大口径空间望远镜变形镜校正能力分析

分类：自动化论文发表 时间：2018-09-30 10:46 关注：(1)

　　粘伟1刘兆军2*李博1

　　(北京空间机电研究所1，北京空间飞行器总体设计部2，北京100094)

　　摘要为满足大口径长焦距空间望远镜在轨像差校正的要求，提出采用出瞳变形镜技术方案。首先分析了在轨误差源以及主动校正像差的必要性，建立了变形镜高斯影响函数模型，给出变形镜控制矩阵和控制电压解算方法;在此基础上，通过对波前畸变模拟校正误差分析，确定方法的有效性。通过有限元对主镜在轨工况条件分析，得到离散点坐标值及相应的位移值，处理数据用于出瞳变形镜校正，完成在轨主动光学校正全链路仿真。

　　关键词大口径空间望远镜变形镜在轨像差校正主动光学

　　中图法分类号TH751;文献标志码A

　　为了实现更高的空间分辨率，空间望远镜的口径会更大，焦距更长[1]。而大口径长焦距空间光学系统容易受发射环境、重力场变化、温度场变化等因素的影响，使光学系统产生较大的位置误差和面形误差，进而导致成像质量的严重下降。通常采用先进的热控技术、无热化设计、先进的轻量化设计、先进的桁架设计、先进的重力卸载等技术手段可以将中小口径的空间光学系统的波前像差控制在公差范围内，保证光学系统成像质量[2];但无法满足大口径空间望远镜的要求。而在轨主动校正系统，可以消除系统波前像差，提高望远镜的在轨适应能力，保证在轨成像质量，同时降低运行风险。

　　本文针对某大口径空间望远镜系统，提出采用出瞳变形镜校正在轨像差的技术方案。变形镜是一种通过改变镜面形状达到校正系统内波像差目的的装置，是主动光学技术的集中体现[3]。文中分析建立了变形镜高斯影响函数模型，根据波前像差的空间分布形式，采用致动器成三角形排布的85单元变形镜对波前畸变模拟校正，给出了变形镜控制电压的解算方法。考虑在轨工况条件的影响，有限元分析得到主镜波前像差数据，用于出瞳变形镜校正，仿真验证了出瞳变形镜对大口径空间望远镜在轨像差具有良好的校正能力。1在轨像差校正需求一般来说，对于2m以上大口径长焦距空间光学系统难以通过传统的被动光学方法将波前像差完全消除掉，需要采用主动光学等技术实现在轨像差校正。例如国外的KH—12(口径3m，在轨)、JWST(口径6.5m，在研)等大口径长焦距空间光学系统已经采用在轨主动调整技术。针对3m量级空间望远镜进行分析，如此大的光学系统口径会面临地面加工、发射和在轨空间环境等方面的严苛要求，如镜面加工残余误差、发射期间的振动对镜面面形变化的影响，在轨运行期间重力释放引起的镜面变形、温差引起的镜面变形、机械结构变形引起的镜面位置误差、平台姿态控制残余误差以及其他运动部件引起的振动等都会影响大口径空间望远镜的成像质量和空间分辨率[4，5]。具体误差源如图1所示。

　　由于主动光学技术校正的误差源对于各视场的平面波的影响是相同的，通常只需在光学系统的出瞳或入瞳二者中的某一处进行校正，就可以起到提升光学系统像质的作用[6]。即在主镜背面安装多个致动器用来调整保持主镜的面形，或在光学系统链路的出瞳处放置小口径的变形反射镜。前者主要适用于轻量化及柔性主镜;后者适用于主镜保持相对刚体的情况。本文采用出瞳变形镜对发生畸变的波前进行校正，即在光学系统出瞳面布置一套变形镜装置，达到校正大口径反射镜波像差、改善光学系统成像质量的目的。

　　2变形镜数学模型

　　2.1影响函数模型

　　面形影响函数表示的是仅有一个驱动器作用而其他驱动器仅受弹性力约束时的镜面局部变形量大小。单个驱动器的影响函数是高度定域的，但存在着相交变形，相交变形量用交连值表示，交连值太小，会使镜面不连续而引起高阶像差，交连值太大则会产生各个控制通道的交连。对于连续镜面分立驱动的变形镜，一般可认为在镜面各个区域面形中影响函数都是均匀的、对称的，该函数可以用高斯函数表示为[7]Wn(x，y)=expln[ω(槡(x-xn)2d+(y-yn)2)α](1)式(1)中，(xn，yn)为第n个驱动器的位置;d为驱动器的间距;α为高斯函数的指数(一般取指数为2);ω为驱动器的交连值。一般认为变形镜的整个面形是各个驱动器上的影响函数加权叠加所确定。

　　3仿真

　　仿真中，设定变形反射镜的参数，计算其影响函数矩阵、控制矩阵及每个致动器所需电压值，进而产生所需波前。最后将所产生波前与所需波前对应相减得到误差分布，并求出误差的PV值(即最大误差)和RMS值，RMS值为各采样点误差的均方根值，计算公式如下[9]:RMS=M∑m=1[w(xm，ym)-w0(xm，ym)]2槡M(9)式(9)中，w(xm，ym)为实际产生波前的M个采样值，w0(xm，ym)为所需波前的M个采样值。主要步骤如图4所示

　　4结论

　　采用主动光学技术是实现直径3m量级大口径空间望远镜在轨像差校正的重要保证[10]。本文根据在轨像差校正需求，采用出瞳变形镜校正大口径主镜在轨像差，在变形镜致动器影响函数模型基础上，通过给定在轨工况，有限元仿真分析主镜面形误差，给定目标面形，求解变形镜控制电压并输出变形镜控制面形，最终各视场在出瞳处的波像差与MTF均达到要求，验证了采用出瞳变形镜技术的可行性与有效性。

　　参考文献

　　1姜文汉，自适应光学技术.自然杂志，2006;28(1):7—13JiangWenhan.Adaptiveopticstechnology.ChineseJournalofNature，2006;28(1):7—13

　　2周仁忠，阎吉祥，余信，等.自适应光学.北京:国防工业出版社，1996;4ZhouRenzhong，YanJixiang，YuXin，etal.Adaptiveoptics.Beijing:NationalDefenseIndustryPress，1996;4

　　3MadecPY.Overviewofdeformablemirrortechnologiesforadaptiveopticsandastronomy.TheProceedingsofAstronomicalTelescopesandInstrumentation.Amsterdam:SPIE，2012:844705—844708

　　4WalkerDD，BeaucampATH，BinghamRG，etal.Theprecessionsprocessforefficientproductionofasphericopticsforlargetelescopesandtheirinstrumentation.InternationalSymposiumonSpecializedOpticalDevelopmentsinAstronomy.Moscow:SPIE，2003:73—84