拼接镜面共相技术是大口径望远镜研制中的关键技术之一,共相精度主要取决于边缘传感器的测量精度。针对大口径拼接镜面望远镜的共相需求,提出一种基于光学等厚干涉原理的边缘传感器设计方案,阐述其基本原理并给出该边缘传感器的结构图。利用数据拟合和图像处理方法,对该方案进行仿真模拟,仿真结果显示该方案的测量精度可以达到倾斜误差为0.02″,平移误差为20 nm,可以满足大口径拼接镜面望远镜的共相检测需求。

基于传统的夏克-哈特曼波前传感技术, 针对实验室现阶段所拥有的合成孔径望远镜系统设计了一套共焦检测系统, 用于对合成孔径系统的拼接主镜进行倾斜量误差检测。由于受实验平台振动和实验环境气流扰动等因素的影响, 导致检测系统的夏克-哈特曼光斑质心阵列做无规则的抖动, 检测系统难以实现高精度共焦。针对该问题提出采用连续帧频数据采样叠加滤波处理的方法来克服实验环境因素的影响; 将采集的连续帧频数据逐帧处理, 相互叠加, 分析光斑质心分布规律, 通过构建光斑分布图样最小外接矩形获取光斑质心位置, 从而有效的提高了共焦检测系统的准确度。实验表明中心镜沿x与y方向的倾斜量误差数据的标准差分别从0.029 7与0.009 2降到了6.0×10-5与5.1614×10-4。最终光斑质心数据的稳定性得到了不止一个量级的提升, 良好的克服了因实验环境因素导致检测系统精度损失的问题, 同时也验证了共焦检测系统方案的可行性。

针对拼接镜面望远镜主动光学控制技术的要求, 设计了一种改进型自抗扰控制器以改善位移促动器系统的位置跟踪性能和提高抗扰动能力。首先, 建立了拼接镜面位移促动器系统及扰动风载的数学模型; 设计了改进型自抗扰控制器, 并给出了控制器参数选择的方法。其次, 对位移促动器控制系统进行了仿真分析, 验证了控制器的可行性。最后, 利用风载扰动模拟装置, 在位移促动器系统中引入扰动, 并对比改进型自抗扰控制器与线性自抗扰控制器以及PID控制器控制性能。实验结果表明, 改进型自抗扰控制器系统阶跃跟踪的稳定时间为201 ms, 稳态均方差为7.1 nm, 无超调; 风载干扰实验中, 改进型ADRC的最大偏差值为38.8 nm, 稳态均方差为7.6 nm, 改进型ADRC的性能明显优于线性自抗扰控制器和PID控制器, 对提高位移促动器系统的性能有较高的实用性。

为了降低较为昂贵的镜面抛光和光机装配费用, 以及应对温度、重力及其他意外因素导致的镜面低阶像差, 一种在被动浮动支撑结构上施加力矩以实现面形实时校正的力矩促动器在部分望远镜上已有成熟应用。本文旨在针对我国未来的大口径地基光学望远镜, 对其拼接子镜力矩促动器的分布进行优化与设计。根据工程经验和参考文献初步确定力矩促动器所需的校正能力, 通过三维建模软件对拼接子镜及镜室进行建模, 最后通过有限元仿真和最小二乘法拟合对力矩促动器的布局进行优化设计。计算结果表明, 采用18个力矩促动器的分布方案能够对离焦、像散、彗差和三叶像差进行良好的校正。对于具有数百面子镜的拼接望远镜来说, 18个力矩促动器方案在满足光学设计需求的同时, 有效节约了建设经费并降低了工艺的复杂性。

建立了8 m环形拼接太阳望远镜(8-m-RST)的主镜控制系统的数字控制器模型。通过提取系统模型的频率特性参数,获得了采样周期、相对稳定性、积分增益与控制带宽之间的关系。引入脉动风干扰模型,通过仿真验证了主镜系统在平均风速较低的脉动风扰动影响下的性能。研究结果表明,8-m-RST的主镜控制系统稳定且控制带宽满足0.2 Hz的设计要求,能有效抑制2 m/s平均风速的干扰,对8-m-RST结构设计的改进、倾斜传感器和控制器的设计都有重要的参考价值。

基于圆孔衍射理论,设计了一套拼接式反射镜的共相误差光学检测系统,并采用双波长窄带共相算法实现对合成孔径拼接镜的共相检测。方案中设计了圆孔掩模板、相位板和微棱镜阵列,通过数值仿真得到子镜间存在一系列台阶差时的圆孔衍射模板图样,再将待测图样与模板图样进行相关匹配,获得当前子镜间存在的台阶差。在将检测方案应用于拼接镜检测之前,通过相位板在光路中引入已知量相位差进行模拟实验,对衍射图样进行采样和匹配;实验结果验证了方案的可行性,可实现对合成孔径拼接面进行较高精度的共相检测。

针对中国巨型太阳望远镜(CGST)的8 m环形太阳望远镜(8m-RST)设计方案,建立了其边缘传感器和光学传感器响应子镜面内位移量的模型,进而分析了子镜面内位移对环形拼接主镜面形保持的影响。考虑了望远镜桁架因望远镜指向和温度改变所引起的子镜面内位移量,发现该位移量会破坏8m-RST的面形保持效果。为解决面内位移对8m-RST面形保持的不利影响,提出了相应的主镜控制模型改进方案。改进方案是:通过在子镜拼缝处加装两组间隙量传感器和一组剪切量传感器,利用增加的探测量估算子镜的面内位移量,进而修正边缘传感器与光学传感器的设定值。当间隙量和剪切量的探测精度优于23 nm时,改进方案可以满足CGST的8m-RST方案的面形保持要求。