主動光學(xué)技術(shù)是現(xiàn)代大口徑望遠鏡建造過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一,主動光學(xué)利用波前傳感器實時測量望遠鏡系統(tǒng)中的光學(xué)像差,并通過控制主鏡背面的驅(qū)動器改變主鏡形狀來校正這些像差,以提高望遠鏡的光學(xué)質(zhì)量。本文開展了1.2m薄主鏡主動光學(xué)系統(tǒng)的研究工作,著重研究其面形主動控制技術(shù),從1.2m薄主鏡的支撐設(shè)計出發(fā),圍繞其支撐方式、主動校正算法、主動校正的控制結(jié)構(gòu)及面形檢測方式等多個方面進行了理論和實驗上的設(shè)計、分析和研究,并搭建出了一套1.2m薄主鏡主動光學(xué)實驗平臺,對薄主鏡面形的主動控制進行了實驗驗證。根據(jù)及薄板變形理論及有限元方法,開展了1.2m薄主鏡主動支撐系統(tǒng)的設(shè)計工作,設(shè)計和優(yōu)化了其軸向和側(cè)向支撐的排布和支撐力,有效控制了主鏡的重力變形;在設(shè)計過程中提出了一種純剪切力的側(cè)支撐方式,該支撐方式在保持主鏡重力變形與傳統(tǒng)側(cè)支撐方式基本相同的同時,簡化了支撐結(jié)構(gòu)。對1.2m薄主鏡的主動校正算法進行了研究,并分析了薄主鏡在工作過程中由重力、溫度等因素引起的變形以及主鏡對這些變形的校正能力,最后分析了薄主鏡對力驅(qū)動器的參數(shù)要求。為1.2m薄主鏡設(shè)計了一套面形控制系統(tǒng),其既可以進行面形閉環(huán)控制,也可以進行面形開環(huán)控制,基于此系統(tǒng),建立了1.2m薄主鏡在開環(huán)和閉環(huán)面形控制下的控制系統(tǒng)模型及傳遞函數(shù)。分析了軸向支撐力的誤差對1.2m薄主鏡面形的影響,并在此基礎(chǔ)上,分析了1.2m薄主鏡的控制系統(tǒng)在觀測自然目標(biāo)和人造目標(biāo)時的性能及引入的面形誤差。為1.2m薄主鏡設(shè)計了一套面形檢測模塊,該模塊使用自準(zhǔn)直光路,利用一臺Shack-Hartmann(S-H)波前傳感器對薄主鏡的面形進行實時測量。分析了該模塊在工作中與主鏡間可能產(chǎn)生的位置誤差及由此引入的面形測量誤差,并特別深入研究了其中一種位置誤差——S-H傳感器與主鏡/變形鏡的對準(zhǔn)誤差——的探測方法,提出了兩種新型的高精度探測算法,并進行了深入的理論和實驗研究與分析。最后分析了1.2m薄主鏡實驗平臺對上述誤差的校正方法與效果。設(shè)計和搭建了一套1.2m薄主鏡主動光學(xué)實驗平臺,并進行了薄主鏡面形閉環(huán)控制實驗,在驗證本文研究結(jié)果的同時,也為中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所正在研制的某大口徑望遠鏡提供了一定的技術(shù)儲備與參考,并為國內(nèi)大口徑望遠鏡的發(fā)展提供了一定的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用依據(jù)。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH743
【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 緒論
    1.1 天文望遠鏡的發(fā)展
    1.2 望遠鏡主鏡的輕量化
        1.2.1 大口徑主鏡帶來的問題
        1.2.2 大口徑主鏡的輕量化技術(shù)
    1.3 主動光學(xué)技術(shù)
        1.3.1 主動光學(xué)的定義
        1.3.2 主動光學(xué)的發(fā)展
    1.4 本課題的研究內(nèi)容與意義
第2章 主動光學(xué)
    2.1 引言
    2.2 主動光學(xué)的基本概念
        2.2.1 望遠鏡系統(tǒng)的誤差來源
        2.2.2 主動光學(xué)與自適應(yīng)光學(xué)
        2.2.3 主動光學(xué)的基本定律
    2.3 主鏡的支撐系統(tǒng)
    2.4 主動光學(xué)的校正過程
        2.4.1 波前探測
        2.4.2 波前復(fù)原
        2.4.3 波前校正
    2.5 主動光學(xué)的控制方式
        2.5.1 閉環(huán)控制過程
        2.5.2 開環(huán)控制過程
    2.6 典型的主動光學(xué)系統(tǒng)
        2.6.1 VLT望遠鏡主動光學(xué)系統(tǒng)
        2.6.2 SUBARU望遠鏡主動光學(xué)系統(tǒng)
        2.6.3 Gemini望遠鏡主動光學(xué)系統(tǒng)
        2.6.4 典型主動光學(xué)系統(tǒng)小結(jié)
    2.7 小結(jié)
第3章 1.2m薄主鏡主動支撐排布設(shè)計
    3.1 引言
    3.2 薄主鏡軸向支撐設(shè)計
        3.2.1 1.2 m薄主鏡的參數(shù)
        3.2.2 薄主鏡軸向支撐的設(shè)計思路
        3.2.3 薄主鏡軸向支撐點數(shù)量及排布方式的設(shè)計
        3.2.4 軸向定位點的選取
        3.2.5 軸向支撐的優(yōu)化
    3.3 薄主鏡側(cè)向支撐設(shè)計
        3.3.1 常用的薄主鏡側(cè)向支撐方式
        3.3.2 push-pull-shear側(cè)支撐方式
        3.3.3 1.2 m薄主鏡側(cè)向支撐設(shè)計
    3.4 小結(jié)
第4章 1.2m薄主鏡面形主動校正算法研究及校正能力分析
    4.1 引言
    4.2 1.2 m薄主鏡面形主動校正的流程
    4.3 1.2 m薄主鏡主動校正能力分析
        4.3.1 主動支撐點對鏡面的影響函數(shù)
        4.3.2 薄主鏡對各階Zernike像差的擬合能力
        4.3.3 Zernike模的階數(shù)及S-H子孔徑數(shù)對校正效果的影響
        4.3.4 薄主鏡對重力變形的校正
        4.3.5 薄主鏡對熱載變形的校正
        4.3.6 薄主鏡對風(fēng)載變形的校正
        4.3.7 1.2 m薄主鏡面形主動校正能力小結(jié)
        4.3.8 薄主鏡力驅(qū)動器的性能要求分析
    4.4 小結(jié)
第5章 1.2m薄主鏡主動光學(xué)控制系統(tǒng)設(shè)計與分析
    5.1 引言
    5.2 1.2 m薄主鏡面形控制系統(tǒng)設(shè)計與性能分析
        5.2.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計及性能分析
        5.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計及性能分析
        5.2.3 1.2 m薄主鏡面形控制系統(tǒng)性能總結(jié)
    5.3 小結(jié)
第6章 1.2m薄主鏡面形測量模塊設(shè)計及誤差分析
    6.1 引言
    6.2 1.2 m薄主鏡面形測量模塊設(shè)計
    6.3 面形測量模塊的誤差研究
        6.3.1 面形測量模塊的位置誤差的來源及影響
        6.3.2 瞳移測量算法研究
        6.3.3 面形測量模塊誤差的校正
    6.4 小結(jié)
第7章 1.2m薄主鏡面形主動控制實驗研究
    7.1 國內(nèi)薄鏡面主動光學(xué)實驗系統(tǒng)介紹
    7.2 1.2 m薄主鏡主動光學(xué)實驗平臺
        7.2.1 1.2 m薄主鏡主動光學(xué)實驗平臺的結(jié)構(gòu)
        7.2.2 實驗平臺的閉環(huán)面形校正流程
    7.3 1.2 m薄主鏡主動光學(xué)實驗研究
        7.3.1 主鏡校正區(qū)域的選擇
        7.3.2 驅(qū)動器影響函數(shù)的測量
        7.3.3 薄主鏡對各階Zernike像差的擬合能力
        7.3.4 薄主鏡對重力變形的校正
        7.3.5 Zernike模數(shù)對校正效果的影響
        7.3.6 S-H傳感器的測量誤差
    7.4 小結(jié)
第8章 總結(jié)與展望
    8.1 本文的主要研究內(nèi)容與結(jié)論
    8.2 本文的創(chuàng)新點
    8.3 未來工作展望
參考文獻
致謝
作者簡歷及攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果

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