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地基大口径拼接镜面主动控制技术综述

范文强 王志臣 陈宝刚 李洪文 陈涛 安其昌 范磊

范文强, 王志臣, 陈宝刚, 李洪文, 陈涛, 安其昌, 范磊. 地基大口径拼接镜面主动控制技术综述[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0032
引用本文: 范文强, 王志臣, 陈宝刚, 李洪文, 陈涛, 安其昌, 范磊. 地基大口径拼接镜面主动控制技术综述[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0032
FAN Wen-qiang, WANG Zhi-chen, CHEN Bao-gang, LI Hong-wen, CHEN Tao, AN Qi-chang, FAN Lei. Review of the active control technology of large aperture ground telescopes with segmented mirrors[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0032
Citation: FAN Wen-qiang, WANG Zhi-chen, CHEN Bao-gang, LI Hong-wen, CHEN Tao, AN Qi-chang, FAN Lei. Review of the active control technology of large aperture ground telescopes with segmented mirrors[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0032

地基大口径拼接镜面主动控制技术综述

doi: 10.37188/CO.2020-0032
基金项目: 中国科学院青年创新促进会(No. 2020221),白求恩医学工程与仪器中心基金项目(No. BQEGCZX2019042),国家自然科学基金项目(No. 11703026、11803034、11803035)资助
详细信息
    作者简介:

    范文强(1993—),男,江西鹰潭人,硕士,研究实习员,2018年于华中科技大学获得硕士学位,主要从事大型光电望远镜光机结构和拼接镜面主动控制技术的研究。E-mail:fwqhust@163.com

    安其昌(1988—),男,汉族,山西太原人,博士,助理研究员,中国科学院青年创新促进会成员。于2011在中国科学技术大学获得工学学士学位。于2018 年在中国科学院大学获得博士学位,现就职于中国科学院长春光机所,研究方向为大口径光机系统检测装调。Email:anjj@mail.ustc.edu.cn

    通讯作者: 安其昌(1988—),男,汉族,山西太原人,博士,助理研究员,中国科学院青年创新促进会成员。于2011在中国科学技术大学获得工学学士学位。于2018 年在中国科学院大学获得博士学位,现就职于中国科学院长春光机所,研究方向为大口径光机系统检测装调。Email:anjj@mail.ustc.edu.cn
  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Review of the active control technology of large aperture ground telescopes with segmented mirrors

Funds: Supported by Youth Innovation Promotion Association of Chinese Academy of Sciences (No. 2020221), Bethune Medical Engineering and Instrument Center Foundation (No. BQEGCZX2019042), National Natural Science Foundation of China (No. 11703026、11803034、11803035)
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  • 摘要: 拼接镜面技术是光学合成孔径望远镜的三种实现方式之一,是未来大口径望远镜的重要研究方向。由于拼接镜面主动控制系统直接决定拼接镜面等效大口径镜面的光学性能,着眼于地基大口径望远镜的拼接镜面主动控制技术,由地基拼接镜面望远镜的发展过程展开,阐述拼接镜面主动控制系统的主要结构,对国内外拼接镜面主动控制系统发展概况进行分析和总结。归纳了拼接镜面主动控制系统实现主动调整和主动保持的关键技术,明确了深度学习理论在闭环控制,共相检测与校正和系统级仿真建模技术中的逐步应用和未来发展方向,为国内下一代地基大口径望远镜拼接镜面的控制方案设计提供相应的指导。
  • 图  1  拼接镜面望远镜系统结构图[14]

    Figure  1.  Structure diagram of the segmented mirror telescope system[14]

    图  2  拼接镜面主动控制系统框图[15]

    Figure  2.  Block diagram of the segmented mirror active control system[15]

    图  3  凯克望远镜主镜拼接形式[16]

    Figure  3.  Segment form of the main mirror of the Keck telescope[16]

    图  4  凯克望远镜子镜定位系统[16]

    Figure  4.  Segment position system of the Keck telescope[16]

    图  5  凯克望远镜拼接主镜主动控制系统控制回路图[16]

    Figure  5.  Control loop diagram of the active control system for segmented mirror of Keck telescope[16]

    图  6  HET望远镜结构图[6]

    Figure  6.  Structure diagram of the HET telescope[6]

    图  7  HET望远镜拼接镜面主动控制系统组成[18]

    Figure  7.  Configuration of the active control system for the segmented mirror of the HET telescope[18]

    图  8  SALT望远镜对准和保持系统控制流程图[22]

    Figure  8.  Control flow diagram of the alignment and maintenance system of the SALT telescope[22]

    图  9  加那利望远镜分布式可扩展实时控制系统架构图[26]

    Figure  9.  Architecture diagram of the distributed extensible real-time control system for the GTC telescope[26]

    图  10  LAMOST望远镜结构图[9]

    Figure  10.  Structure diagram of the LAMOST telescope[9]

    图  11  LAMOST望远镜主动光学系统的共焦主动调整原理图[27-28]

    Figure  11.  The principle diagram of the alignment the active adjustment mechanism of the active optical system of the LAMOST telescope[27-28]

    图  12  TMT望远镜拼接镜面主动保持系统控制模型图[31]

    Figure  12.  Control model diagram of the active maintenance system of the segmented mirror of the TMT telescope[31]

    图  13  E-ELT望远镜拼接镜面主动控制系统框图[36]

    Figure  13.  Block diagram of active control system for segmented mirror of E-ELT telescope[36]

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出版历程

地基大口径拼接镜面主动控制技术综述

doi: 10.37188/CO.2020-0032
    基金项目:  中国科学院青年创新促进会(No. 2020221),白求恩医学工程与仪器中心基金项目(No. BQEGCZX2019042),国家自然科学基金项目(No. 11703026、11803034、11803035)资助
    作者简介:

    范文强(1993—),男,江西鹰潭人,硕士,研究实习员,2018年于华中科技大学获得硕士学位,主要从事大型光电望远镜光机结构和拼接镜面主动控制技术的研究。E-mail:fwqhust@163.com

    安其昌(1988—),男,汉族,山西太原人,博士,助理研究员,中国科学院青年创新促进会成员。于2011在中国科学技术大学获得工学学士学位。于2018 年在中国科学院大学获得博士学位,现就职于中国科学院长春光机所,研究方向为大口径光机系统检测装调。Email:anjj@mail.ustc.edu.cn

    通讯作者: 安其昌(1988—),男,汉族,山西太原人,博士,助理研究员,中国科学院青年创新促进会成员。于2011在中国科学技术大学获得工学学士学位。于2018 年在中国科学院大学获得博士学位,现就职于中国科学院长春光机所,研究方向为大口径光机系统检测装调。Email:anjj@mail.ustc.edu.cn
  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

摘要: 拼接镜面技术是光学合成孔径望远镜的三种实现方式之一,是未来大口径望远镜的重要研究方向。由于拼接镜面主动控制系统直接决定拼接镜面等效大口径镜面的光学性能,着眼于地基大口径望远镜的拼接镜面主动控制技术,由地基拼接镜面望远镜的发展过程展开,阐述拼接镜面主动控制系统的主要结构,对国内外拼接镜面主动控制系统发展概况进行分析和总结。归纳了拼接镜面主动控制系统实现主动调整和主动保持的关键技术,明确了深度学习理论在闭环控制,共相检测与校正和系统级仿真建模技术中的逐步应用和未来发展方向,为国内下一代地基大口径望远镜拼接镜面的控制方案设计提供相应的指导。

English Abstract

范文强, 王志臣, 陈宝刚, 李洪文, 陈涛, 安其昌, 范磊. 地基大口径拼接镜面主动控制技术综述[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0032
引用本文: 范文强, 王志臣, 陈宝刚, 李洪文, 陈涛, 安其昌, 范磊. 地基大口径拼接镜面主动控制技术综述[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0032
FAN Wen-qiang, WANG Zhi-chen, CHEN Bao-gang, LI Hong-wen, CHEN Tao, AN Qi-chang, FAN Lei. Review of the active control technology of large aperture ground telescopes with segmented mirrors[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0032
Citation: FAN Wen-qiang, WANG Zhi-chen, CHEN Bao-gang, LI Hong-wen, CHEN Tao, AN Qi-chang, FAN Lei. Review of the active control technology of large aperture ground telescopes with segmented mirrors[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0032
    • 随着人类对太空和外界信息获取需求的不断增大,为了获得更大的集光面积和分辨能力,望远镜的口径需求不断增大。受限于大口径单镜的制造工艺、运输和成本,光学合成孔径技术逐步得到发展和重视。所谓光学合成孔径,就是通过一系列易于制造的小孔径系统组合拼接成大孔径光学系统[1]。合成孔径按其技术实现方式可以分为独立子孔径结构和子孔径拼接镜面结构。独立子孔径结构中,子孔径是独立的望远镜,具有各自独立的主、副镜光学系统,又称位相阵列系统(Phased Array),例如VLTI(Very Large Telescope Interferometer)望远镜。子孔径拼接镜面结构中,所有子孔径共用一个副镜,根据拼接镜面子孔径形状和是否接触,具体又可分为扇形子孔径,六边形子孔径拼接镜面(Segmented Mirror)和稀疏孔径(Sparse Aperture)等,京都大学3.8米望远镜[2]是扇形拼接,Keck望远镜是六边形拼接,中国的8 m巨型太阳望远镜[3] (CGST,Chinese Giant Solar Telescope)为扇形子孔径环形拼接,巨型麦哲伦望远镜[4](GMT,Giant Magellan Telescope)是圆形拼接的稀疏孔径望远镜。为了获得等效大口径光学系统的高分辨率成像,世界上现有和在建的大型望远镜大多数应用六边形子孔径拼接,实现各子镜相对位置互锁和镜面拼接。拼接镜面技术作为未来大口径望远镜的重要发展方向,国内外众多科研机构都在开展相关研究。

    • 20世纪70年代末,国外兴起建造10米级望远镜的热潮,随后陆续建成Keck望远镜[5]、Hobby-Eberly望远镜(HET,Hobby Eberly Telescope)[6]、南部非洲大望远镜(SALT,Southern African Large Telescope)[7]和加那利望远镜(GTC,Gran Telescope Canarias)[8] 等拼接镜面望远镜。

      Keck望远镜是第一架也是最成功的一架拼接镜面望远镜,其验证了拼接镜面式望远镜方案的可行性和优良性能。国内2008年建成验收的大天空区域多目标光纤光谱望远镜(LAMOST,Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope)[9]标志着中国也已掌握拼接镜面式望远镜研制的关键技术。

      进入21世纪,随着天文界观测需求的日益增长,世界各国陆续提出各自下一代地基大口径望远镜的研制规划。除了西方主导规划的30米望远镜(TMT,Thirty Meter Telescope)[10],欧洲极大望远镜(E-ELT,European Extremely Large Telescope)[11]和巨型麦哲伦望远镜(GMT),近年,印度规划研制一台10-12米口径的光学近红外拼接望远镜(NLOT,National Large Optical Telescope)[12],目前正通过1.5米拼接镜面望远镜原理样机(PSMT,Prototype Segment Mirror Telescope)的研制进行探路。同时,中国天文界下一代地基大口径望远镜的规划是建设一台主镜由24块扇形子孔径环形拼接而成的8 m口径太阳望远镜[3] (CGST)和一台主镜由84块六边形子镜拼接组成的12 m口径光学红外望远镜[13](Chinese Large Optic/IR Telescope)。

      拼接镜面主动控制系统是拼接镜面能获得等效大口径主镜成像分辨率的关键,随着未来望远镜口径的继续增大,下一代地基大口径拼接镜面望远镜的拼接子镜数目也由Keck的36个增加到TMT的492个和E-ELT的798个[11],促动器和边缘传感器的数目也相应增多,控制系统更加复杂,对拼接镜面的主动控制策略和系统设计提出了更高的要求。因此有必要对国内外拼接镜面主动控制系统进行总结和归纳,为未来中国的8 m太阳望远镜和12 m光学红外望远镜拼接镜面的主动控制系统设计提供借鉴和参考。

    • 以典型的卡塞格林三镜系统为例,拼接镜面望远镜系统结构如图1所示,系统主要由拼接主镜、次镜(M2)、三镜(M3)、主动光学控制系统、跟踪架控制系统、主镜支撑桁架和科学终端等组成。主动光学控制系统主要包括拼接镜面主动控制系统和次镜控制系统两部分,实现对拼接主镜和次镜的主动光学控制,校正由加工、装调和外界扰动引起的光学系统像差。

      拼接镜面主动控制系统主要由三个部分组成,分别是子镜定位系统,主动调整系统和主动保持系统。具体控制系统框图如图2所示,主动调整系统和主动保持系统共同组成串级控制系统,通过实时主动保持和定期主动调整保证各拼接子镜能在外界动态扰动(风、温度、重力变化、地震等)下,达到所要求等效镜面的面形和位置精度。

      图  1  拼接镜面望远镜系统结构图[14]

      Figure 1.  Structure diagram of the segmented mirror telescope system[14]

      图  2  拼接镜面主动控制系统框图[15]

      Figure 2.  Block diagram of the segmented mirror active control system[15]

      子镜定位(Segment Position)系统是主动调整系统和主动保持系统控制的终端执行系统,其主要包括子镜背部的主动支撑结构和连接主动支撑结构与子镜固定支撑的三个位移促动器,主动支撑结构实现对子镜平面内运动的约束,三个位移促动器实现子镜平面外三个自由度(子镜沿自身法线的前后移动Piston,子镜沿自身平面内两个轴的旋转Tip, Tilt)的运动控制。子镜定位系统中各促动器可基于自身编码器反馈,设计局部闭环控制,调整子镜系统刚度和阻尼,防止与支撑桁架结构的共振。

      主动调整系统主要是通过共焦共相(Alignment and Phasing)检测子系统(波前传感器)对拼接镜面进行定期波前检测,控制子镜定位系统(位移促动器)实现对主镜支撑桁架上各子镜位置的共焦或共相调整,并更新此时的位姿传感器数值作为参考值(即标为零点)。具体主动调整周期取决于系统温漂等低频漂移的速度,频率一般为1周左右。共焦(Alignment)以对准为基础,将光点集中到同一位置,粗共相,即消除各子镜之间2 pi的光学波前相位误差,精共相,即在一个波长内对各子镜光学波前进行共相操作。拼接式光学系统子镜共相过程可概括为:子镜共焦(Co-focus)→子镜粗共相(Coarse phasing)→子镜精共相(Fine phasing)。

      主动保持(Active Maintaining)系统,在主动调整周期内,利用全局边缘传感器反馈的各子镜相对位置信号,实现子镜定位系统(位移促动器)的闭环控制,抵抗扰动,实时保持各子镜相对位置和拼接镜面共焦/共相,闭环校正频率一般为数Hz。根据全局边缘传感器和促动器相关控制矩阵的不同,又分为全局控制(Global Control),模式控制(Model Control)和局部控制(Local Control)。全局控制器基于估计的子镜位姿(PTT,piston,tip,tilt)进行设计,由边缘传感器反馈信号到子镜位姿的映射关系计算每个子镜的参考位姿(uPTT),控制子镜定位系统(位移促动器)的实际位姿趋向于参考位姿,实现控制闭环。模式控制器基于估计的镜面模式进行设计,通过边缘传感器和促动器交互矩阵(Interaction Matrix)的奇异值分解,首先将边缘传感器反馈信号映射到镜面模式上,然后将计算出的控制器命令进一步映射到子镜位姿上,控制子镜定位系统(位移促动器) 的实际位姿趋向于参考位姿,实现控制闭环。局部控制,即对于每个子镜,仅利用其邻近子镜的边缘传感器反馈值重建其位置误差,减少计算量,限制边缘传感器噪声传递的影响。模态控制器计算量比全局控制器大,但是可以为每个模式单独设计不同的控制器,控制带宽可逐模调节,以使噪声传播和扰动抑制达到最佳平衡。

    • Keck望远镜[5]是第一架也是最成功的一架采用了拼接镜面技术的光学望远镜,其主镜直径为10 m,是由36块对角1.8米六边形子镜拼接而成的抛物面,具体主镜拼接形式如图3所示,圆圈表示促动器的位置,开口圆圈表示传感器位置。

      图  3  凯克望远镜主镜拼接形式[16]

      Figure 3.  Segment form of the main mirror of the Keck telescope[16]

      图4所示,Keck望远镜的子镜定位(Segment Position)系统将子镜通过36点被动支撑的杠杆Whiffle-tree结构与三个促动器相连,以调整子镜的piston,tip,tilt,通过中孔膜片侧支撑(Diaphragm)实现对子镜的径向支撑,约束子镜在X、Y方向的位置和在平面内的旋转,并通过连接在杠杆Whiffle-tree上的翘曲弹簧结构(Warping-Harnesses),微量主动调节子镜面形,以校正低阶像差。

      拼接主镜主动控制系统控制回路如图5所示,主动调整系统每3-4周利用标定相机系统 (Phasing Camera System)[17]主动对各拼接子镜进行共面检测,控制各子镜定位系统实现各子镜位置的共相调整,更新边缘传感器参考值,避免由于外界扰动和边缘传感器数值的电子漂移导致促动器行程无法校正的拼接误差。

      图  4  凯克望远镜子镜定位系统[16]

      Figure 4.  Segment position system of the Keck telescope[16]

      图  5  凯克望远镜拼接主镜主动控制系统控制回路图[16]

      Figure 5.  Control loop diagram of the active control system for segmented mirror of Keck telescope[16]

      主动保持系统采用全局控制策略,在各子镜主动调整周期范围内,每秒对各子镜重新定位两次,根据边缘传感器实际与参考值的差值,将滤波后的传感器值与由子镜耦合的影响函数得到的控制矩阵相乘,进行促动器位移计算,驱动子镜控制系统实现对各子镜拼接误差的校正。计算虚拟姿态传感器并不是真实存在的传感器,而是通过168个边缘传感器值计算得到的拼接主镜整体位姿,以通过108个位置促动器校正主镜整体的平移和倾斜误差。低通滤波器是为了限制系统带宽,防止子镜支撑系统的共振。

    • HET[6]全称Hobby Eberly Telescope,由美国奥斯汀德克萨斯大学和宾西法尼亚州立大学等单位共同研制,安放在德克萨斯州的麦克唐纳天文台(McDonald Observatory),海拔 2003 米,是一座主要用于光谱巡天的天文望远镜,具体结构如图6所示。HET的主镜是由91块对角线长1.15 m,厚50 mm的六边形子镜拼接而成的球面镜,曲率半径 26.164 m,有效口径9.2 m。HET采用等高仪式的固定高度轴(固定高度角 55 度)设计,观测中望远镜主镜和镜筒不跟踪,利用主焦点探测器进行跟踪,类似于300 米球面射电望远镜 Arecibo。

      图  6  HET望远镜结构图[6]

      Figure 6.  Structure diagram of the HET telescope[6]

      图7所示,HET拼接镜面主动控制系统[18]由曲率中心对准传感器(Center-of-Curvature-Alignment-Sensor),子镜对准保持系统(Segment Alignment Maintenance System)和子镜定位系统(Segment Position System)三部分组成,通过简单的球面仪测量和子镜定位系统调整各子镜位置来保证各拼接子镜之间的piston光学误差,保持各子镜拼接成一个球面主镜。

      图  7  HET望远镜拼接镜面主动控制系统组成[18]

      Figure 7.  Configuration of the active control system for the segmented mirror of the HET telescope[18]

      子镜定位系统采用9点Whiffle-tree轴向支撑和中孔膜片侧支撑实现对子镜的约束,利用三个位移促动器校正子镜的平移和倾斜。

      图6所示,圆顶附近高塔上的曲率中心对准传感器(CCAS)是拼接镜面主动调整系统的核心光学检测元件,其位于主镜球心处,可以测量出10 μm内的piston误差。望远镜定期转动方位轴将主镜对准面形检测传感器以检测其面形,一旦各子镜实现光学对准,感应式边缘传感器就会对各子镜的相对位置进行亚微米精确反馈,并更新参考值。

      子镜对准保持系统(SAMS)[19]是利用边缘传感器反馈的主动保持系统,利用480个边缘传感器测量各子镜边缘的相对剪切运动,实现由于外部影响(如温度急剧变化和机械应力)引起的位置变化的信息反馈,并在望远镜巡天跟踪观测时计算各子镜tip、tilt和piston位置误差并进行补偿。

      HET建成后,为保持HET未来强大的观测优势,对HET进行大视场升级,将HET的视场从4′增加到22′[20],其拼接镜面主动控制系统也进行了更新升级,校正周期由90秒减少为30秒,各子镜对准球心误差在0.0625角秒内,piston误差在25 μm以内[21]

    • 南部非洲大望远镜(SALT)[7],是南非主导的一座基于HET首创的“光学Arecibo”设计,固定高度43°的光谱巡天望远镜,安放在南半球南非北开普省的苏蓝德高原。SALT主镜(M1)是由91块对角1.2 m,厚50 mm的六边形子镜拼接而成的球面镜,曲率半径26.165 m,有效口径 9.2 m。

      图7所示,和HET类似,SALT拼接镜面主动控制系统[22]也由曲率中心对准传感器,子镜对准保持系统和子镜定位系统组成,根据反馈信息对各拼接子镜位置进行主动调整,将36个拼接子镜面形保持为一个球面。

      曲率中心对准传感器[23]是一种改进的Shack-Hartmann传感器,通过光学方法将各子镜周期性地校准为理想球面,是主动调整系统的核心检测元件。其安装在对准塔上拼接主镜的曲率中心处,具体位置可以通过三维运动台进行调整以适应拼接主镜的曲率中心因望远镜结构和对准塔温度变化而产生的移动。具体主动调整过程是,定期用曲率中心对准传感器(CCAS)对拼接镜面进行校准测量,将各子镜的tip,tilt,piston和全局曲率半径校正值反馈给拼接镜面控制系统,拼接镜面控制系统依次使用促动器的装配位置模型来计算所需的位移促动器行程,输入子镜定位系统(Segment Position System),控制位移促动器的运动,以实现各子镜位置主动调整目的。

      SALT对准和保持系统(SAMS-I)[24]的最初设计是一个由480个电容式边缘传感器和复杂的电子促动器组成的系统,边缘传感器负责测量各子镜之间的相对运动,每隔10秒,控制器矩阵会将480个传感器读数转换为273个位移促动器行程,控制子镜定位系统(促动器)实现对各子镜位置的校准和保持,以保持拼接镜面的“完美”球面。系统设计要求子镜tip/tilt控制在<0.1角秒RMS,并且在连续5天/夜的时间内保持对准精度,恶化率小于10%,具体控制流程如图8所示。为减小温度对传感器读数的影响,边缘传感器连接在子镜边缘低热膨胀系数的薄板上。

      由于SALT站址萨瑟兰(Sutherland)一天内的相对湿度变化很大,经过长时间的望远镜内外测试,发现最初设计的电容式边缘传感器性能受温度和相对湿度影响较为严重,达不到SALT精度要求,2008年初,南非大型望远镜(SALT)放弃了使用电容式边缘传感器的尝试[25],目前正在探索其它的传感器技术以应用于SALT。D. A. H. Buckley等[26]研制了一种基于干涉扫描原理的新型光学边缘传感器,并将其在南非天文台(South African Astronomical Observatory)和欧洲南方天文台(ESO,European Southern Observatory)进行了测试,以便潜在应用于SALT和E-ELT望远镜。

      图  8  SALT望远镜对准和保持系统控制流程图[22]

      Figure 8.  Control flow diagram of the alignment and maintenance system of the SALT telescope[22]

    • 2007年投入使用的加那利望远镜(Gran Telescope Canarias),简称为GTC[8],是目前世界上己建成最大的采用拼接镜面的光学和红外天文望远镜。GTC是一个经典的Ritchey Chrétien反射望远镜,其主镜由36块正六边形子镜拼接而成,口径10.4 m,位于北半球最佳的观测站址之一,西班牙的拉帕尔玛岛。

      加那利望远镜(GTC)拼接主镜主动控制系统[27](Active Control System)参考Keck望远镜控制系统,也由子镜定位系统,主动调整系统和主动保持系统组成。其子镜定位系统结构也参考Keck,通过3个位置促动器实现子镜位置调整(Piston,Tip,Tilt),同时基于Warping-harnesses原理,在每个Whiffle-tree支架上安装6个线性促动器,通过杠杆臂将扭矩传递到Whiffle-tree支撑点,校正望远镜方位和俯仰角变化引起的拼接镜面低阶光学像差。

      主动保持系统通过168个安装在相邻子镜之间的电容式位移传感器的实时反馈,计算各位置促动器所需的校正量,动态地调整36个子镜的位置,使拼接镜面的表面误差最小,近似表现为全局双曲面面形。同时,利用216个温度传感器(PT100)监测主镜温度梯度,以预测结构膨胀,反馈给主动保持系统,进行子镜位姿校正。

      为了获得更高的控制带宽,GTC设计如图9所示的分布式可扩展实时控制系统[28],其分布式计算机控制架构由一个主节点(主镜支撑计算机)和36个具有一定嵌入式智能的子镜从节点(每个子镜一个,称为节点盒)组成,每一个本地控制器控制一个子镜。每个节点盒(Node Box)负责管理实现子镜运动的3个促动器和3~6个位置传感器(连接到子镜的传感器的一半),以及与子镜相关的其他辅助设备,比如温度传感器。这种控制结构本质上是可伸缩的,并不严格依赖于组成主镜的子镜数。

      控制系统同时执行两个控制回路级。外部回路是由主镜支持计算机(Primary Mirror Support Computer)执行的全局策略(Global Control),它使用由本地控制器收集的所有传感器测量值以相对缓慢的更新频率(2-5 Hz)更新所有促动器运动控制,校正各子镜相对位置误差,同时计算虚拟传感器位置,校正拼接镜面整体位姿误差。内部层是在每个子镜的节点盒(Node Box)处执行的本地策略(Local Control),每个本地控制回路使用其本地子镜传感器的测量值以相对较快的更新频率(50-100Hz)更新连接到节点盒的3个促动器的运动控制,保持子镜的位姿。

      图  9  加那利望远镜分布式可扩展实时控制系统架构图[26]

      Figure 9.  Architecture diagram of the distributed extensible real-time control system for the GTC telescope[26]

    • 我国的国家重大科学工程大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜LAMOST是一种新型大口径子午线主动反射施密特结构的望远镜[9],位于北京兴隆观测站,通光口径 4 米,焦距 20 米,具有大口径、宽视场的特点,可以实现大尺度的光谱测量观测。如图10所示,LAMOST在结构上由三部分组成:反射施密特改正板Ma,球面主镜Mb和焦面,焦面上放置4000根光纤,由光纤将天体的光传输到光谱仪房内的科学终端。Mb在观测的过程中固定不动,由施密特改正板Ma实现对天体的跟踪。

      LAMOST首次在一个光学系统中同时使用两个大口径拼接反射镜,主动光学系统[29-30]分为Ma主动光学控制系统(Ma AOCS,Ma Active Optics Control System)和Mb主动光学控制系统(Mb AOCS,Mb Active Optics Control System),通过开环控制和辅助闭环控制方法分别实现对Ma和Mb的主动光学控制。在一次观测中,由于Ma的最大高度变化仅为0.34°(1.5小时观测)[31],重力变化很小,不需要对重力变形进行主动修正。而Mb在观测中固定不动,只受热变形影响,并且由于热变化很慢,因此仅需在每次观测前对Mb和Ma进行主动共焦调整即可。

      图  10  LAMOST望远镜结构图[9]

      Figure 10.  Structure diagram of the LAMOST telescope[9]

      球面主镜Mb由 37 块对角线长 1.1 m,厚75 mm的六边形球面子镜拼接组成,Mb观测的过程中固定不动。其主动光学控制系统(Mb AOCS)采用拼接镜面主动光学技术,利用每个子镜背部的三个位移促动器(可变固定点),修正Mb支撑系统的缓慢热变形。

      LAMOST主动光学系统的共焦主动调整原理如图11所示,在每次观测之前,依次完成Mb和Ma的共焦主动调整。对Mb进行共焦主动调整时,先将焦面机构移出Mb共焦校正检测光路,同时在LAMOST焦点处通过光纤发出标准光源,使用位于Mb曲率中心即Ma几何中心的Mb波前传感器和Mb微位移促动器进行波前传感和子镜位置调整,通过闭环迭代校正,使Mb的 37个子镜共球心,并更新边缘传感器参考值,实现对各子镜的共焦主动调整,在实现主动调整后,再将焦面机构移回。观测时,利用主动保持系统,通过边缘传感器测量的子镜相对位置的实时反馈值实现各子镜位移促动器的闭环控制,保持37个子镜的共焦。由于热变形变化非常缓慢,Mb每晚只需用Shack-Hartmann波前传感器进行一次主动共焦标定。LAMOST的波前测量精度为0.15′[32]

      图  11  LAMOST望远镜主动光学系统的共焦主动调整原理图[27-28]

      Figure 11.  The principle diagram of the alignment the active adjustment mechanism of the active optical system of the LAMOST telescope[27-28]

      反射施密特改正板Ma由 24 块对角线长 1.1 m,厚25 mm的六边形平面子镜拼接组成,如图11所示,其主动光学控制系统(Ma AOCS)同时采用薄镜面主动光学和拼接镜面主动光学技术,在每个子镜的背面,有34个简单的力促动器,每个都有一个力传感器(负载传感器)和3个位移促动器(可变固定点),修正由重力和热变化,制造和对准误差引起的望远镜误差,并且在Ma巡天观测跟踪时实时校正Ma 24个子镜的非球面形状。

      在Mb完成共焦主动调整,并获得合格波前检测图像后,观测一颗恒星,对Ma进行共焦主动调整。以Mb波前检测图像为理想波前,利用在LAMOST焦点处的Ma波前传感器获得光学系统波前信息,通过Ma传感器和Mb传感器的波前差获得Ma的波前校正量,解算出各位移促动器的主动调整校正量,通过使Ma传感器与Mb传感器的图像重合叠加实现对各子镜的共焦,并更新边缘传感器参考值。在Ma跟踪天体观测过程中,利用拼接镜面主动保持系统实现对各子镜相对位置和共焦的保持,通过LAMOST焦点处的Ma波前传感器的实时反馈,基于薄镜面主动光学技术,同理解算出各子镜力促动器的主动校正量,获得所需非球面面形,表面形状所需的最大变形量约为10 μm,调整Ma的最大时间间隔为2分钟[31]

    • 三十米望远镜(TMT)[10]是由美国,加拿大,日本,中国,印度等国家和研究机构联合倡议的下一代地基光学与红外望远镜,规划站址为夏威夷的莫纳克亚山(Mauna Kea),其主镜拼接形式和Keck望远镜类似,光学口径30 m,子镜数目增加为492块。

      TMT的拼接镜面主动控制系统[33]由子镜定位系统,主动调整系统和主动保持系统组成,在准静态重力、热变形和风湍流力的外界扰动下,实现对各拼接子镜位置的调整和保持,拟合成抛物面主镜。子镜定位系统采用三个“软”音圈促动器[34]配合类似于Keck望远镜的主动支撑结构以对子镜piston,tip和tilt进行调整。

      主动调整系统每2-4周通过使用共焦和共相系统(APS,Alignment and Phasing System)[35]的光学波前信息设定一次边缘传感器的参考值。主动保持系统具体控制模型如图12所示,分为上下两个闭环校正回路。上面的控制回路通过2772个边缘传感器的信息校正各子镜之间的拼接误差。下面的控制回路利用相邻子镜之间的差动电容传感器测量相对边缘的高度不连续性和子镜之间的二面角变化,以获得拼接镜面piston,tip,tilt和焦面的变化,校正主镜整体的piston,tip和tilt误差,闭环保持各子镜位置。

      图  12  TMT望远镜拼接镜面主动保持系统控制模型图[31]

      Figure 12.  Control model diagram of the active maintenance system of the segmented mirror of the TMT telescope[31]

    • 欧洲极大望远镜(E-ELT)是由欧洲南方天文台(ESO)十四个成员国和巴西等国共同承建的下一代地基光学天文望远镜,站址规划于智利北部的阿塔卡马沙漠的山顶。2012年,出于成本预算考虑,E-ELT望远镜的主镜直径由42 m改为39 m,由798个对角1.4米的准六边形子镜拼接组成[11]

      E-ELT的子镜定位系统由三层Whiffle-trees轴向支撑结构和三个位置促动器(PACT,Position Actuator)组成。PACTs用于控制各拼接镜平面外运动的piston、tip和tilt(PTT)。内置在Whiffle-trees上的Warping-harnesses结构可以实现对子镜面形的半主动校正。

      考虑风载和外界扰动对控制系统的动态影响,E-ELT的拼接镜面主动控制系统可以表达为如图13所示的MIMO控制系统[36],其主动保持控制系统有两个回路,一个是全局边缘传感器反馈控制的拼接误差校正回路,一个是促动器局部伺服回路。促动器局部伺服回路由自身的编码器实现内部计量反馈,调整子镜刚度和阻尼,隔离子镜与背部结构的振动,实现促动器的精确位移输出,这个回路并不是必须的。拼接误差校正回路采用模式控制策略,通过边缘传感器和促动器交互矩阵(Interaction Matrix)的奇异值分解,首先将边缘传感器反馈信号映射到镜面模式上,然后将计算出的控制器命令进一步映射到子镜位姿上,控制子镜定位系统(位移促动器) 的实际位姿趋向于参考位姿,实现控制闭环,解决了支撑结构交互耦合时的风抑制和传感器噪声问题。其中,交互矩阵IM表示子镜拼接误差到传感器的转化关系。控制矩阵CM2是由边缘传感器偏差值到奇异值分解获得的镜面模式的传递矩阵,控制矩阵CM1是奇异值分解获得的镜面模式到子镜位姿的传递矩阵。

      图  13  E-ELT望远镜拼接镜面主动控制系统框图[36]

      Figure 13.  Block diagram of active control system for segmented mirror of E-ELT telescope[36]

    • 通过对国内外拼接镜面主动控制技术发展概况的总结和分析,可以看出随着下一代大口径望远镜系统的不断庞大和复杂,拼接镜面主动控制系统各模块之间的数据交互和外界干扰更加难以准确衡量,增加了控制系统设计和优化的难度。而深度学习通过多层处理,组合低层特征形成更加抽象的高层表示属性类别或特征,以发现数据的分布式特征表示,特别适合于复杂系统多数据量之间的复杂关系分析,在克服扰动的闭环控制、拼接镜面共相检测与校正和系统级集成建模计算机仿真等关键技术中的应用逐渐成为未来主动控制系统设计的一个发展趋势,使望远镜主动光学系统更加智能化。

    • 国内外拼接镜面主动控制系统闭环控制系统的设计都非常重视对外界扰动的定量表征和合理建模,对控制模型进行不同程度的建模简化,以期尽可能真实的反映闭环控制系统的动态特性。除此之外,不管是在主动保持系统基于边缘传感器反馈的闭环控制还是主动调整系统基于波前传感器反馈的闭环控制,大部分都是采用传统的比例积分(PI,Proportional-Integral)控制和相应算法,严重依赖于边缘传感器/波前传感器与促动器的响应模型,为保证控制性能需要不断对响应模型进行标定。但是随着下一代拼接镜面控制系统子镜数量和控制元件的不断增多,系统更加复杂,外界扰动影响环节增多,很难建立明确的系统动态模型,给相关响应模型的标定和精度维持带来困难。但深度学习方法强大的学习和模式分析能力,为上述问题的解决提供了思路。Xu等[44]提出了一种基于深度学习控制模型的波前像差补偿控制方法,消除了对变形镜响应矩阵的依赖。利用深度学习方法的控制系统具有良好的适应性和稳定性,通过自学习,可以提高系统的收敛精度和调整容忍度,是未来智能控制系统的发展趋势和方向,也可以为我国8m巨型太阳望远镜和12 m光学红外望远镜的拼接镜面主动闭环控制系统设计提供参考和借鉴。

    • HET和SALT,LAMOST 都是光谱望远镜,只实现共焦,只能获得有限分辨率的光学信息。目前成熟的共相检测和校正技术还是Keck望远镜中所应用和验证的。

      对于共相阶段的精密调整,传统上使用相关分析,将获得的图像与已知子镜相对位置的经验或模拟所获图像进行相关分析,获得所需调整量。但是随着共相调整子镜数目的增多,共相检测和调整过程中所产生的复杂、非线性的对应关系,将给传统分析方法带来巨大挑战。深度学习强大的模式分析和数据学习能力,为问题的解决带来新的思路。Li等[55]引入卷积神经网络(CNN,Convolutional Neural Network),通过深度学习方法在更大尺度上区分每个子镜的piston误差。中国下一代地基大口径望远镜中,12m光学红外望远镜主镜为84块六边形子镜拼接而成,8m巨型太阳望远镜主镜为24块扇形子孔径环形拼接,各子镜均需要经过复杂的主动光学准直和共相调整,才能实现共相。利用深度学习技术对干涉图进行模式相关分类判断,将提高我国下一代拼接镜面望远镜各子镜共相的检测精度,获得更优的共相调整策略,这是未来主动共相检测和调整的发展趋势。但与此同时,对于地基望远镜而言,实现拼接镜面共相后还需要配合采用自适应光学校正,以减小大气扰动影响,才能获得等效大口径的衍射极限像。Xuan等[56-57]研究的液晶自适应光学系统和已成熟应用的变形镜自适应光学系统都是可供选择的自适应光学系统方案。

    • 在望远镜系统设计中,系统级集成化建模计算机仿真技术基于光学系统设计、机械结构设计及分析和自动控制系统设计,建立各自相对独立的计算机模型,并结合传感检测系统和各种影响因素的计算机模型,经仿真分析得到望远镜各种响应乃至最终成像质量,据此评价望远镜工作性能并优化设计方案。

      下一代大口径大视场望远镜将拥有数量巨大的传感器和执行元件,涉及到光学-机械-热力学等多个方面,系统优化设计过程变得更加复杂,系统级集成化建模仿真技术已经成为除实际样机试验之外的又一种系统级优化设计方法,并逐渐得到广泛应用。为了支撑主动控制系统设计过程,需要建立一套成熟可行的控制建模仿真框架和系统,实现有限元模型、控制系统建模和光学成像分析的闭环系统仿真,通过像质评估拼接镜面控制系统静态和动态性能,进行单项误差和行程预算分配,指导各子系统进行指标分解和设计参数优化。

      与此同时,为了提高光学系统成像质量对外界温度的适应性,目前主要采用无热化光学系统设计[58]和配备主动热控系统两种方式。由于拼接镜面光学系统无热化设计难度较大,因此多采用配备主动热控系统方式。为简化对拼接镜面系统的主动控制,可考虑将主动热控系统也纳入智能主动光学的范畴,利用深度学习方法通过对探测器信息的融合,力-热复合载荷下的模型修正,完成主动光学的数据分析和信息融合处理,以确定最优化的热控策略(加热电阻丝功率控制,气刀气流速度控制)。利用离线、在线误差标校方法,建立热-力耦合工况下的修正、预测模型(先验/后验,高斯/非高斯),进一步地发挥主动光学的校正能力,使望远镜主动光学系统实现智能化,是未来主动控制系统设计的一个发展方向,也是我国8 m巨型太阳望远镜和12 m光学红外望远镜系统级建模过程中的一个可选路径。

    • 对已建成和在建的地基望远镜的拼接镜面主动控制系统进行介绍。归纳了拼接镜面主动控制系统设计的发展趋势和关键技术,总结了深度学习理论在闭环控制,共相检测与校正和系统级仿真建模技术中的未来发展方向和趋势。

      1)利用深度学习方法,构建多层学习网络,建立在线学习的响应模型,可以实现系统模型的在线辨识和自适应控制。这是未来闭环控制系统设计的发展趋势和方向,也是提高主动控制系统性能的必然选择。

      2)基于拼接镜面共焦、共相过程中所产生的大量数据以及数据间的复杂内在联系,利用深度学习强大的模式分析能力,确定子镜的移动策略,是未来拼接镜面主动光学共相检测和调整的发展趋势。

      3)望远镜系统级集成化建模计算机仿真一直是设计决策中不可或缺的组成部分,深度学习方法与望远镜系统级建模的结合,将提高模型的保真度和柔性,更加真实的反映望远镜复杂系统的性能特性,是提高主动光学系统主动调节精度与效率的重要技术途径,同时也是充分发挥望远镜探测能力的必经之路。

参考文献 (58)

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