为了更好地对三十米望远镜三镜, 即巨型科学可控反射镜(Giant Steerable Science Mirror, GSSM)的抖动(Jitter)特性进行研究, 利用信号的复数表达分别分析了时域积分与频域积分的特性, 明晰了二者之间的关系, 并从积分精度的角度上, 选择频域积分作为GSSM Jitter 数据的处理方法。同时, 对比了高精度编码器以及高精度加速度计对抖动测量的适用性, 验证了使用加速度计测量的合理性。针对 GSSM 内部振动的影响, 选择频响函数法测量内部作用力。最后, 对GSSM缩比模型进行了Jitter检测, 得到镜面方向Jitter 为0.079 7 μm, 方位轴方向为14.143 2 mas, 俯仰轴方向为20.747 5 mas, 内部作用力为0.003 3 N。

激光导引星系统(LGSF)是美国30 m望远镜(TMT)的组成部分之一，在满足TMT对科学目标高分辨力成像和光谱探测的性能需求方面，LGSF 具有重要的作用。LGSF 主要负责为窄视场红外自适应光学系统(NFIRAOS)和下一代TMT-AO 系统提供人造钠导星。本文主要讨论LGSF 以下几部分：设计概述，LGSF 星群模式，LGSF 波前误差分配，发射系统设计。

30 m望远镜三镜是世界上最大的平面镜, 由于其复杂的功能, 又被称作大型科学可控反射镜(Giant Steering Science Mirror, GSSM)。为了更好地分析与抑制GSSM在实现光线中继功能时的抖动, 需要对抖动有精确的测量。由于GSSM抖动的要求特殊且严格, 在测量之前, 需要对抖动测量的误差进行仔细地分析与理解, 才可以更好地完成检测任务。首先, 文中针对使用编码器进行抖动测量的情况, 在不同的测量方案以及相对距离下, 通过蒙特卡洛方法可以得到由激光跟踪仪进行标定的误差: 俯仰轴线的定位误差, 在轴上测量的期望为1 μm, 小于轴外测量的3 μm; 方位轴线的定位误差在激光跟踪仪偏离两米的情况下为4.6 μm。之后对加速度计测量抖动的误差进行了考虑, 首先推导了使用功率谱方法的完备性条件; 之后使用累积功率谱对于333B32的标定结果进行处理, 得到当采样频率为2 048 Hz, 0.05 Hz以外的频段, 其精度为0.6 μm 。抖动的测量以及误差分析, 不仅是GSSM建设过程中十分重要的环节, 同时, 它可以为大口径望远镜建设提供宝贵的统计学先验知识, 并对于系统工程的发展是一种很好的推动。

为了更好地对于30 m望远镜三镜(TMT M3)的动力学进行度量与检测, 基于加速度信号建立了系统模态信息的计算与评价方法。首先, 分析了如何利用加速度计对于TMT三镜系统进行检测。之后, 利用系统对于未知载荷的响应, 基于随机减量法获得了系统的自由响应;之后, 根据多项式拟合的方法, 对于获得的传递函数进行处理。根据之前所提出的方法, 对于4 m级系统, 获得了其系统前两阶模态为88 Hz以及107 Hz, 并获得了对应振型。所做的工作对于TMT三镜的完成有着很好的指导作用。

为满足30 m望远镜(TMT)三镜系统(M3S)对质量和刚度的要求, 研究了合理分配该系统各部分刚度的方法。针对M3S的第一阶谐振频率不小于15 Hz的要求, 本文基于M3S的结构组成对模型进行适当地简化, 然后使用前期设计数据建立了四质量点弹簧-质点模型。研究了三镜支撑系统支撑刚度的组成, 使用特征值反解的方法得到了简化模型在6个广义方向上的刚度矩阵。最后,给出了系统中所有弹簧代表的刚度, 并将这一简化模型和计算结果用来指导后期的结构设计和控制设计。使用运动学仿真软件Adams对分配结果进行了验证, 验证结果显示, M3S各部分刚度配比合理, 系统的基频能够达到15.1 Hz, 满足设计要求。采用本文的刚度分配方法, 可以有效地提高系统设计的效率与合理性。

30 m望远镜三镜为长轴3.594 m，短轴2.536 m的椭圆形微晶玻璃反射镜。其支撑结构采用了多种柔性结构，以释放非支撑方向的自由度。使得轴向支承和侧向支撑能够相互解耦，并减小支撑结构与镜子材料的热胀系数不匹配带来的热应力。柔性件柔度越高，在望远镜观测条件的扰动下镜面面形越好。但过高的柔度会降低柔性件的屈曲临界载荷，导致结构发生屈曲失效。为此需要计算出望远镜观测过程中柔性结构所承受的最大压力载荷，计算相应的屈曲安全系数SFBuckling。对比了典型结构非线性屈曲分析和特征值屈曲分析的区别，不断迭代设计和分析，柔性元件的SFBuckling和柔度取得了一个较好的平衡点，热扰动下的面形也达到了设计要求。

为了更好地对于TMT三镜镜面jitter进行评价，基于镜面方向的加速度信号，通过传递函数以及功率谱的方法，获得了镜面jitter的频域分布与数值特征。首先，对于梯形积分、辛普森积分以及3/8辛普森积分的基本性质进行推导，之后基于功率谱的思想，提出利用白噪声填满数据全部频域以及结合数值方法得到传递函数; 最后对于实际测量得到的加速度信号，得到了米级口径望远镜镜面jitter的数值以及频域分布，同时证明了利用文中方法对TMT三镜镜面jitter进行评价的可行性。文中的方法对于同类的大口径望远镜的jitter测量也有一定的借鉴意义。

为了完成对于30 m望远镜(TMT)三镜面形的检测，引入了基于斜率的测量方法。首先，针对斜率信息分别提出了对于低阶像差拟合以及中频误差分析的方法,并利用数值仿真以及实测数据对于之前提出的理论进行验证；最后，针对所提出的方法进行了基于蒙特卡洛法的误差分配，讨论了在TMT招标方所提出的精度要求下，各个检测仪器的精度如何分配。文中使用的方法，不仅对于TMT三镜的面形检测有很好的指导作用，同时对于类似的大口径平面镜的检测也有一定助力作用。

为了更好地评价大口径反射光学元件在不同尺度下的起伏情况，提出了一种基于结构函数的子孔径拼接算法。首先，对于算法的基本原理与步骤进行了描述，从理论分析的角度对于计算误差的特性进行了分析；之后针对口径为1.23 m的大型反射镜面形数据，应用文中所提出的方法，利用结构函数进行子孔径拼接并对于其误差特性进行了检验，验证了所提出方法的可行性。最后，将该方法应用于30 m望远镜三镜(TMT M3)的面形仿真数据，得到了其在不同评价尺度下的起伏情况。文中的工作对于TMT M3 的最后完成有着重要的意义，并且对于与TMT M3 类似的大口径平面镜面形评价有着一定指导价值。