中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033
受自身重力、温度、不同工况下的外部干扰等影响,大望远镜主镜自由状态下位姿会产生巨大变化,导致后端光路不能对准,高分辨率成像质量下降,甚至图像飞出靶面。为消除主镜位姿变化对成像质量带来的影响,本文采用新型高精度电液控制系统对大望远镜主镜位姿进行控制。首先建立望远镜主镜位姿解算模型,分析主镜姿态变化原理;其次采用五个分区的多电机电液控制系统实现主镜姿态主动控制,建立各分区的液压控制系统模型,利用基于望远镜俯仰轴运动时位置误差的多元线性拟合前馈控制(EEFC)及线性自抗扰控制方法(LADRC)进行主镜位姿控制;最后进行测试,结果表明:4 m望远镜俯仰轴匀速运动时,可将主镜Z向平移精度从91.5 μm提升到0.5 μm,偏转角度精度从3 arcsec提升到0.05 arcsec。在1.2 m望远镜俯仰轴变速运动时,可将主镜Z向平移精度从5.04 μm提升至0.2 μm,角度偏移精度从0.65 arcsec提升到0.05 arcsec。在主镜上施加多点力促动器驱力时,主镜Z向位移精度从12.2 μm提升到2 μm内,角度偏移精度从1 arcsec提升到0.03 arcsec。通过测试验证,该控制系统可有效实现主镜光轴稳定,有效保证后端光路的对准与高分辨率自适应成像。
大口径望远镜 主镜位姿控制 多电机,电液系统 large-aperture telescope primary mirror position and orientation control muti-motors electrohydraulic system 光学 精密工程
2023, 31(10): 1487
红外与激光工程
2021, 50(11): 20210199
1 中国科学院 国家天文台南京天文光学技术研究所,江苏南京20042
2 中国科学院 天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所),江苏南京1004
3 中国科学院大学,北京100049
为适应光学红外望远镜口径不断增大的需求,降低驱动功率,应用碳纤维复合材料对望远镜主镜室桁架进行轻量化设计。对望远镜主镜室碳纤维复合材料桁架单元铺层进行优化设计,利用进化算法选取最优铺层方案。对望远镜主镜室桁架单元建模,并利用敏感性分析及进化算法选取最佳铺层方案,设计另外3种典型铺层方案进行对比,对桁架杆单元进行静力学分析和加载实验,对桁架杆组装成的六杆三棱锥单元进行模态分析和振动测试。有限元分析和实验结果对比表明:最优铺层方案为[±45°/90°/0°/90°/0°]s。有限元分析得到该方案桁架杆单元的等效轴向刚度为8.306×106 N/m,实验测得为7.463×106 N/m;有限元分析得到的等效径向刚度为3 968.3 N/m,实验测得为3 344.5 N/m。该方案六杆三棱锥单元模态分析得到一阶频率为93.699 Hz,振动测试测得一阶频率为84.683 Hz。复合材料桁架杆质量比同尺寸的钢结构杆减轻了77.6%,静力学性能与动力学性能均优于同质量钢杆。最佳铺层方案的有限元分析结果和实验结果表明其静力学性能及动力学性能均优于其他方案。
光学望远镜 主镜室桁架单元 碳纤维复合材料 进化算法 优化设计 optical telescope primary mirror chamber truss unit carbon fiber composite evolution algorithm integrated optimization
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学,北京 100049
拼接式主镜的设计使超大口径望远镜的构想成为现实。为了研究拼接式望远镜的成像性能,精确分析和量化了拼接式主镜构型、平移误差、倾斜误差对衍射效应的影响,从拼接式光学系统的成像原理出发,基于齐次坐标变换建立了拼接式主镜的光瞳模型,并仿真分析了拼接主镜构型对衍射效应的影响。分析结果表明:对于不同构型的拼接主镜,其衍射效应受拼接主镜的填充因子和孔径间隔共同影响,填充因子越高,孔径间隔越小,系统成像质量越好。以典型的拼接主镜构型为例,分别仿真分析了单个子镜平移误差、倾斜误差和拼接主镜整体平移误差、倾斜误差对衍射效应的影响。分析结果表明:对于单个子镜,平移误差对远场衍射的影响具有周期性;对于拼接主镜整体,当子镜piston误差的均方根值小于0.039λ时,斯特列尔比大于0.95;当子镜tip-tilt误差的均方根值小于0.036λ时,斯特列尔比大于0.95。分析结果为拼接式望远镜的成像性能分析、主镜的构型设计、平移误差和倾斜误差的检测与调整等提供了依据。
拼接式望远镜 衍射效应 主镜构型 piston误差 tip-tilt误差 segmented telescope diffraction effect primary mirror configuration piston error tip-tilt error
红外与激光工程
2020, 49(9): 20190517
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光电探测部, 吉林 长春 130033
2 中国成套工程有限公司, 北京 100044
针对某400 mm口径捕获与跟踪望远镜,提出了一种结构设计方案。在 该方案中,对主镜支撑采用三点柔性底支撑加球头芯轴侧支撑的结构,避免支撑应力干涉,保证主镜具有高面形精度;在 主、次镜连接环节中使用铟钢连杆结构,确保大温差下主、次镜间距的变化在公差范围内,保证望远镜在极限条件下具有 良好像质。进而建立望远镜整体结构的有限元模型,分析了主镜面形精度及镜筒结构强度,得出主镜面形均方根(RMS)值 优于λ/40, 主、次镜相对偏心及倾斜分别为3 μm、2.5′′, 满足指标要求。使用激光干涉 仪及平行光管对望远镜光学指标进行了定量检测,发现光学系统RMS 值优于λ/14, 星点半峰全宽(FWHM)值为1.432, 接近衍射极限水平。所设计方案对同类望远镜的结构设计具有一定参考价值。
应用光学 光机结构 主镜支撑 衍射极限 面形精度 applied optics optical mechanical structure main mirror support diffraction limit surface accuracy
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130000
针对某700mm口径高分辨率光学成像望远镜, 提出了一种结构设计方案。对主镜支撑采用9点whiffle-tree底支撑加球头芯轴侧支撑的结构方案, 保证主镜具有高面形精度; 望远镜镜筒采用碳纤维桁架式结构, 既满足望远镜整体重量较轻, 又可以保证系统刚度;建立了望远镜有限元模型, 分析主镜支撑面形、主次镜相对偏心及系统整体模态特性, 其中主镜支撑面形精度可达到λ/40,主、次偏心为0.015mm(水平状态)、0.008mm(竖直状态);使用激光干涉仪及平行光管对望远镜光学指标进行定量检测, 光学系统RMS可达到λ/14, 鉴别率板检测望远镜分辨率可达到46lp/mm, 均接近光学极限水平。为同类望远镜的结构设计提供一定参考价值。
望远镜 主镜支撑 桁架式 面形精度 有限元分析 telescope main mirror support truss RMS finite element analysis
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了满足4 m大口径望远镜镜面成像对主镜位置的高精度需求,介绍了采用电机驱动浮动液压支撑方式的主镜位置控制系统设计方法。介绍了主镜位置控制系统的构成并建立了各结构的数学模型;基于线性扩张观测器和一阶动态滑模控制方法,设计了主镜位置控制器;对该控制系统进行了仿真验证。结果显示:在俯仰轴以1 (°)·s -1的速度匀速运动的情况下,每个支撑区域的跟踪误差最大值小于0.5 μm;在俯仰轴正弦引导情况下,跟踪误差最大值为1 μm,明显优于传统的比例积分控制的13 μm跟踪误差,满足4 m望远镜主镜位置控制系统的设计要求。该研究为大口径望远镜主镜位置控制系统设计提供了一定的参考。
测量 大口径望远镜 主镜 位置控制 动态滑模控制 自抗扰控制 光学学报
2020, 40(22): 2212002