南极大视场望远镜光学系统研究进展

南极特殊环境可为天文台址提供绝佳的天文观测条件且具有极高的空间碎片过境频率等特性,因此,南极大视场望远镜在天文观测、空间碎片管理和深空探测等领域具有重要研究意义。本文基于南极天文观测科学目标的需求,综合考虑南极天文台址视宁度数据要求,针对满足南极使用的大视场望远镜光学系统关键科学问题,首先总结与分析了南极天文台址的特征。其次,我国先后在南极地区部署的几批大视场光学望远镜,囊括了几类典型的大视场光学系统,本文详细探讨了南极大视场望远镜目前采用的多类典型大视场光学系统的设计理论,并对南极地区现有和规划中的大视场望远镜项目进行了全面的阐述,介绍了这些系统的关键技术特点。最后,深入探讨了南极大视场望远镜在天文探测科学研究领域所取得的重要进展,重点介绍该领域的前沿动态与一些关键性的突破。

变参数线性跟踪微分器及其在地平式大视场望远镜中的应用

为了对具有速度和加速度限制的物理信号安排合理的过渡过程,提出了一种带有速度和加速度饱和限制的变参数线性跟踪微分器。将跟踪微分器的快速因子设计为跟踪误差减函数的形式,即使在初始跟踪误差非常大的时候也不会产生非常大的加速度,同时结合速度和加速度饱和的限制,使用同一组参数就可以对大范围的阶跃信号给出与物理系统反馈能力相匹配的过渡过程信号。仿真计算表明,所设计的跟踪微分器的跟踪效果与经典的非线性跟踪微分器几乎相同,计算复杂度却明显降低。将所设计的跟踪微分器应用于地平式大视场望远镜的快速调转定位中,与工程中常用的位置分段方式进行对比,响应时间缩短了大约15%~37%,有效提高了望远镜的搜索效率。变参数跟踪微分器不但能够起到过渡作用,还能最大限度地激发物理系统的反馈能力。该方法参数设置简单,易于工程中的调试和实现。

大口径大视场望远镜探测器平面度检测方法综述

为了更好地适应大口径大视场望远镜的成像要求,在相机焦平面拼接多个CCD使其能够覆盖望远镜的全视场成为大口径大视场望远镜光学相机设计的重点。本文系统地总结了当前国内外探测器平面度测量方法的最新研究进展,对比了应用较广的扫描白光干涉仪、三角激光测量仪以及激光同轴位移器的特点。文章还结合了国外大口径大视场望远镜中的相机焦平面靶面拼接特点,对其测量方法及设备进行了详细介绍和总结分析,为大口径大视场地基光电望远镜焦平面拼接探测器的平面度测量提供一定的经验参考。

2.5 m大视场高分辨率望远镜消光筒温度控制

2.5 m大视场高分辨率望远镜消光筒会接收来自主焦点处的热辐射,加热镜筒内空气,产生随机湍流,降低视宁度,影响望远镜成像质量。为解决这一问题,满足2.5 m望远镜温控指标要求,设计Smith自抗扰控制器(ADRC-Smith),利用自抗扰控制结合Smith预估算法实现对消光筒壁面温度的精确控制。首先,建立消光筒温控系统模型,给出ADRC-Smith控制器的结构和调参方法;其次,对消光筒温控系统进行仿真,分析控制器的可行性;最后,搭建消光筒温控系统,实验验证控制器的实用性。实验结果表明,ADRC-Smith控制器可以将消光筒壁面温度控制在环境温度2℃内,对应的响应时间和稳定时间分别约为59 s和173 s,跟随误差约为0.14℃。研究表明,ADRC-Smith控制器可以提高2.5 m大视场高分辨率望远镜消光筒温控系统的性能。

大口径大视场校正镜组支撑与装配方法综述

校正镜组是大口径大视场望远镜的核心组件。为了满足透镜面形和成像质量等光学设计要求,透镜支撑结构的设计与安装对准方式的选择尤为重要。本文详细介绍三种透镜支撑结构,压圈隔圈支撑、RTV弹性体支撑和柔性结构支撑,并对三种支撑方式优缺点进行比较。结合实例总结了校正镜组的安装对准方式,对大口径大视场望远镜校正镜组的支撑结构设计及安装方式确定具有非常好的借鉴意义。

基于自抗扰控制的2.5 m望远镜主轴伺服控制系统

为了满足2.5 m大视场望远镜的跟踪要求,提出了望远镜主轴伺服三闭环控制设计方法。在整定好的电流环输入端注入正弦信号,扫频测试主轴伺服速度环的开环频率特性。根据谐振频率设计结构滤波器抑制机械谐振,从而达到更高的闭环带宽。最后,依据辨识得到的控制模型,设计速度环线性自抗扰控制器和位置环比例控制器。速度环基于线性扩张状态观测器估计扰动并补偿其影响,可以达到更高的低速跟踪精度。为解决快速搜索问题,根据设备允许的最大速度、加速度,基于离散最速跟踪微分器安排过渡过程。实验结果表明:线性自抗扰控制相比PI控制,2.5 m大视场望远镜进行1.24°视场角快速步进搜索的时间由1.6 s降低为1.0 s;以速度为2(°)/s,加速度为1(°)/s2作为等效正弦引导的误差均方根值由1.08″降低为0.60″;低速跟踪斜率为0.0001(°)/s的位置斜坡曲线时,位置跟踪稳态误差均方根值由0.0158″降低为0.0106″。线性自抗扰控制能够满足大视场角天文望远镜高效率快速搜索和低速精密跟踪的要求。

近地天体望远镜配置大阵面CCD后轴外像差的校正

近地天体望远镜由SI600S (4k×4k) CCD升级为STA1600LN (10k×10k) CCD后,观测视场由4 deg^2增至9 deg^2,可用视场直径由望远镜原设计视场的3.14°增至4.28°,超出原设计36%,同时作为CCD密封窗的场镜增厚8.75 mm;两个因素导致10k CCD成像的轴外像差增大,视场外围的像质变差.依据望远镜原始设计光学参数,借助光学设计软件ZEMAX进行像质改善尝试,最终选择在10k CCD场镜前插入一个由两片球面透镜组成的场改正镜,使10k CCD的轴外像差得到校正.同时还提出了一个进一步拓展近地天体望远镜观测能力的设计方案,将望远镜的可用视场从目前的14.38 deg^2扩展至28.27 deg^2.

离轴激光雷达重叠因子解析研究

为了对离轴激光雷达的近场信号进行校正,本文根据离轴激光雷达重叠因子的定义,利用高斯光束光强的解析传输公式,并考虑到离轴激光雷达系统激光分布与望远镜视场的五种关系,得到了利用雷达系统参数表示的离轴激光雷达重叠因子的解析计算公式。基于该公式对澳门地区雷达回波信号进行了校正和反演,所得结果证明了解析公式的有效性。利用解析公式通过数值计算方法详细研究了雷达系统参数对离轴激光雷达重叠因子的影响,该结果对激光雷达系统设计具有一定的参考价值。

离焦像边界对曲率传感精度影响研究

大口径大视场望远镜主动光学系统,需要基于离焦星点像完成波前探测与系统闭环。为了实现系统的有效运行,本文对离焦星点像边缘区域与波前传感精度之间的关系开展了相关研究。首先,根据电磁波的传输方程介绍了曲率传感算法。接着,以像散与彗差为例从理论上分析了典型边界条件对波前解算的影响。然后,分析比较了不同像元分辨率对信息完备性的影响。最后,在极限采样率下,对波前重建误差进行了仿真分析。实验结果表明在连续边界的情况下,单位圆边缘引入的误差约为35%(未进行迭代);离焦星点像在100个像元以下时,其携带信息的能力迅速下降;在接近100个像元时,对彗差的检测误差为0.08个波长,与400个像元时相比约下降14%。因此,在时-空分辨率要求较低,即采样率不高的情况下,考虑闭环主动光学的误差收敛效应,忽略边界效应也可以满足主动光学波前传感需要,但在高时-空分辨率测量的情况下,边缘的影响不可以忽略。