,在2.5×10~9 m的传输距离下,离焦和像散是影响指向抖动噪声的主要像差。通常情况下,相位驻点位置与原点位置存在一定偏离,需要对望远镜角度进行调整,才能使相位噪声最小化。在相位驻点位置进行引力波探测,可以有效降低相位噪声,并降低望远镜出瞳波前的质量要求。而大的离焦像差与小的彗差可以使相位驻点接近光轴,提高接收到的激光功率。

融合AI与虚拟现实技术的智能望远镜设计

人工智能(AI)和虚拟现实技术的融合发展,为人们带来了前所未有的沉浸式体验,让人们能够身临其境地学习、探索和娱乐。这款融合了AI与虚拟现实技术的智能望远镜名为Local,其设计灵感源自维多利亚时期的歌剧望远镜。歌剧望远镜可以让观众短暂观察到歌剧中的细节,使观者能够在片刻之间掌控眼前宏大事物的一个微观片段。

400 mm望远镜跟踪架结构设计与分析

为了满足光学望远镜在诸多新兴领域的产业化需求,结合小口径地平式光学望远镜系统,研制了一套400 mm望远镜跟踪架。首先,为了使跟踪架满足产业化需求并适宜批量生产工艺,对跟踪架进行了模块化设计,并详细说明了方位轴系、俯仰轴系结构,同时分析了轴系理论晃动误差;然后,为了使望远镜系统稳定可靠地工作,即跟踪架需具备较好的静态特性和动态特性,对跟踪架进行力学分析,分析其承载能力和模态特性;最后,为了满足望远镜的指向和跟踪性能,即跟踪架需具备较高的轴系精度,利用千分表实测方位轴系的晃动误差,利用高精度自准直经纬仪、平面反射镜实测俯仰轴系的晃动误差和两轴垂直度误差。分析结果表明,跟踪架具有较高的承载能力和较好的模态特性,其系统一阶谐振频率达到85.16 Hz。检测结果表明,跟踪架具有较高的轴系精度,方位轴系最大晃动误差为3.2″,俯仰轴系最大晃动误差为2.6″,两轴垂直度误差为2.4″。分析及测试结果表明,400 mm望远镜跟踪架结构设计合理可行,满足使用要求。

反射面激光靶标维护机器人研究综述

FAST(500米口径球面射电望远镜)稳定运行离不开测量系统的支撑,激光靶标作为反射面测量的基本硬件之一,需要进行维护。反射面激光靶标维护机器人对FAST反射面上激光靶标进行维护、更换和调整等。反射面激光靶标维护机器人项目在研发过程中,取得了多项创新成果。成功解决了在轻薄大坡度反射面上载重移动、精确定位及狭小空间侧向旋拧非标件的拆装等难题。但在实际应用中发现还存在一些不足,需要进一步研发和解决。

基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法

针对大口径空间光学反射镜对轻量化的需求,提出了基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法。该方法利用基结构拓扑优化的思想,将反射镜初始设计域限定为筋板式的反射镜基结构,通过各筋板的有无描述结构构型的变化。首先,借鉴连续体结构拓扑优化的思想,以壳单元离散筋板结构,以加筋板各单元的相对密度为设计变量(通过相对密度取1或0,描述该单元所在区域的筋板是否存在),以光轴竖直工况下镜面面形误差为设计约束,镜体的质量最小为优化目标,建立了镜体结构构型设计的拓扑优化模型;然后,以拓扑优化所得构型为基础,提取并形成结构概念构型;最后,采用有限元法进行动静刚度分析与光学性能分析,并对结构进行修正,形成性能更好、满足要求的反射镜轻量化结构创新构型。文中的设计实例得到的反射镜镜面面形误差PV值小于λ/10,RMS值小于λ/40,第一阶自振频率大于1 000Hz,轻量化率达到86.0%。得到的结果验证了本文方法的有效性。

空间引力波探测望远镜初步设计与分析

引力波的直接观测已开启引力波天文学的新篇章,爱因斯坦的百年预言终获证实。空间引力波探测器使得探测0.1 m Hz^1 Hz频段丰富的引力波源成为可能,与地面引力波探测器互为补充,才可实现更加宽广波段的引力波探测,揭开宇宙早期的更多秘密。空间激光干涉引力波探测采用外差干涉测量技术,测量间距百万公里的两自由悬浮测试质量间10 pm量级的变化量。望远镜是激光干涉测量系统的重要组成部分,1 pm的光程稳定性及苛刻的杂散光要求,不同于传统的几何成像望远镜。本文根据空间太极计划任务需求,对望远镜的功能及技术要求进行了分析,并完成了原理样机的初步方案设计,针对百万公里远场波前分布,分析了望远镜系统的敏感性,同时完成了在轨光机热集成仿真,为后面原理样机的研制奠定了技术基础。

光电望远镜伺服系统速度环的自抗扰控制

针对大口径光电望远镜惯量大、存在摩擦非线性的特点,设计了自抗扰控制器以改善伺服系统的速度响应特性。介绍了自抗扰控制器的工作原理和基本结构,给出了控制器参数的选择依据,并仿真分析了各个参数的作用效果。最后,在实际望远镜转台上和常规PID控制器进行了对比实验。结果表明,采用自抗扰控制器,既可以实现大速度阶跃响应快速无超调,又可以缩短低速阶跃响应时间、改善低速平稳性。在以0.005(°)/s速度运行时,系统稳定时间为1s,速度波动标准差为0.000 082(°)/s,最大值为0.000 42(°)/s,性能明显优于传统的PID控制系统。实验结果证明自抗扰控制器对摩擦、饱和等非线性因素具有抑制能力,可以提高望远镜伺服系统的调速性能。

大口径空间相机像质的微振动频率响应计算

由于大口径空间相机对空间环境变化和卫星内部振源引起的微振动十分敏感,本文研究了影响成像质量的微振动频率响应的计算方法,以改善相机的在轨动态成像质量。该方法通过实际光学模型取代线性光学模型,建立微振动光机集成模型,从而计算影响成像质量的微振动频率响应。首先,建立大口径空间相机有限元模型,进行结构频率响应计算,得到采样频率点的光学表面节点位移和相位。然后,通过蒙特卡洛分析方法,建立微振动光机集成模型,以均方根光学系统动态传递函数和视轴漂移衡量大口径空间相机动态成像性能。最后,研制了大口径空间相机力学样机,对其进行了振动试验,验证了有限元模型的正确性。试验结果表明仿真结果与试验结果接近,误差均在5%以内,满足大口径空间相机动态成像质量分析的要求。

TMT望远镜三镜系统的研究进展

介绍30 m望远镜(TMT)的相关背景以及我国在TMT项目中承担的任务。从TMT三镜系统的总体要求出发,论述了三镜系统的两个主要部分(M3CA和M3PA)的具体要求、技术难点以及初步方案。针对M3CA,介绍了底支撑方案和侧支撑方案,采用Kinematic的底支撑方案时其面形精度RMS可以达到109.7 nm,SlopeRMS为0.95μrad,采用Kinematic的侧支撑方案时其面形精度RMS<15 nm,一阶谐振频率等于17.7 Hz,均达到了设计要求。针对M3PA,介绍了Tilt轴系和Rotator轴系的方案。最后,简要介绍了三镜控制系统(M3CS)的要求和目标。

主次镜系统的计算机辅助装调

为了实现大口径望远镜系统的装调,提高其光学成像质量,研究了望远镜装调像差和计算机辅助装调技术。首先针对RC式望远镜系统,分析了装调过程中由于次镜偏心和倾斜导致系统模型产生的扰动误差。针对实际调整过程中选择零彗差点和曲率中心作为旋转中心进行调整的特点,分析了这两个旋转点的选择对系统像差和指向精度的影响。然后结合计算机辅助装调原理,研究了关于恒定彗差、线性像散与模型相关的灵敏度矩阵的特殊形式,结合波像差理论与光学软件Code V模型仿真来实现装调技术。最后,针对1 m级望远镜系统进行了安装调整。实验结果表明:装调后系统的RMS达到了0.144 5λ,大大优于装调前的1.214λ,证实了该方法具有较好的精度、抗干扰能力和实际应用价值。

傅里叶望远镜大气湍流模拟实验

傅里叶望远术是一种能对深空暗弱目标进行高分辨率成像的技术.为了验证大气湍流对傅里叶望远镜系统的影响,进行了实验室环境下大气湍流模拟实验研究.在三束光傅里叶望远镜实验系统上,通过控制射频驱动器的输出功率来模拟光强抖动,改变射频驱动器的瞬时频率来模拟相位抖动.给出了实验理论依据,推导了湍流强度与实验变量的关系.实验在弱湍流闪烁和相位抖动两种情况下,分别给单束光和三束光加随机扰动并计算其Strehl比.结果表明,只在单束光上加扰动时重建图像影响不大;在三束光上加扰动时,弱湍流光强抖动对傅里叶望远镜系统的成像效果影响具有较大的随机性,而相位抖动会严重影响系统成像质量.因此,消除光强抖动和相位抖动影响是图像重建算法改进应该考虑的一个关键因素.

大口径光电经纬仪主反射镜支撑结构设计

针对大口径光电经纬仪主镜的支撑结构对主镜面形精度的影响,对大口径光电经纬仪的Φ1 000mm主镜的支撑结构进行了研究。分析了现有轴向和径向支撑结构的局限性,提出了适用于大口径主镜的新的轴向和径向支撑结构,并阐述了该支撑结构的工作原理和优势。利用有限元分析软件建立了主镜的参数化模型,优化了主镜轴向支撑点和径向支撑点的位置,并分析了主镜光轴在竖直和水平位置两个极限状态下的面形误差,计算得到了主镜在竖直状态下面形误差RMS值为2.52nm;在水平状态下面形误差RMS值为4.33nm。对主镜进行装调后,用光学干涉仪检测得到主镜光轴水平时面形精度RMS值为19.87nm。仿真分析结果和实物检测结果都满足设计指标中面形误差RMS值小于λ/30的要求(λ=632.8nm),验证了轴向和径向支撑结构的可行性。

基于FPGA的自适应光学系统波前处理机

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理规模的需求,设计了基于现场可编程门阵列(FP-GA)的高速大单元自适应波前处理系统,给出了设计方案,实施过程和测试结果。提出的基于FPGA的自适应光学系统波前处理机,在软件上采用FPGA对整个系统进行数据配置和调控,实现多路D/A数据同时传输和转换。同时,采用FPGA作为波前处理运算中的图像预处理和波前子孔径斜率计算的核心器件,在满足波前处理精度的前提下,缩短了波前处理延时,提高了波前处理能力,波前处理可达2 000 frame/s。在硬件上,采用波前处理主板与可扩展的波前处理子板相结合的形式来提高系统的输出能力。每块波前处理子板的校正量输出为120路,波前处理主板的最大扩展能力为10块,整个系统可实现1 200路校正量的输出。

望远镜副镜的三自由度并联支撑构型研究与运动分析

针对望远镜副镜姿态和焦距自动调整的需求,设计了副镜三自由度并联支撑机构构型,分析了它们的运动学特性并讨论了构型的选取。首先,基于约束螺旋理论,设计了对称三支链两转一移并联机构的构型;根据副镜支撑运动副尽可能少、低惯性、直线驱动等要求,选取了12种可行构型。然后,针对12种可行构型,根据驱动输入特点和支链约束特性,提出分类建模思想,并建立了统一运动学模型;引入ZXZ欧拉角法描述机构姿态,简化了姿态空间和伴随运动的表达和分析方式。最后,以1.2m口径望远镜系统为例,仿真研究了副镜并联支撑机构的伴随运动。结果表明,支链约束力线矢平行静平台的7种构型具有更小的伴随运动,不大于0.27mm。该项研究为后续的精度和刚度特性研究提供了基础。

大口径光电探测设备主镜晃动的误差补偿

针对大口径光电探测设备在随俯仰角变化时由于主镜支撑点的变化而产生的晃动,研究了在静态测量时如何补偿主镜晃动造成的误差以提高大口径望远镜的静态测量精度。首先给出了一个1m口径望远镜的支撑结构和力学模型,在分析了传统三轴误差补偿方法和球谐误差补偿方法的基础上提出了针对大口径望远镜的误差补偿方法。在外场对光测设备进行了标校实验,选取32颗恒星在修正了蒙气差后对各个系统差进行求解,得出了主镜晃动误差和三轴差。与传统误差补偿方法的比较结果显示:加入主镜晃动误差补偿后,望远镜的静态测量精度从15.4″提高到了2.5″。此种方法物理意义明确,各误差分量重复性好,对主镜晃动误差进行补偿修正后提高了大口径望远镜的静态测量精度。