用于地基望远镜的高分辨率倾斜镜关键技术研究

摘要

提高望远镜的分辨率有助于天文学家观测到更遥远的天体和更清晰的天体结构。利用倾斜镜技术对光束tilt/tip和piston调整，使得地基望远镜在近红外实现共相技术，克服大气湍流、入瞳直径等因素对望远镜分辨率性能的约束。倾斜镜是光路中光束传播方向的调整器，其性能对整个光路系统有着直接的影响。地基望远镜在近红外实现共相要求倾斜镜的角度分辨率要达到0.03"。传统的倾斜镜一般追求大的偏转角范围，鲜有追求高的角度分辨率。本论文以地基望远镜对倾斜镜高角度分辨率的性能需求为出发点，研究满足未来望远镜应用需求的倾斜镜。本论文的具体研究内容如下:
　　(1)分析地基望远镜在近红外共相技术对倾斜镜分辨率的需求，用于指导倾斜镜的设计。分析倾斜镜主要性能指标与组件之间的关系，用于倾斜镜系统关键性能指标的设计指导。
　　(2)以倾斜镜的高角度分辨率为出发点，提出了一种基于压电堆栈式倾斜镜方案。通过采用哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小机构实现了倾斜镜的高分辨率。对哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小机构建立理论和仿真分析模型，对结构参数进行优化设计。设计倾斜镜闭环控制系统。
　　(3)研究倾斜镜系统性能参数的表征方法，搭建了基于电涡流传感器的高分辨率倾斜镜测试系统，对系统的分辨率、偏转角范围、响应时间、一阶谐振频率和镜面面形等进行了表征。
　　(4)从机理上对压电堆栈致动器的迟滞特性和蠕变特性进行分析，设计了基于多功能USB模块的数字式PID控制器，用于提高压电堆栈致动器的定位精度。
　　基于以上的研究内容，本论文的创新点在于提出了一种压电堆栈式高分辨率倾斜镜，通过简单的机械机构设计，实现高的角度分辨率，降低设计成本，并制备了倾斜镜样机，完成相关的性能表征。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 拼接望远镜

1．2 倾斜镜

1．2．1 倾斜镜的工作原理及分类

1．2．2 倾斜镜主要应用

1．2．3 倾斜镜技术发展历程及性能比较

1．3 研究目的及意义

1．4 论文内容及结构

第2章 高分辨率倾斜镜设计

2．1 天文应用倾斜镜性能需求分析

2．1．1 地基望远镜应用性能需求

2．1．2 倾斜镜的主要性能指标

2．2 哑铃型柔性铰链设计

2．2．1 传统柔性铰链

2．2．2 哑铃型柔性铰链数学模型

2．2．3 柔性铰链有限元建模

2．2．4 柔性铰链刚度分析对比

2．3 菱形位移缩小机构设计

2．3．1 压电致动器输出位移匹配结构

2．3．2 菱形位移缩小机构数学模型

2．3．3 菱形位移缩小机构有限元仿真建模

2．3．4 菱形位移缩小机构缩小比实验验证

2．4 倾斜镜系统控制研究

2．5 倾斜镜设计总结

2．6 本章小结

第3章 倾斜镜系统性能表征

3．1 倾斜镜系统加工与组装

3．1．1 倾斜镜系统的组装

3．1．2 倾斜镜镜面应力控制技术研究

3．2 倾斜镜主要性能参数

3．3 倾斜镜性能参数测试方法及测试系统

3．3．1 镜面性能参数测试方法

3．3．2 倾斜镜动态响应测试方法

3．3．3 倾斜镜的角度测试方法

3．3．4 基于电涡流传感器搭建的倾斜镜测试系统

3．4 倾斜镜性能参数测试结果

3．4．1 倾斜镜的角度范围和分辨率测试结果

3．4．2 倾斜镜系统动态性能测试结果

3．4．3 倾斜镜镜面质量表征

3．5 本章小结

第4章 倾斜镜系统控制算法设计

4．1 压电堆栈致动器迟滞机理

4．2 数字PID控制器

4．2．1 PID控制器参数辨识

4．2．2 被控对象传递函数

4．2．3 数字PID实现

4．3 PID控制测试结果

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．1．1 工作总结

5．1．2 研究工作的创新点

5．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果