文章目录

摘要

abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 大型拼接镜面望远镜发展现状

    1.2.1 大型地基拼接镜面望远镜发展现状

    1.2.2 大型空间拼接镜面望远镜发展现状

1.3 相关研究背景与现状

1.4 拼接镜面主动光学关键技术

    1.4.1 拼接镜面共相保持中的边缘传感器技术

    1.4.2 拼接镜面共相保持中的拼接镜控制技术

    1.4.3 拼接镜面共相检测技术

1.5 课题研究意义与主要内容

    1.5.1 课题研究的意义

    1.5.2 课题研究的主要内容

第2章 主动光学控制模型的建立与分析

2.1 引言

2.2 稀疏孔径望远镜主镜姿态控制模型分析

    2.2.1 硬点定位理论

    2.2.2 主动光学校正量解算原理

    2.2.3 主动光学控制模型的几何学原理

    2.2.4 不同硬点排布策略下控制矩阵的建立

2.3 岭估计应用于稀疏孔径望远镜主镜姿态控制

    2.3.1 岭估计原理

    2.3.2 岭参数的选择

2.4 不同硬点排布策略下的控制仿真

2.5 分析与讨论

2.6 本章小结

第3章 边缘传感器测量误差的分析及校正

3.1 引言

3.2 拼接镜面望远镜子镜支撑结构分析

    3.2.1 拼接镜面望远镜子镜支撑结构

    3.2.2 拼接镜面望远镜子镜支撑结构的主动光学共性特征

    3.2.3 三十米望远镜项目简介

3.3 TMT中电容式边缘传感器结构

3.4 测量误差分析

    3.4.1 建立坐标系

    3.4.2 坐标变换

    3.4.3 数值模拟实验

3.5 边缘传感器测量误差校正及仿真

    3.5.1 边缘传感器测量误差校正方法

    3.5.2 仿真实验及结果分析

3.6 同时存在tip/tilt误差时边缘传感器测量误差的分析及校正

3.7 本章小结

第4章 拼接子镜的共相检测

4.1 引言

4.2 共相检测技术

    4.2.1 焦平面共相检测技术

    4.2.2 中间面共相检测技术

    4.2.3 光瞳面共相检测技术

4.3 基于粒子群优化的小波支持向量机用于共相误差检测

    4.3.1 考虑大气视宁的波前感知模型的建立

    4.3.2 支持向量机理论

    4.3.3 建立小波支持向量机模型

    4.3.4 支持向量机的改进粒子群优化算法

4.4 仿真实验及结果分析

4.5 本章小结

第5章 边缘传感器噪声测试及大型拼接镜面望远镜主动光学集成仿真分析

5.1 引言

5.2 边缘传感器噪声测试

5.3 建立拼接镜面主动光学集成仿真模型

5.4 拼接镜面主动光学促动器Zernike模式控制

5.5 边缘传感器位置误差对促动器控制模式的正交性的影响分析

5.6 拼接子镜形状、刚体位移误差和尺寸大小对光学成像质量的影响

    5.6.1 拼接子镜的piston误差对光学系统成像质量的影响分析

    5.6.2 拼接子镜形状对拼接镜面望远镜光学系统MTF的影响分析

5.7 边缘传感器的测量误差对主动光学控制的影响

5.8 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

    6.1.1 主要研究内容

    6.1.2 论文的主要创新点

6.2 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

文章摘要:随着现代天文学的飞速进步,对望远镜探测能力的要求不断提高,对望远镜口径的要求也急剧增大。受镜坯制造、光学加工、运输装调等因素影响,大于8m级的大型望远镜只能通过拼接镜面技术实现。对大型拼接镜面望远镜来说,拼接镜面的主动光学共相保持和共相误差检测是其关键点与难点。拼接镜面的共相保持。拼接镜面在通过光学方法实现共相之后,受到重力、风载、热、振动等因素的影响,拼接子镜间的共相状态被破坏。主动光学系统通过边缘传感器监测相邻拼接子镜之间的相对位姿变化,然后由主动光学控制系统计算出相应的位移促动器的补偿量,并给位移促动器发送指令,由位移促动器将拼接子镜的位姿重新调整到共相状态。拼接镜面的共相检测。拼接镜面只有保持严格共相时才能获得等大口径单镜同样的光学性能。如果存在piston误差,则镜面连续性被破坏,从而降低拼接镜面望远镜的光学性能。由于共相检测存在2π模糊,所以要结合多波长共相检测技术抑制2π模糊并且避免引入非共光路误差。鉴于大型拼接镜面望远镜是我国未来望远镜的重要发展方向,对大型拼接镜面望远镜关键技术——主动光学共相保持和共相检测技术开展具有理论意义和现实意义的研究。本文具体完成了以下几个方面的工作:（1）通过总结大型望远镜发展规律和拼接望远镜的六边形子镜、扇形子镜、圆形子镜呈稀疏孔径式的三种拼接镜面实现形式,明确了拼接镜面主动光学共相保持和共相检测技术是实现大型望远镜的关键技术。（2）基于拼接子镜形状的拓扑结构特征,提出了可拓展式拼接镜面主动光学控制模型,并利用该模型分析了位移促动器排布和边缘传感器间距对拼接镜面主动光学控制的影响;针对大型拼接镜面望远镜中边缘位移传感器布置数量冗余、拼接镜面主动光学控制矩阵条件数大、控制矩阵不稳定等问题,提出了基于数据融合的思想,利用岭估计提高拼接镜面主动光学控制矩阵稳定性的方法。（3）对国外现有的拼接望远镜的子镜支撑结构形式进行了总结归纳,指出了拼接子镜支撑系统采用Guide Flexure结构解耦轴向支撑和侧向支撑,引入边缘传感器测量误差这一共性问题,提出了基于多体运动学理论的拼接子镜运动学模型,并基于该模型提出了基于矩阵思想的误差校正方法,避免了Look-up-table。（4）对国内外现有共相检测技术进行了归纳和总结,针对现有共相检测技术中2π模糊的问题和传统曲率传感技术易受大气扰动影响的问题,提出了结合多波长,基于曲率传感技术的改进粒子群优化的小波支持向量机用于相邻拼接子镜间piston误差范围检测的方法,避免了引入非共光路误差。（5）对边缘传感器进行了噪声测试实验。建立了扇形拼接镜面主动光学模型,并基于该模型,分析了边缘传感器位置误差和测量噪声对拼接镜面主动光学控制的影响。基于Matlab平台编写了拼接镜面主动光学集成仿真系统,建立了Matlab-ANSYS接口和基于DDE技术和Zemax宏语言的Matlab-Zemax接口,利用ANSYS强大的结构仿真分析能力和Zemax强大的光学仿真分析能力及Matlab优秀的数据处理能力将拼接镜面主动光学技术高度集成,便于拼接镜系统误差分析和分配模型的建立,提高了在设计阶段的误差的分析和分配的效率,减小了工程技术风险,有利于主动光学技术方案向最优解的快速迭代。利用该仿真系统对拼接子镜形状和尺寸、拼接子镜piston误差、tip/tilt误差对拼接镜面望远镜光学系统成像质量的影响进行了仿真分析。