外场热环境作用下地基望远镜温度分布预测

为研究外场复杂热环境对望远镜温度分布的影响,采用有限单元法,建立某全天候工作的激光通信地面站地基望远镜数值仿真模型。首先对望远镜主体进行稳态热分析,研究其在外场热环境作用下温度分布;再对主次镜进行瞬态热分析,研究其在通信时段与非通信时段温度变化。分析表明:冬夏两季望远镜最大温差为25.839℃,小于设计指标,证明望远镜能够在动态变化的外场环境中稳定通信;主次镜温度变化相较于舱内环境温度具有明显滞后性且幅值更低,在后续热分析中能够针对不同时刻正确设置主次镜温度边界条件,避免使用较高的舱内环境温度等效主次镜温度;通信前半小时打开舱门主次镜与环境温差不足以降低到2℃以下,建议设计合理热控措施,缩小舱内环境温度与外场环境温度差距,以保障望远镜通信质量。

基于单站地基望远镜的空间目标姿态估计方法

为实现从单站光测图像中估计出已知3D模型的空间目标姿态,利用Vega Prime提出了一种采用仿真图像进行相关度局部最优搜索的姿态估计方法,该方法无需建立2D-3D特征投影关系和大量的模型匹配库。首先,对输入图像进行图像预处理,获得目标原始图像。然后,利用Vega Prime加载目标3D模型生成仿真匹配图像,并进行图像预处理获得目标匹配图像,计算两幅图像相关度。最后,更新3D目标模型姿态,直至仿真匹配图像与目标原始图像的相关度值取得局部最优,输出目标模型姿态。仿真实验结果表明,采用本文所提方法的观测仿真图像姿态平均估计误差为3.85°,仿真原图可实现姿态准确估计,表明该方法是一种空间目标姿态估计的有效方法。

地平式大口径地基望远镜主光学系统装调技术

望远镜的装调过程对整个望远镜系统的精度具有至关重要的作用。本文扼要地叙述了地平式大口径地基望远镜系统的装调过程,描述了在整个视场要获得较好像质的工程方法,找出装调的一般规律,其方法主要适用于卡式和R-C式望远镜。装调过程主要包含针对系统的粗调和针对光学系统像差的精调。

地基望远镜塔台圆顶结构形式及设计原则

综述了地基望远镜塔台圆顶的作用及功能,给出了台址选择的基本原则。介绍了国外典型塔台圆顶的结构型式、工作特点和适用环境,以3.67 m口径先进光电系统望远镜塔台圆顶为例,分析了圆顶内热控措施的特点,从而提出了现代望远镜塔台圆顶的热设计指导原则及设计时应考虑的相关因素。最后,对望远镜基墩的设计及分析方法进行了探讨。

基于轨迹规划的地基望远镜快速高精度定位策略

为了提高地基望远镜的定位性能,实现快速无超调的高精度位置切换控制,提出了基于近似最优指令整形算法的轨迹规划定位策略。利用近似最优指令整形算法设计指令修正器,指令修正器位于位置控制器之前,依据参考指令、速度、加速度限幅信息进行轨迹规划,引导系统快速平滑地到达目标位置。相比传统梯形指令整形算法,近似最优指令整形算法解决了抖振问题,因此可获得更优的位置控制性能。实验结果表明,系统响应2.5°和30°位置阶跃信号时,相比无轨迹规划定位策略,采用轨迹规划定位策略后位置响应超调量大大降低,系统进入2″误差带的调节时间分别降低了1.14 s和1.57 s。仿真和实验结果一致,基于近似最优指令整形方法的轨迹规划定位策略,可有效提高望远镜的定位性能。

用于地基望远镜的高分辨率倾斜镜设计

根据多镜面地基望远镜在近红外实现共相衍射极限成像的需求,提出了一种基于压电堆栈致动器的高分辨率倾斜镜设计方案。该方案以哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小结构(RADS)作为倾斜镜的运动传递元件,压电堆栈致动器(PSA)作为动力元件,并使用电涡流传感器作为角度测量部件。介绍了高分辨倾斜镜的工作原理,并对哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小结构进行设计。柔性铰链和位移缩小结构的关键结构参数均采用理论计算、实验和仿真进行优化。建立倾斜镜模型,利用理论计算和有限元仿真软件分别计算倾斜镜的倾斜角度和分辨率。实验结果表明:设计的倾斜镜角度分辨率达到0.017″,最大倾斜角度为14.6″,谐振频率为136.97Hz,与有限元仿真结果相吻合,满足地基望远镜系统衍射极限成像的要求。

基于Hexapod平台的地基大型光学望远镜失调误差主动补偿

随望远镜口径的不断增大,其结构和热变形所导致的光学系统失调而造成图像质量下降问题越来越显著。为了估计望远镜的失调误差,建立结构力学模型,并对失调误差计算方法及补偿进行研究。对望远镜结构进行简化并采用有限元方法建立结构力学模型。然后,以望远镜主次镜镜面节点的当前位置为输入,提出了基于非线性最小二乘拟合的主次镜失调误差计算方法。以主镜当前光轴为基准,以补偿失调误差为目标,即主次镜光轴重合且无间隔误差,提出了基于空间坐标变换来确定Hexapod平台支杆长度的计算方法。以2 m口径望远镜为例,对重力及热变形所致的失调误差进行模拟,并在此基础上利用Hexapod平台调整次镜位置来补偿失调误差。数值仿真结果表明重力变形和热变形均会导致光学系统出现明显的失调误差,弥散斑最大达到了1473μm和557μm,经过次镜位置补偿,弥散斑半径下降到32μm以下。本文提出的失调误差以及Hexapod平台支杆长度计算方法可应用于实际望远镜标定和装调过程中。

基于二维随机场的地基大型光学望远镜风扰动时程模拟与性能预测

随着地基光学望远镜口径的不断增大,风扰动已成为影响望远镜成像质量最为关键的因素之一。为了深入研究风扰动对望远镜系统性能的影响规律及作用机理,从时域角度对望远镜在风扰动作用下的响应进行时程模拟以及系统性能预测。首先,简要介绍了望远镜结构组成并采用有限元方法建立了结构动力学模型,通过模态变换方法将动力学模型转换到模态坐标系下,从而降低了模型维数、提高了计算效率。然后,提出了一种基于二维随机场的风速时程模拟方法,将望远镜圆顶内的风速场表达为随时间和空间位置变化的二维随机场,通过引入波数谱,克服了谱表达方法中各个离散采样点处互功率谱矩阵Cholesky分解出现数值不稳定的问题,从而可以表达空间和时间频率范围内几乎连续的随机场,并且在数值计算中引入了快速傅里叶变换FFT算法,进一步提高了模拟效率。最后,以2 m口径望远镜为例,对风速环境进行了时程模拟,并对外界平均风速为10 m/s及15 m/s的风扰动作用下,望远镜的性能进行了预测。仿真分析结果表明:作用在望远镜主镜上的风扰动分别造成主镜最大接近45 nm和70 nm的面形误差;作用在次镜及桁架上,主要造成低频的主次镜相对位置和角度偏差。

地基大口径望远镜伺服系统的抗扰动设计

针对地基大口径望远镜伺服系统的抗扰动问题,提出了一种抗扰动控制算法。该算法采用双闭环控制结构:内环为高带宽的电流环,采用PI控制器;外环为速度环;采用线性自抗扰控制器,通过线性扩张状态观测器辨识出系统扰动,然后将该扰动前馈到系统控制量中去,构成复合校正系统。为解决大动态输入引起的控制器饱和问题,状态观测器的输入控制量加入了抗饱和控制算法,保证了系统的稳定性和良好的动态特性。仿真和实验结果表明:与传统的PI控制器相比,引入抗饱和功能的自抗扰控制器在高低速均可以获得良好的动态性能;在低速平稳跟踪实验中,速度波动误差(RMS)由0.000 68(°)/s降低到0.000 32(°)/s。实验结果证明提出的方法能够有效提高伺服系统抗扰动能力和速度跟踪的平稳性。

非稳态风载对1.2m地基望远镜成像质量的影响

介绍了非稳定风载的功率谱,采用最小二乘法建立了光学元件的刚体位移与其镜面节点关系的线性表达式,并基于小位移假设线性化处理的方法推导出表征光学系统各光学元件刚体位移所引起像点偏移量的光学敏感度矩阵。进一步将这些线性关系式作为前处理导入望远镜结构有限元模型中,进行了频率响应分析。以不同风速和俯仰角组合共16种工况下非稳态风载的功率谱密度作为输入,得到了像点相对成像面横向偏移量的随机响应曲线。考虑主轴伺服控制系统和成像器件积分时间对像点偏移量的影响,对像点横向位移的随机响应曲线进行了修正,得出了像点随机偏移量引起的线扩散函数(LSF)和调制传递函数(MTF)衰减曲线,并计算得到16种工况下长曝光与短曝光成像时系统的斯特列尔比。结果表明,5等级风速下任意俯仰角和6、7等级风速下接近0°俯仰角的情况下光学系统的斯特列尔比大于0.8,望远镜系统可以正常工作;8等级风速任意俯仰角情况下系统的斯特列尔比都小于0.8,望远镜成像质量受到严重的影响,系统无法正常工作。

地基大口径望远镜系统结构技术综述

概述了地基大口径望远镜的发展状况,阐述了口径变大的意义及实现的关键技术途径。概括了当前大口径望远镜的应用价值。介绍了国外5种典型的大口径望远镜系统,它们代表了当前地基大口径望远镜发展的最高技术水平。从跟踪架、主望远镜筒、主镜支撑及次镜支撑调整几个方面论述了大口径望远镜的结构特点及关键技术。最后,总结了大口径望远镜系统的发展趋势,指出其光学系统已从同轴系统向离轴系统发展并极具应用前景。

基于柔性铰链的大口径望远镜并联调整机构

为减小地基大口径望远镜在光学追踪过程中重力变形对成像质量的影响,设计了一种基于柔性铰链的高侧向刚度、亚微米精度并联调整机构。首先,介绍了系统组成并针对技术指标的要求,开展了两自由度柔性铰链设计。建立了柔性铰链并联机构的等效运动学模型和刚度模型,搭建了并联机构刚柔耦合运动学仿真系统,分析了柔性铰链对机构精度的影响。最后,搭建实验测试系统,来验证柔性铰链的设计合理性和并联调整平台刚柔耦合运动学分析的准确性。仿真和测试结果表明,柔性铰链转动刚度误差控制在3.54%之内,小位移(微米/角秒量级)运动精度达亚微米量级,大位移(毫米/度)运动精度与仿真结果对比误差控制在微米量级,机构侧向刚度优于60 N/μm,能够满足地基望远镜光学成像的要求。

地基大口径望远镜重力弯曲引起的指向变化检测与修正

随望远镜口径的不断增大,望远镜的结构尺寸相应增加,重力场引起的望远镜光轴指向变化影响也愈发明显,对地基大口径望远镜的指向检测与修正是获取高精度轨道目标数据的必要前提。为了实现望远镜指向误差的估计、测量及主动修正,从望远镜的光机系统结构出发,分析了引起望远镜光轴变化的因素,提出了光轴变化检测与修正方法。实验结果表明,在望远镜低仰角情况下,光轴最大相对变化为126″,望远镜桁架结构的重弯曲影响是引起俯仰角相关指向变化的主要因素。以4 m口径望远镜为例,提出基于次镜调整结构及卡式系统零彗差点理论的修正模型来提高望远镜的跟踪性能,修正后望远镜光轴的最大相对变化在3″内。该地基大口径望远镜指向变化检测与修正方法可应用于实际望远镜的标定和装调。

地基大型望远镜数字通信系统的设计

数据通信系统是整个大型望远镜的数据传输中枢。针对地基大型望远镜分系统多,信号种类繁杂、分布不均匀和分布距离较远等特点,设计了一种基于大规模集成电路FPGA的数据通信系统。系统分为机上数据通信系统和机下数据通信系统两部分,机上与机下数据通信系统通过单根光纤进行连接。系统最多可提供60路RS422、32路TTL、10路RS485和4路RS232同步传输。同时,系统以GPS时钟频率为基准频率产生多种工作时序,为望远镜提供同步工作脉冲;通过采集曝光脉冲对应时刻的时间数据和编码器数据锁存当前的时空信息。硬件方面采用XILINX公司的Virtex-5系列FPGA为核心处理芯片完成该系统的设计,实验结果表明系统可满足大型望远镜数据通信的需求。

大型地基光学望远镜三维隔震系统

地震灾害是天文台规划和望远镜结构建设时迫切需要重视的一个重要安全问题。为了满足大型地基光学望远镜的抗震要求,本文设计了具有独特特点的基于液压阻尼技术的三维隔震系统,该系统主要由望远镜液压支撑系统中的附加被动元件组成,能够感知临界震动,并在达到临界加速度值时启动整个减震系统,将载荷限制在可接受的范围内。大量有限元分析结果表明:一方面,没有隔震系统的望远镜系统会发生明显的输入震动放大响应,其对输入地震波的放大率在NS方向约为142%,EW方向约为145%,UD方向约为369%;另一方面,与输入地震波相比,隔震系统可以抑制响应加速度,其响应函数在NS方向约为22%,EW方向约为38%,UD方向约为4%。上述结果验证了该三维隔震系统具有良好的隔震性能,能够满足大型地面光学望远镜的抗震设计要求。

空间望远镜观测规划系统发展综述

1引言近一个世纪以来,有关宇宙学的观测和理论都得到了快速发展,人类对宇宙起源演化、物质组成及其相互作用机理都有了更深入的认识。与此同时,科学研究对天文观测手段也提出了更高的要求,用于进行观测的望远镜也随之不断发展。空间望远镜运行在宇宙空间中,不受地球自转、大气透过率和稳定性等地面外部因素的影响,拥有比地基望远镜更长的观测窗口、更宽的观测频谱和更高的观测精度。

欧南台将建迄今最大的地基望远镜

2016年5月25日，欧洲南方天文台在德国慕尼黑与意大利工程公司签署了价值4亿欧元的望远镜建设合同。这一合同主要包括建设欧洲极大望远镜（E—ELT）的39米镜面主体结构，以及它的穹顶建筑。E—ELT将建造在智利北部。建成后，会成为世界上最大的光学／红外波段望远镜。

2 m环形地基太阳望远镜系统杂散光分析

为分析2 m环形地基太阳望远镜系统的杂散光,对该系统光机结构进行杂散光仿真模拟。基于Tracepro软件建立2 m环形地基太阳望远镜系统的光机模型,对光机组件进行光线追迹,着重分析了系统主镜、次镜、光阑面、主镜室前表面以及桁架等组件一次散射,使用点源透过率计算方法得到系统点源透过率(PST)曲线。结果表明,当离轴角θ≥5′时,系统PST≤1.728×10^−4,2 m环形地基太阳望远镜可以较好地满足对太阳磁场高分辨率成像的需求,系统观测不会受到杂散光的影响。

大口径望远镜主次镜弯沉的精确测量

为了精确测量与修正大口径望远镜主次镜弯沉,从而保证成像质量及指向精度,从大口径望远镜自身结构特点出发,分析了主次镜位姿变化的影响因素,提出了一种基于内调焦光管的光学测量方法。对主次镜间距5.5 m的某望远镜进行测量,测得水平方向径向偏移最大为196μm,垂直方向径向偏移最大为16μm,水平方向角度偏转最大为2.6″,垂直方向角度偏转最大为12.8″。最后对该方法的测量不确定度进行分析,测量径向偏移的合成标准不确定度为9μm,测量角度偏转的合成标准不确定度为0.65″,满足大口径望远镜光学系统的对准精度要求。

地基大口径拼接镜面主动控制技术综述

拼接镜面技术是光学合成孔径望远镜的三种实现方式之一,是未来大口径望远镜的重要研究方向。由于拼接镜面主动控制系统直接影响拼接镜面等效大口径镜面的光学性能,本文着眼于地基大口径望远镜的拼接镜面主动控制技术,由地基拼接镜面望远镜的发展过程展开,阐述拼接镜面主动控制系统的主要结构,对国内外拼接镜面主动控制系统发展概况进行分析和总结。归纳了拼接镜面主动控制系统实现主动调整和主动保持的关键技术,明确了深度学习理论在闭环控制,共相检测与校正和系统级仿真建模技术中的逐步应用和未来发展方向,为国内下一代地基大口径望远镜拼接镜面的控制方案设计提供相应的指导。