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能动光学技术是建造现代大口径望远镜的关键技术之一,根据主镜结构能动光学可以分为薄镜面能动光学和拼接镜面能动光学。薄镜面能动光学系统利用主镜背面安装的驱动器阵列对主镜面形进行能动控制,校正由重力、温度、加工等因素引入的低频误差,从而提高望远镜系统的成像质量。为了掌握薄镜面能动光学技术,中科院光电所开展了1.2m能动镜样机系统的研制工作,本文的研究即属相关研究的一部分,着重研究能动薄主镜的控制技术。 作为一种低频的波前校正技术,薄镜面能动光学在、波前传感、波前控制和波前校正方面都有其自身的特点:波前测量时需要较长的积分时间,典型的时间尺度为30s;波前控制常常采用开闭环的混合式控制结构;波前校正器件就是能动主镜本身,次镜的平移和倾斜也可以校正部分像差。围绕薄镜面能动光学的三个组成部分,论文在主镜的能动支撑设计、能动镜的控制结构、波前传感等多个方面进行了理论分析和实验研究。 主镜的能动支撑系统是系统性能好坏的关键,能动镜的支撑系统通常具有三种功能:承载主镜的重力,即被动支撑;对主镜进行定位;对主镜面形进行能动控制,即能动支撑。针对1.2m薄主镜,本文从薄板弯曲理论出发,开展了薄镜面的能动支撑的设计工作,有限元分析结果表明该设计过程的可行性;针对设计的能动镜模型,分析了其对主镜的加工误差、热变形、风载变形等误差的校正性能,并据此分析了力驱动器的参数要求。 能动光学主要校正望远镜本身的系统误差,这些误差在性质和频率上有较大差异,因此需要采用不同的控制方式。本文对能动光学的三种基本控制过程进行了研究:基于波前测量的面形反馈控制,基于预校准的开环控制,基于局部元件测量的反馈控制。有限元分析结果表明:对镜面的重力变形进行校正时,开环控制与面形反馈控制的结果基本相同;对于采用开环控制的薄镜面能动光学系统,研究了基于压强模式的固定点力反馈控制算法,可以极大的抑制主镜的风载变形。 针对1.2m能动镜样机系统的设计要求,对其控制结构进行了分析:面形反馈控制完成对系统的预校准工作;实时工作时采用开环控制加上局部反馈控制的混合式控制结构。研究了从高频S-H波前传感器测量望远镜的系统像差的可行性,进而用于能动光学系统的预校准,从而可以简化系统,即能动光学系统和自适应光学系统可以共用波前传感器。 搭建了能动镜实验装置,测试了面形反馈控制过程和开环控制过程,实验结果表明:能动镜的面形反馈控制结果和理论计算值基本相同,有效验证了面形反馈控制过程;不同高度角时,能动镜的开环控制结果和闭环控制十分接近,但是也表明开环控制需要经常对系统进行预校准。