拼接望远镜成像系统的理论模型分析及仿真研究EI北大核心CSCD

拼接主镜是建设大型天文望远镜最有效的技术途径,尤其是对10m及更大口径的望远镜.本文从光学衍射理论出发,以10m左右口径望远镜为例,推导出了拼接望远镜光学系统点扩展函数的解析表达式,建立了数学仿真模型,并对影响望远镜系统远场像质的因素进行了计算分析.理论分析和仿真结果表明:拼接望远镜的点扩散函数是分块镜的位置干涉函数和分块镜的点扩散函数的乘积;分块镜间的间距会引起分块镜的衍射光斑展宽,使远场峰值能量下降;分块镜的平移误差会严重影响望远镜点扩散函数中的位置干涉函数,从而降低望远镜系统的斯特列尔比;分块镜的倾斜误差会在每个分块镜的点扩散函数引入频移,因而影响拼接望远镜光学系统的点扩散函数,降低望远镜系统的斯特列尔比.     

拼接望远镜成像系统的理论模型分析及仿真研究

拼接主镜是建设大型天文望远镜最有效的技术途径,尤其是对10m及更大口径的望远镜.本文从光学衍射理论出发,以10m左右口径望远镜为例,推导出了拼接望远镜光学系统点扩展函数的解析表达式,建立了数学仿真模型,并对影响望远镜系统远场像质的因素进行了计算分析.理论分析和仿真结果表明:拼接望远镜的点扩散函数是分块镜的位置干涉函数和分块镜的点扩散函数的乘积;分块镜间的间距会引起分块镜的衍射光斑展宽,使远场峰值能量下降;分块镜的平移误差会严重影响望远镜点扩散函数中的位置干涉函数,从而降低望远镜系统的斯特列尔比;分块镜的倾斜误差会在每个分块镜的点扩散函数引入频移,因而影响拼接望远镜光学系统的点扩散函数,降低望远镜系统的斯特列尔比.     

拼接式望远镜主镜衍射效应研究

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。     

基于卷积神经网络的高精度分块镜共相检测方法

为获得与单口径望远镜相当的空间分辨率,使成像系统成像质量达到或接近衍射极限,拼接主镜式望远镜的分块子镜应确保实现共相位拼接,本文针对拼接主镜式望远镜高精度平移(piston)误差检测问题,提出了一种基于卷积神经网络的高精度平移误差检测方法.通过在成像系统的出瞳面上设置具有离散孔的光阑,构建了对平移误差极为敏感的点扩散函数图像数据集,根据此数据集的特点搭建了具有高性能的网络模型,并测试得到网络的最佳检测范围.仿真结果表明,在略小于一个波长的捕获范围内,单个网络能够准确地输出一个或多个分块子镜的平移误差;应用于六子镜成像系统时,平移误差检测精度达0.0013λRMS (root mean square),并且方法对残余倾斜(tip-tilt)误差、波前像差、CCD噪声、光源带宽具有良好的鲁棒性.该方法简单快速,可广泛应用于分块镜系统的平移误差检测.     

基于混合优化算法的分块镜共相位误差校正

对采用分块拼接式主镜的大口径空间望远镜,有必要研究适合在轨应用的共相位误差校正方法。以像清晰度函数作为评价函数,通过仿真分析了单色光和白光照明2种情况下分块镜共相位误差与评价函数的变化关系。仿真结果表明:采用单色光照明时,分块镜平移误差校正的动态范围小于0.5λ;采用白光照明时,评价函数存在局部极值,必须采用全局最优化算法。仿真结果表明,当平移误差大于0.5λ时,采用随机并行梯度下降(SPGD)算法易陷入局部极值,而采用遗传算法(GA)可以搜索到全局最优解,但迭代速度较慢。提出了采用基于SPGD算法和遗传算法的混合优化算法校正分块镜共相位误差。当平移误差在[-λ,+λ]范围内时,混合优化算法的校正精度可优于10 nm。     

拼接衍射望远镜的失调误差分析

拼接衍射望远镜的失调误差对光学系统的成像质量有重要影响,为此对拼接菲涅耳透镜的失调误差进行公差分析,推导基于瑞利准则的失调误差的理论计算公式,对包含口径为1.5 m的拼接主镜和消色差光路的光学系统进行公差分析。仿真结果表明,公差范围内的波前像差均满足瑞利判据与斯特列尔比,因此该公差分析可为衍射望远镜的装调和检测提供有效的理论指导。     

拼接主镜光学系统展开误差的分析

提高光学系统分辨率的主要方法是增大光学系统的通光口径,而使用子镜拼接得到一块等效大口径主镜是增大通光口径的常用方法。拼接主镜光学系统入轨后子镜进行展开,展开位置与设计位置偏差大小决定光学系统成像质量好坏,因此需要对子镜展开位置的精度进行分析。使用光学软件对拼接主镜光学系统建模,调整子镜6个自由度的位置误差得到其与系统成像质量的关系曲线。结果表明,针对不同位置的子镜,相同位置误差产生的系统波前误差的均方根(RMS)值大小不同,中层子镜对沿着X轴方向的移动敏感,而外层子镜对沿着Y轴方向上的移动敏感。通过对每个子镜单独分配位置误差与每个子镜分配相同的位置误差两种方式对子镜的展开精度进行误差分配,结果表明在产生相同波前误差的情况下,单独对每个子镜位置误差进行定义的精度相对较为宽松。     

大口径光学望远镜拼接镜面关键技术综述

随着天文探测的不断发展,望远镜的口径越来越大,拼接镜面技术为大口径望远镜主镜的设计提供了一种比单镜面形式更简单可行的替代方案,现已成为大口径望远镜主镜设计的重要途径。本文以詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)和三十米望远镜(TMT)等典型拼接式望远镜的主镜设计为参考,总结了当前拼接镜面技术的发展现状;并阐述了在大规模子镜背景下,不同子镜拼接方案的性能差异,以及镜面支撑技术和共相检测技术的未来发展趋势,希望可以为我国下一代极大口径光学望远镜的自主研制提供参考。     

校正空间分块镜复位误差所需的最少自由度的确定

可收展式分块镜共相位成像技术是实现光学系统超大口径、超高分辨率成像的关键技术。分块镜复位误差会引起各子镜之间的共相位误差和整个拼接镜面的面形误差。合理确定校正分块镜复位误差所需的自由度具有非常重要的意义。计算机仿真分析了分块镜的复位误差对拼接镜面面形误差的影响。结果表明,所需的校正自由度的个数不仅与展开机构的复位精度有关,而且与分块镜镜面的几何参数有关。     

基于色散条纹传感器的拼接镜面共相的实验研究

研制极大望远镜的拼接主镜时,为使得望远镜系统成像质量达到衍射极限,子镜的定位精度需要满足共相位要求,那么必须对子镜之间的平移误差进行实时精确检测和校正.在对色散条纹检测和色散哈特曼检测原理分析的基础上,建造了一台色散条纹传感器,并在室内拼接镜面主动光学实验系统上开展检测实验,验证了检测信号和平移误差之间存在确定的函数关...     

衍射效应对空间可展开光学系统像质的影响

空间可展开光学系统采用的是主动控制的拼接主镜。基于波动光学衍射理论分析了光学系统在几种展开方式下由主镜形状、分块镜间隙等因素引起的衍射效应,这为评价展开方式提供了光学理论依据。     

大口径光学系统在轨调整补偿能力

随着航天遥感需求的不断提高,光学遥感器的口径越来越大,光学元件的支撑和重力变形对光学系统的影响难以消除,因此需要在轨调整光学元件位置变量,来补偿主镜面形误差引起的系统光学性能的下降。以一个大口径同轴三反射式光学系统为例,在理论上分析了次镜的倾斜、偏心和轴向位置引起的初级像差的变化,得出次镜的在轨补偿能力。利用Zernike多项式模拟主镜面形误差,通过调整次镜的位置自由度,分别补偿主镜的球差、彗差和像散,给出了仿真结果,并进行了工程可实现性分析。结果表明,次镜的位置自由度调整能够补偿主镜的彗差,并能够补偿一定量的像散,但是只能补偿小量球差。     

空间望远镜分块式主镜共相位调整的优化算法研究

以应用主动控制系统进行分块镜共相位调整的大口径空间望远镜为研究对象,分析了分块式主镜致动器位移与相位误差之间的对应关系以及共相位调整的目标。研究采用一种求解非线性约束问题的序列二次规划法优化求解主镜致动器的位移控制指令,校正分块式主镜相位误差。数学仿真结果表明,应用序列二次规划法对分块式主镜进行共相位调整优化,控制精度得到了很大地提高。     

分块式空间望远镜波前传感及控制方法的仿真研究

分块式空间望远镜的波前传感及控制方法是实现高分辨率成像的关键.空间望远镜在轨展开后,由于空间环境及光学系统本身的特点,存在位置和面形误差,波前误差动态范围大、空间频率覆盖宽,需要采用分级校正的方法逐步减小误差.给出了波前校正流程及相应的波前传感及控制方法.利用Zemax软件建立了同轴偏场三反射镜系统仿真模型,并对主镜进行了分块设计.针对该系统模型,建立了分块式空间望远镜系统波前传感及控制集成仿真软件,通过分析分块主镜的波前误差校正过程验证了算法的可行性.     

衍射主镜面外拼接误差分析

多子镜拼接的方法可实现大口径菲涅耳衍射透镜制作,但拼接误差会对光学系统的成像质量造成影响。通过衍射光线追迹和波前恢复的方法,正向得到了子镜沿自身x′轴倾斜、y′轴倾斜、z′轴平移等面外误差与对应波前误差Zernike系数的数据库。利用数据库基于反向传播神经网络优化算法反向建立波前误差Zernike系数与对应面外误差的非线性耦合映射模型,可实现通过输入Zernike系数完成对面外误差耦合扰动情况的快速求解,运用带有符号的数值判定面外误差的大小及方向。对该模型进行模拟数值计算,验证了该方法的精度及可靠性,为衍射拼接主镜的共面检测、装调提供理论依据。     

非球面扇形分块镜的拼接误差仿真与反演

根据红外望远镜2m非球面拼接主镜的要求,通过非球面方程导出波像差表达式,建立波像差与干涉亮纹之间的关系,建立ZEMAX模型,编写MATLAB程序对拼接误差与干涉条纹的泽尼克多项式像差之间的关系进行仿真.提出基于误差灵敏度矩阵实现误差线性反演的方法,建立整个拼接镜的误差反演算法,并对单个扇形分块镜的拼接误差进行反演.结果表明当拼接平移误差小于1mm或倾斜误差小于1°时,反演误差优于3%且迅速收敛,当拼接误差小于0.1mm或倾斜误差小于0.1°时,反演误差优于0.5%,且随着拼接误差的继续减小而趋近于零.该反演方法准确度高,算法简单,有效,适合工程应用.     

拼接镜主动共相实验研究

针对拼接型天文望远镜主镜的共相检测问题,对宽窄带夏克哈特曼检测法在拼接主镜各子镜间平移误差的测量进行了理论与仿真分析,并搭建了一套室内拼接镜的主动共相检测实验光路系统,其中拼接镜是由4块对边长为100mm、曲率半径为2 000mm的正六边形球面反射镜组成.首先,利用夏克波前探测器进行了拼接镜的精共焦误差的检测,通过主动光学技术控制压电陶瓷促动器,实现了拼接镜的精共焦的调节;然后通过宽带共相检测实现了粗共相的检测;最后,通过窄带共相检测实现了精共相的检测,并通过主动光学技术控制压电陶瓷促动器,实现了共相的调节.实验表明:宽窄带夏克哈特曼检测法对拼接子镜平移误差测量量程达到几十微米,共相检测精度达到15nm,满足拼接镜对平移误差的测量要求.     

大型合成孔径望远镜标准化点源敏感性分析

为了更好地对大口径光学系统进行误差分析、分配,本文在美国TMT主镜团队所提出的"标准化点源敏感性"的基础上,研究了大口径合成孔径望远镜各项误差的特性及其分配。首先,对"标准化点源敏感性"的基本性质进行了研究,论述了其作为大口径合成孔径望远镜全频域评价指标的优越性;之后,分析了不同误差源对合成孔径望远镜"标准化点源敏感性"的影响,以及在不同评价尺度下对应的标准化点源敏感性;最后,利用标准化点源敏感性与斜率均方根之间的关系,针对合成孔径望远镜子镜间相对位置误差存在封闭性的特点,提出了基于"Brownian Bridge"过程与"标准化点源敏感性"的误差模型。本文的工作对于类似的大口径系统设计与检测也有着一定指导意义。     

高分辨率空间望远镜分块主镜位置误差的在轨校正

针对同轴偏场三反射镜系统用Zemax软件建立了主镜分块模型,提出了基于灵敏度矩阵反演的分块镜位置误差校正方法.对于非圆形的环扇形分块镜,采用环扇域正交的Zernike多项式拟合出瞳波像差.仿真计算了分块镜的灵敏度矩阵,验证了分块镜位置误差和出瞳像差变化量间的线性关系.仿真结果表明,当分块镜具有五个校正自由度时可以将光学系统恢复到设计状态,当分块镜只有三个校正自由度时会有少量剩余误差.     

700mm光学望远镜结构设计与分析

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。