基于扇形子镜的12m光学红外望远镜拼接共相误差仿真分析

为满足国内对应用大型通用光学望远镜在光学红外波段进行天文观测的需求, 中国计划建设一架12 m大口径光学红外望远镜(12-meter large aperture optical-infrared telescope, LOT). LOT对于中国天文界具有极其重要的意义, 将会在近红外波段实现共相. LOT的主镜将采用子镜拼接的方案, 由72块扇形子镜拼接而成, 并且中央部分有一块直径4.5m的圆形镜. 分析了采用扇形子镜拼接方案下LOT的共相误差, 提供了详细的共相误差理论推导过程, 并对包括3种子镜面外误差在内的误差源进行深入的单独模拟和综合模拟. 在共相波长为1μm的条件下, 当服从正态分布的倾斜误差的均方根值小于0.016^\prime\prime或服从正态分布的活塞误差的均方根值小于42.5nm时, LOT的斯特列尔比大于0.8. 仿真结果对于采用共相拼接镜面主动光学的主镜在LOT中的应用具有重要意义.     

Yb光纤激光频率梳用于兴隆高分辨率光谱仪波长定标的测试与分析

随着新型大口径光学望远镜和高分辨率阶梯光栅光谱仪的广泛应用,更高精度的波长定标逐渐成为亟需解决和改进的一个重要环节。新兴的激光频率梳技术用于天文领域作为波长定标装置,不仅能够提供强度均匀、间隔相等且稳定的定标谱线,而且可以带来更加理想的视向速度精度(cm/s或10-10),为天体物理学中许多重大科学问题带来了有效的解决途径。主要介绍了我国首次使用掺镱光纤激光频率梳作为波长定标装置用于高分辨率阶梯光栅光谱仪(HRS,R~50 000)的测试结果,及其在8个echelle级次上(约40.0 nm,550.0 nm~590.0 nm)范围内生成梳齿的谱线轮廓分析和定量的漂移跟踪。同时比较和讨论了国际同类定标装置的研究现状和特点,为以后进一步的完善和深入优化HRS-LFC(Laser Frequency Comb)系统奠定了基础。     

FAST单元面板面型检测算法研究

500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope,FAST)是一个超大口径的可动望远镜,有三项技术创新,一是选址,二是轻型馈源索支撑,三是主动反射面。在主动反射面上,单元面板的面型和面板的出厂加工精度对电磁波在反射面的汇聚有很大影响。FAST主反射面由4 600块三角形反射面板拼接而成,每块面板为边长11 m三角形,这对FAST反射面面板的测量技术提出了更高的要求。摄影测量直接在影像上进行量测,无需接触物体本身;所摄影像信息丰富,可以从中获得所研究物体的大量几何信息和物理信息;适用于大范围、多目标测量,效率高。目前世界上最大的射电望远镜,如GBT和ARECIBO都是采用摄影测量技术进行反射面面形检测。在对现有的面型检测技术调研并试验后,提出基于数字近景摄影测量的方法,对FAST反射面11 m单元面板的面型进行检测,数分钟完成反射面板面型的一次检测,测量精度达到2.5 mm,经过调整后的单元面板的面型精度达到了3.0 mm,结果表明摄影测量应用于FAST反射面单元面板面型检测是可行的。     

基于粒子群优化的LAMOST初始波长定标方法

大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope,LAMOST)初始波长定标操作,对于在先验定标系数附近搜索解空间内的每一点,通过插值法生成对应定标系数下的虚拟定标灯谱,再将生成的虚拟定标灯谱与实测定标灯谱作互相关运算,使得相关系数最大时对应的定标系数即为初始定标结果,其实质是一个多参数寻优问题.粒子群优化是一种基于群体智能的随机全局优化算法,具有实现简单、精度高、收敛快的特点.鉴于粒子群优化的优异性能,提出一种基于粒子群优化的LAMOST初始波长定标方法,并设计相应算法和测试实验.实验结果表明,基于粒子群优化的LAMOST初始波长定标在收敛性、解的质量、运行时间等方面都优于基于改进遗传算法参数寻优方法.     

大型光学望远镜扇形子镜支撑方法的探讨

基于对大型光学望远镜子镜的要求,比较六边形和扇形两种子镜的优缺点.用有限元法分析扇形子镜在自重下的变形,确定扇形子镜的支撑点数和排列方式.并具体分析了通过18点、24点、27点三种支撑点的排列方式,分别计算不同支撑点下的子镜变形.通过计算表明,27点的支撑方式可以满足子镜的镜面RMS小于10nm的技术要求,并讨论子镜的轴向和侧向支撑方案.计算了在轴向和侧向支撑的条件下,各子镜在水平,垂直以及45°三个极限位置的镜面RMS值.     

离轴大口径全反射式平行光管装调技术研究

随着空间光学系统的发展,光学检测设备的精度要求也更高.介绍了一套口径525 mm、大视场离轴平行光管光学系统的高精度计算机辅助装调方法.该大型平行光管要求全视场波像差优于1/20波长,给装调策略带来了挑战.该方法基于多视场点灵敏度矩阵模型,利用5个不同视场点干涉测得的像差数据,采用阻尼最小二乘法求解系统失调量.通过多次迭代装调,快速成功完成装调,在波长λ=632.8 nm时,该平行光管系统取得了中心视场点波像差均方根粗糙度(rms)值0.036λ、全像面波像差rms平均值0.045λ的装调精度.     

基于双平晶互检法的平面绝对检验仿真

大口径平面光学元件的使用越来越广泛,但它的检测精度受大口径干涉仪参考面的面形误差限制。为了解决此问题,采用双平晶互检法标定干涉仪参考面的绝对面形误差,从而可以消除检测时干涉仪参考面的面形误差的影响。双平晶互检法的优点在于只需要两块平晶,并且测量过程中,不需要反复更换干涉仪的参考面,更适合大口径光学平面的绝对检测。对双平晶互检法检测光学平面的数理模型进行仿真,验证该方法的正确性,并对实验过程中的误差进行仿真分析。研究解决了目前干涉检测精度受限于参考平晶精度的瓶颈问题,同时为未来超大口径(口径大于1 m)平面干涉仪参考平晶误差标定问题提供技术支撑。     

FMG载荷地面试观测导行跟踪系统的设计与实现

全日面矢量磁像仪(Full-disk vector MagnetoGraph, FMG)是先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)卫星的3台主载荷之一,为开展FMG全系统性能测试和定标试验,已搭建用于FMG外场测试的地面试观测平台.利用该平台模拟FMG在轨跟踪状态,研制了基于全日面太阳图像的望远镜导行系统.该系统通过大面阵CCD (Charge Coupled Device)采集太阳像、多重逻辑条件判定、微调恒动跟踪速度校正偏移等策略,实现了RMS (Root Mean Square)优于1′′/30 min的跟踪精度.通过分析FMG方案阶段试观测的太阳纵向磁图,开启导行30 min后磁图特征点在赤经方向的偏移比恒动条件下减少17.5′′,提升了磁图空间分辨率.测试过程中该系统达到设计指标且工作稳定,为FMG地面试观测提供了良好的技术支撑.     

ASO-S/FMG稳像系统的柔性支撑摆镜设计与仿真

全日面矢量磁像仪(Full-disk vector MagnetoGraph, FMG)是先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)的主载荷之一,摆镜作为FMG稳像系统的重要组成部分,其力学性能是决定载荷观测指标的重要一环,需要对其进行仿真.设计了一种侧面固定的柔性支撑镜体结构,通过调整垫片厚度,可以得到由弹性压片提供的不同大小支持力.为了确定合理的支持力范围,建立3种不同参数模型,使用有限元软件对摆镜模型进行了在轨无重力环境的静力学仿真以及摆镜摆动频率为100 Hz、摆幅为±0.1 mrad时的动力学仿真,并进一步分析了地面有重力试验环境对面形的影响.仿真结果表明所设计的摆镜机构模型均满足通光口径内静态和动态的面形波峰波谷差(PeakValley, PV)小于1/10波长,面形均方根误差(Root Mean Square, RMS)小于1/40波长的光学系统要求,地面有重力环境不会对面形产生显著影响.在仿真结果的基础上,对其中一种模型进行加工装配和实际测试,测试结果表明摆镜结构设计合理,仿真计算结果有效.     

离轴二次曲面面型参数测量归算方法的研究

为了在制造过程中保证离轴非球面的光学特性,需要对其主要的面型参数进行严格控制,除了常规形式的顶点曲率半径和非球面系数外,还需要控制镜面的离轴量和离轴角.本文基于普通的二次曲面方程,推导了在新坐标系下的二次曲面表达式,并在这个坐标系下,利用Powell共轭方向法求取镜面的顶点曲率半径、二次曲面系数、离轴量和离轴角.通过对抛物面和双曲面两种形式不同外形的镜面数据的计算,拟合的RMS值可以达到10nm的精度,从而表明该测量计算方法可以有效地控制离轴面加工时的参数误差.     

云南天文台1m红外望远镜的主镜热力学分析

云南天文台1m红外太阳望远镜是多功能、多波段的太阳望远镜,望远镜使用过程中主镜的热变形直接关系这系统的光学精度,建立光学系统的光机热结合的分析方法,可以直观的得到热辐射对光学系统的影响结果,使得望远镜的设计阶段就能评估热变形对系统的精度影响,确定光学元件是否满足要求.     

Implementation of an optimized Cassegrain system for radio telescopes

We present the antenna design for a radio interferometer, the Arcminute Microkelvin Imager, together with its beam pattern measurement. Our aim was to develop a low-cost system with high aperture efficiency and low ground spill across the frequency range 12–18 GHz. We use a modified Cassegrain system consisting of a commercially available paraboloidal primary mirror with a diameter of 3.7 m, and a shaped secondary mirror. The secondary mirror is oversized with respect to a ray optics design and has a surface that is bent towards the primary near its outer edge using a square term for the shaping. The antennas are simple to manufacture and therefore their cost is low. The design increased the antenna gain by approximately 10 per cent compared to a normal Cassegrain system while still maintaining low contamination from ground spill and using a simple design for the horn.     

大口径离轴非球面镜预应力环抛方法研究

提出了一种加工离轴非球面的预应力环抛方法,基于预应力加工方法的基本原理,利用环抛机来磨制离轴非球面.设计了一套专门的加载装置,将拼接镜面中具有不同离轴量的非球面子镜转化成曲率半径相同的球面子镜进行磨制,可以在同一台环抛机上进行抛光.利用这种方法,花费连续40 h的时间,磨制了一块按照中国30 m极大口径望远镜(CFGT)主镜参数比例缩小的离轴抛物面,顶点曲率半径21.6 m,离轴量3.6 m,离轴口径为330 mm,最大非球面度为16μm.试验表明该方法效率高,适用于批量加工,特别是极大口径天文望远镜拼接主镜的大批量非球面子镜研制.     

Measuring and analyzing thermal deformations of the primary reflector of the Tianma radio telescope

The primary reflector of the Tianma Radio Telescope (TMRT) distorts due to the varying thermal conditions, which dramatically reduces the aperture efficiency of Q-band observations. To evaluate and overcome the thermal effects, a thermal deformations measurement system has been established based on the extended Out-of-Focus holography (e-OOF). The thermal deformations can be measured in approximately 20 min with an illumination-weighted surface root mean square (RMS) accuracy of approximately 50 μm. We have measured the thermal deformations when the backup and front structure were heated by the sun respectively, and used the active surface system to correct the thermal deformations immediately to confirm the measurements. The thermal deformations when the backup structure is heated are larger than those when the front structure is heated. The values of half power beam width (HPBW) are related to the illumination-weighted surface RMS, and can be used to check the thermal deformations. When the backup structure is heated, the aperture efficiencies can remain above 90% of the maximum efficiency at 40 GHz for approximately two hours after one adjustment. While the front structure is heated, the aperture efficiencies can remain above 90% of the maximum efficiency at 40 GHz, and above 95% after one adjustment in approximately three hours.     

Hopes and expectations with GREGOR

This contribution to the series of GREGOR inauguration articles addresses the history of the GREGOR telescope. It was obvious since a long time that the study of the atmospheric dynamics on the Sun needs telescopes with a large aperture. So the first plans to replace the 40 years old Gregory‐Coudé Telescope, with its 45 cm primary mirror, by a large, 1.5‐meter telescope date back to 1997. After a positive review of the project by the Deutsche Forschungsgemeinschaft in 2000, the large financial support started in 2000. Unfortunately, the new technology of the Cesic mirrors was not yet ripe to produce the large primary mirror with this light‐weight material. So, the project was much delayed. After recollecting for the reader several dates, I also go through some properties of GREGOR. I recall the aims of the project and discuss difficulties and ways to realise the intentions (© 2012 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

KAGRA引力波探测器中蓝宝石测试镜光学性质研究

低温制冷技术是下一代激光干涉仪引力波探测器的核心技术之一. 日本引力波探测器KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector)作为该技术的前沿开拓者, 将运行在20K的超低温环境中, 并使用在低温下热噪声较低的单晶蓝宝石晶体作为测试镜. 然而, 高质量大尺寸低吸收率的蓝宝石晶体极难制备. 此外, 由于蓝宝石晶体存在晶格结构不均匀, 很容易导致不必要的双折射效应, 从而影响探测器的目标灵敏度. 基于上述问题, 开发了两套大尺寸光学测量系统, 首次系统研究了KAGRA低温蓝宝石测试镜的光学特性. 首先, 根据探测器对测试镜热噪声的要求, 开发了一套基于光热共光路干涉技术的光学测量系统, 该系统可对测试镜以及测试镜表面涂层的光学吸收进行有效的表征. 其次, 基于光学吸收测量系统, 开发了一套双折射效应测量系统, 该系统可以有效表征测试镜中双折射的均匀性. 目前两套测量系统的搭建与调试已完成, 对蓝宝石测试镜光学吸收的测量灵敏度达到了1.5ppm/cm, 双折射测量系统的空间分辨率小于0.3mm times 0.3mm. 该工作对降低大尺寸低温测试镜双折射效应及提高探测器灵敏度具有重要意义.     

一种新型轻量化反射镜结构及其在空间望远镜相关跟踪摆镜上的应用研究

本文提出一种新的反射镜轻量化方案。此方案在结构特征和减重比例上接近蜂窝结构,减重效果比背面开孔的镜子和拱形镜要好得多;同时又可避免蜂窝镜的制造难度。另外,本文还就此方案在空间太阳望远镜(SST)的相关跟踪摆镜上的应用进行探讨,给出了主要结构参数和镜面变形分析结果,其结果表明,此轻量化平面镜能满足SST的使用要求。     

Simulation and analysis of co-phasing errors of the segmented primary mirror tiled by hexagonal segments in LOT

In this paper, co-phasing errors of a segmented primary mirror tiled by hexagonal segments are successfully calculated for the 12-meter Large aperture Optical/infrared Telescope(LOT). Co-phasing errors including out-of-plane errors are simulated separately and comprehensively based on several software simulation platforms. PAOLA simulation results show that the Strehl Ratio(SR) of LOT is larger than 0.8 when the RMS value of tip-tilt obeying a normal distribution is less than 0.018 arcsec, and the SR of LOT is larger than 0.8 when the RMS value of piston obeying a normal distribution is less than 40 nm. Besides,simulation results of Zemax show that the SR of LOT is larger than 0.8 when the RMS value of tip-tilt obeying a normal distribution is less than 0.02 arcsec, and the SR of LOT is larger than 0.8 when the RMS value of piston obeying a normal distribution is less than 40 nm. These simulation results successfully lay a solid foundation for LOT(especially the segmented primary mirror with active optics).     

主反射面变形引起的天线指向误差修正方法

射电天线指向精度通常要求小于主波束宽度的1/10, 对于短厘米波段或毫米波段的大口径反射面天线, 指向精度要求高达几个角秒, 对于天线性能目标的实现是个巨大的挑战, 因此对于大口径高频段的反射面天线来说指向问题成为天线性能实现的重要关注焦点. 在众多影响天线指向精度的结构子系统因素中, 对主反射面变形因素的研究很少. 文章结合天线的结构特点建立了反射面空间坐标系统, 并基于变形后主面点的空间坐标值, 提出了3自由度下的非线性最小二乘吻合的方法去精准预测天线指向. 最后利用空间几何关系严格推导出了服务于天线指向误差修正的俯仰和方位的精确调整量, 从而构建了主面变形同指向误差之间的间接关系, 这对大型射电天线指向精度的提升具有一定的指导意义.