三十米望远镜三镜集成检测关键技术研究

发布时间：2020-05-25 09:26

【摘要】：国际合作项目,三十米望远镜(Thirty Meter Telescope-TMT)三镜,又称巨型可控科学反射镜(Giant Steerable Science Mirror,GSSM)。其口径达到前所未有的3.594m×2.536m,是目前在研的最大口径平面反射镜。为了更好的完成GSSM,中科院长春光学精密机械与物理研究所建设了一个1:4的原理演示验证实验系统(Giant Steerable Science Mirror Prototype,GSSMP)。为了实现GSSM的集成检测,本文引入了由TMT团队所提出的标准化点源敏感性(normalized Point Source Sensitivity,PSSn)进行GSSM各项误差的分析以及分配。通过对PSSn基本性质的研究,论述了PSSn作为全频域评价指标的优越性,以及PSSn与其他评价指标之间的关系;之后,结合离散孔径检测技术以及Ritchey-Common法,对GSSM面形检测方法进行了研究,并对离散孔径Ritchey-Common检测的误差进行了分析;针对GSSM质心测量,考虑到GSSM巨大的尺寸,选择利用静力平衡法来估计其质心位置;以激光跟踪仪为测量仪器,结合非均匀分布的反射靶球,以获得更高精度的GSSM指向误差标定数据。根据GSSM抖动(Jitter)的检测要求,从Jitter的定义、检测手段以及分析计算方法入手,利用高精度加速度计实现了Jitter测量;通过对GSSM进行的动力学测试,本文分析了系统的动力学特性,并通过频率响应函数反演,获得对GSSM内部振动的估计。具体来说:首先,论述了PSSn作为全频域评价指标的优越性,重点分析了PSSn的合成特性以及合成误差;之后利用Zernike多项式分析系统静态误差,并结合光学传递函数与功率谱研究了系统动态误差的影响。其次,对Ritchey-Common离散孔径检测误差进行了研究,得出在GSSMP面形测试中,对PSSn的影响为0.9759。利用模式法结合WarpingHarness进行了半主动光学校正仿真实验,将GSSMP的离散取样PSSn由0.1654上升至0.2548,接近此取样方式下的极限PSSn。再次,对GSSM质心检测方法进行了研究与实验验证,并对测量结果进行了误差分析。考虑激光跟踪仪与质量测量仪器所带来的误差,并忽略重力弯沉,得到GSSMP质量为805.80kg,在GSSMP坐标系中质心位置为(-7.169mm,12.900mm,526.000mm),位置精度0.50mm。然后,利用激光跟踪仪对GSSM指向误差进行了标定。通过蒙特卡洛方法得到俯仰轴线定位误差为1μm;方位轴线的定位误差在激光跟踪仪偏置两米的情况下为4.6μm。之后,比较了4个角反射器的两种不同的排布方式所对应的角度测量误差;对于GSSMP,单个角反射器测量误差为23.7″;均匀分布的四个角反射器测角误差为11.5″,非均匀分布4个角反射器测角误差为9.04″,对应PSSn 0.9916。之后,针对GSSM Jitter检测的特殊要求,使用加速度计进行GSSM Jitter特性测量。对于GSSMP方位轴,其Jitter为14.1432mas,俯仰轴为20.7475mas。其对应PSSn分别为0.9992、0.9967;GSSMP镜面加速度计的测量结果通过频域积分之后,得出镜面方向Jitter为0.0797μm,其对应PSSn为0.9875。最后,对动基座条件下的GSSM动力学模型进行了研究,得到不同天顶角下系统的频响函数。从振动所引起的系统光学中继能力下降出发,利用数值方法,得到了任意形式振动下的GSSM光学传递函数,实现了对GSSM光线中继功能的评估。利用锤击法对GSSMP进行了模态测试,其第一阶模态为35.2Hz,对应振型为GSSMP叉臂的左右摇摆。利用加速度传感器以及GSSMP频响函数,获得GSSMP在最大速度运行时,对外输出力在滤波后为0.0033N。在内部振动影响下,GSSMP PSSn从0.9995下降到0.9991
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大口径望远镜,口径,绪论

第 1 章绪论第 1 章绪论1.1 引言根据瑞利判据，，一定波长下的望远镜分辨能力与口径成正比。为了获得更光能力，实现对更深、更远、更暗宇宙目标的探索，天文望远镜的口径也加。大口径望远镜口径的演化过程如图 1.1 所示。结合主动光学与自适应术，不论是空间望远镜还是地基望远镜，其观测能力都得到了空前增长[1

光学元件,示意图

三十米望远镜三镜集成检测关键技术研究位置。JWST 的顶端科学目标包括：1.研究宇宙的起源与第一缕光线形成的时间与过程，推演宇宙的初始密度、温度及其后续变化的规律；2.探究银河系的形成过程以及预测宇宙之后的行为与归宿；3 探索暗物质与暗能量在宇宙中生成并扩散的过程；4.寻找类地行星与地外生命；5.研究第一批极大质量黑洞的产生与演化的过程；6 验证极端宇宙环境下物理规律的适用性。JWST 之所以被科学家称作 “首光”，是由于其可以探测到恒星最初被点亮的过程；为实现此功能，JWST需要工作在极低的温度下，这给 JWST 的设计与装调带来巨大的挑战[3~7]。JWST主要光学元件如图 1.2 所示，对应的面形检验结果如表 1.1 所示。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH743

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