薄型主镜面形主动控制技术研究

发布时间：2020-11-08 21:49

　　 主动光学技术是现代大口径望远镜建造过程中的关键技术之一,主动光学利用波前传感器实时测量望远镜系统中的光学像差,并通过控制主镜背面的驱动器改变主镜形状来校正这些像差,以提高望远镜的光学质量。本文开展了1.2m薄主镜主动光学系统的研究工作,着重研究其面形主动控制技术,从1.2m薄主镜的支撑设计出发,围绕其支撑方式、主动校正算法、主动校正的控制结构及面形检测方式等多个方面进行了理论和实验上的设计、分析和研究,并搭建出了一套1.2m薄主镜主动光学实验平台,对薄主镜面形的主动控制进行了实验验证。根据及薄板变形理论及有限元方法,开展了1.2m薄主镜主动支撑系统的设计工作,设计和优化了其轴向和侧向支撑的排布和支撑力,有效控制了主镜的重力变形;在设计过程中提出了一种纯剪切力的侧支撑方式,该支撑方式在保持主镜重力变形与传统侧支撑方式基本相同的同时,简化了支撑结构。对1.2m薄主镜的主动校正算法进行了研究,并分析了薄主镜在工作过程中由重力、温度等因素引起的变形以及主镜对这些变形的校正能力,最后分析了薄主镜对力驱动器的参数要求。为1.2m薄主镜设计了一套面形控制系统,其既可以进行面形闭环控制,也可以进行面形开环控制,基于此系统,建立了1.2m薄主镜在开环和闭环面形控制下的控制系统模型及传递函数。分析了轴向支撑力的误差对1.2m薄主镜面形的影响,并在此基础上,分析了1.2m薄主镜的控制系统在观测自然目标和人造目标时的性能及引入的面形误差。为1.2m薄主镜设计了一套面形检测模块,该模块使用自准直光路,利用一台Shack-Hartmann(S-H)波前传感器对薄主镜的面形进行实时测量。分析了该模块在工作中与主镜间可能产生的位置误差及由此引入的面形测量误差,并特别深入研究了其中一种位置误差——S-H传感器与主镜/变形镜的对准误差——的探测方法,提出了两种新型的高精度探测算法,并进行了深入的理论和实验研究与分析。最后分析了1.2m薄主镜实验平台对上述误差的校正方法与效果。设计和搭建了一套1.2m薄主镜主动光学实验平台,并进行了薄主镜面形闭环控制实验,在验证本文研究结果的同时,也为中国科学院光电技术研究所正在研制的某大口径望远镜提供了一定的技术储备与参考,并为国内大口径望远镜的发展提供了一定的理论基础和应用依据。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH743
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 天文望远镜的发展
    1.2 望远镜主镜的轻量化
        1.2.1 大口径主镜带来的问题
        1.2.2 大口径主镜的轻量化技术
    1.3 主动光学技术
        1.3.1 主动光学的定义
        1.3.2 主动光学的发展
    1.4 本课题的研究内容与意义
第2章 主动光学
    2.1 引言
    2.2 主动光学的基本概念
        2.2.1 望远镜系统的误差来源
        2.2.2 主动光学与自适应光学
        2.2.3 主动光学的基本定律
    2.3 主镜的支撑系统
    2.4 主动光学的校正过程
        2.4.1 波前探测
        2.4.2 波前复原
        2.4.3 波前校正
    2.5 主动光学的控制方式
        2.5.1 闭环控制过程
        2.5.2 开环控制过程
    2.6 典型的主动光学系统
        2.6.1 VLT望远镜主动光学系统
        2.6.2 SUBARU望远镜主动光学系统
        2.6.3 Gemini望远镜主动光学系统
        2.6.4 典型主动光学系统小结
    2.7 小结
第3章 1.2m薄主镜主动支撑排布设计
    3.1 引言
    3.2 薄主镜轴向支撑设计
        3.2.1 1.2 m薄主镜的参数
        3.2.2 薄主镜轴向支撑的设计思路
        3.2.3 薄主镜轴向支撑点数量及排布方式的设计
        3.2.4 轴向定位点的选取
        3.2.5 轴向支撑的优化
    3.3 薄主镜侧向支撑设计
        3.3.1 常用的薄主镜侧向支撑方式
        3.3.2 push-pull-shear侧支撑方式
        3.3.3 1.2 m薄主镜侧向支撑设计
    3.4 小结
第4章 1.2m薄主镜面形主动校正算法研究及校正能力分析
    4.1 引言
    4.2 1.2 m薄主镜面形主动校正的流程
    4.3 1.2 m薄主镜主动校正能力分析
        4.3.1 主动支撑点对镜面的影响函数
        4.3.2 薄主镜对各阶Zernike像差的拟合能力
        4.3.3 Zernike模的阶数及S-H子孔径数对校正效果的影响
        4.3.4 薄主镜对重力变形的校正
        4.3.5 薄主镜对热载变形的校正
        4.3.6 薄主镜对风载变形的校正
        4.3.7 1.2 m薄主镜面形主动校正能力小结
        4.3.8 薄主镜力驱动器的性能要求分析
    4.4 小结
第5章 1.2m薄主镜主动光学控制系统设计与分析
    5.1 引言
    5.2 1.2 m薄主镜面形控制系统设计与性能分析
        5.2.1 闭环控制系统设计及性能分析
        5.2.2 开环控制系统设计及性能分析
        5.2.3 1.2 m薄主镜面形控制系统性能总结
    5.3 小结
第6章 1.2m薄主镜面形测量模块设计及误差分析
    6.1 引言
    6.2 1.2 m薄主镜面形测量模块设计
    6.3 面形测量模块的误差研究
        6.3.1 面形测量模块的位置误差的来源及影响
        6.3.2 瞳移测量算法研究
        6.3.3 面形测量模块误差的校正
    6.4 小结
第7章 1.2m薄主镜面形主动控制实验研究
    7.1 国内薄镜面主动光学实验系统介绍
    7.2 1.2 m薄主镜主动光学实验平台
        7.2.1 1.2 m薄主镜主动光学实验平台的结构
        7.2.2 实验平台的闭环面形校正流程
    7.3 1.2 m薄主镜主动光学实验研究
        7.3.1 主镜校正区域的选择
        7.3.2 驱动器影响函数的测量
        7.3.3 薄主镜对各阶Zernike像差的拟合能力
        7.3.4 薄主镜对重力变形的校正
        7.3.5 Zernike模数对校正效果的影响
        7.3.6 S-H传感器的测量误差
    7.4 小结
第8章 总结与展望
    8.1 本文的主要研究内容与结论
    8.2 本文的创新点
    8.3 未来工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

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本文编号：2875397