大型光学望远镜的设计与建造

引言

1天文观测

1.1天文望远镜的作用

1.2观测源特征

1.2.1强度

1.2.2天空中最关注源的分布

1.3通过大气的观测

1.3.1大气消光

1.3.2大气辐射

1.3.3大气折射

1.3.4大气扰动： 基本概念

1.3.5大气扰动： 视宁度物理意义

1.4背景源

1.4.1天空背景

1.4.2大气背景

1.4.3杂光和探测器背景

1.4.4应对大气和望远镜的热辐射

1.5信噪比

1.6时间

1.6.1恒星时

1.6.2儒略日

1.7坐标系统

1.8指向修正

1.8.1岁差和章动

1.8.2自行

1.8.3视差

1.8.4恒星光行差

1.8.5大气折射

1.9望远镜指向和跟踪过程

1.9.1目标截获

1.9.2引导

1.9.3引导星表

1.10望远镜与干涉仪

参考文献

书目

2仪器

2.1仪器的主要类型

2.1.1相机

2.1.2光度计

2.1.3偏振计

2.1.4色散型光谱仪

2.1.5法布里珀罗光谱仪

2.1.6傅里叶变换光谱仪

2.2可见中红外探测器

2.2.1半导体内的光子探测

2.2.2CCD探测器

2.2.3红外阵列探测器

2.2.4专用探测器的特点

2.3中继光学

2.4制冷系统

参考文献

书目

3设计方法与项目管理

3.1项目生命周期

3.2系统工程工具

3.2.1设计参考程序

3.2.2需求逐级“下行”

3.2.3误差分配

3.2.4端对端计算机仿真

3.2.5可测性和容错性设计

3.2.6缩比法则

3.2.7成本模型

3.2.8作为设计变量的成本

3.2.9天文观测平台性能评价

3.3项目管理

3.3.1一般性原则

3.3.2项目组织

3.3.3项目分解结构

3.3.4项目数据库

3.3.5采购策略

3.3.6技术开发

3.3.7可靠性

3.3.8质量保证、检验和验证

3.3.9接口文档

3.3.10结构管理

3.4项目进度表

3.5风险分析

3.6成本估算和预算编制

3.6.1成本估算方法

3.6.2主要资助机构的财政预算

3.6.3成本估算的准确率

3.6.4多个单元建造

3.6.5拟定预算和资源规划

参考文献

书目

4望远镜光学系统

4.1光学设计基础

4.1.1基本原理

4.1.2二次曲面公式

4.1.3光阑与光瞳

4.1.4初级像差

4.1.5波像差

4.1.6衍射效应

4.1.7像的形成

4.2望远镜光学的结构

4.2.1单反射镜系统

4.2.2两反射镜系统

4.2.3三反和四反系统

4.2.4球面反射镜系统

4.2.5辅助光学部件

4.3光学误差分配

4.4像质判据

4.5系统参数确定

4.5.1焦点选择

4.5.2焦比选择

4.5.3底板比例与探测器分辨力的匹配

4.6反射镜材料

4.6.1材料要求

4.6.2硼硅酸盐玻璃

4.6.3超低膨胀融石英

4.6.4低膨胀陶瓷玻璃

4.6.5碳化硅

4.6.6铍

4.6.7铝

4.7主镜结构设计

4.7.1主镜轻量化

4.7.2拼接式光学系统

4.7.3热效应

4.8主镜加工

4.8.1计算机控制研磨

4.8.2预应力反射镜加工

4.8.3主动研磨模成形

4.8.4超精密加工

4.8.5离子束加工

4.8.6快速修正机械变形

4.9加工中的光学表面检测

4.9.1检测体系

4.9.2主要检测技术

4.9.3主反射镜面形检测

4.9.4次镜检测

4.9.5曲率半径测量

4.9.6重力影响去除

4.9.7反射镜的低温检测

4.10反射镜镀膜与清洁

4.10.1反射镜清洁

4.10.2镀膜

参考文献

书目

5杂光控制

5.1杂光起因

5.2搜寻并定位杂光

5.3消杂光挡板和光阑

5.3.1孔径光阑

5.3.2视场光阑

5.3.3利奥光阑

5.3.4消杂光光阑

5.3.5卡塞格林系统的消杂光光阑

5.4散射过程

5.5杂光分析

5.6表面散射特性

5.6.1镜面散射

5.6.2黑色漫反射表面的散射

5.7消除轴外源散射光的例子HST

5.8减少自身辐射引起杂光的例子NGST

5.9地基望远镜减少背景热辐射

参考文献

书目

6望远镜桁架与机构

6.1总则

6.1.1符合运动学原理的安装

6.1.2最小不准直

6.1.3预加载的使用

6.1.4加载路径

6.1.5防“粘滑”和“微偏摆”设计

6.1.6材料选择

6.1.7无热化

6.1.8结构设计

6.2设计要求

6.2.1运行模式要求

6.2.2生存条件

6.3主镜的安装

6.3.1整体主镜的安装

6.3.2拼接式主镜系统的安装

6.4望远镜“筒”

6.4.1桁架

6.4.2次镜三脚架和塔架支撑

6.4.3热效应

6.4.4卡塞格林主镜“多脚架”

6.4.5主镜单元

6.5地基望远镜支座

6.5.1赤道式支座

6.5.2地平式支座

6.5.3水平式支座

6.5.4固定仰角固定主镜式支座

6.6地基望远镜轴承

6.6.1滚动体轴承

6.6.2液压轴承

6.7其他机构

6.7.1望远镜整体对准

6.7.2光学装调和对焦设备

6.7.3红外斩波和视场稳定的主动次镜

6.7.4平衡系统

6.7.5缆包和缆捻

6.7.6主镜盖

6.8安全装置

6.8.1制动

6.8.2终点挡板

6.8.3锁定装置

6.8.4地震约束

参考文献

书目

7指向和控制

7.1指向要求

7.2系统建模

7.2.1一阶质量弹簧模型

7.2.2中型质量弹簧光学机械模型

7.2.3综合模型

7.3指向伺服系统

7.3.1伺服系统基本原理

7.3.2望远镜控制系统的实现

7.3.3干扰抑制

7.4姿态驱动器

7.4.1地基望远镜的驱动

7.4.2空间望远镜的姿态驱动器

7.5姿态传感器和引导系统

7.5.1位置编码器

7.5.2测速机

7.5.3陀螺仪

7.5.4星跟踪仪和太阳传感器

7.5.5引导系统

7.6地基望远镜的扰动

7.6.1风的影响： 概述

7.6.2风对望远镜结构的影响

7.6.3风对主镜的影响

7.6.4风对望远镜基座（墩）的影响

7.7空间扰动

7.7.1重力梯度力矩

7.7.2气动力学力矩

7.7.3太阳辐射力矩

7.7.4地磁力矩

7.7.5反作用飞轮扰动

7.7.6其他内部扰动

7.8主动和被动振动控制

7.8.1扰动源的被动隔离

7.8.2主动隔离装置

7.9天文台控制软件

参考文献

书目

8主动光学与自适应光学

8.1基本原理

8.1.1主动光学及自适应光学的作用

8.1.2主动光学和自适应光学的结构

8.2波面传感器

8.2.1夏克哈特曼传感器

8.2.2曲率传感

8.2.3相位恢复技术

8.3内部度量装置

8.3.1边缘传感器

8.3.2全息光栅块及角反射系统

8.3.3激光度量系统

8.3.4惯性伪星基准

8.4波面校正系统

8.4.1精密控制反射镜

8.4.2主光学的变形

8.4.3专用变形镜

8.5控制技术

8.6典型主动光学系统的实现

8.6.1VLT主动光学系统

8.6.2拼接式系统的对准、共焦与同相

8.7视宁度校正

8.7.1发展史

8.7.2天然引导星自适应光学

8.7.3激光引导星自适应光学

参考文献

书目

9热控制

9.1一般要求

9.2热环境条件

9.3温度控制技术

9.4尺寸控制目标的热控制

9.4.1面形控制

9.4.2控制光学分离与对齐

9.5避免本地视宁度蜕化

9.5.1白天望远镜罩的热控制

9.5.2暖地板对视宁度的影响

9.5.3热源或望远镜腔水槽影响视宁度

9.5.4望远镜结构冷区造成的视宁度

9.5.5主镜视宁度

参考文献

书目

10集成与验证

10.1集成和验证的程序、方法和技术

10.1.1验证方法

10.1.2增量验证

10.1.3验证需求矩阵

10.1.4端对端计算机模型验证

10.2天文台确认

10.2.1工程验证

10.2.2科学验证

参考文献

书目

11观测望远镜罩

11.1望远镜罩的功能和要求

11.2望远镜罩总体结构

11.3望远镜室的地面高度

11.4防风和冲刷

11.4.1基本原则

11.4.2挡风玻璃和百叶窗

11.4.3风和水流动研究及其数学模型

11.4.4望远镜罩内的声模型

11.5热设计

11.5.1基本原则

11.5.2望远镜罩表层热辐射系数

11.6结构和机械设计

11.6.1装载箱

11.6.2望远镜罩形状

11.6.3百叶窗

11.6.4转向车和驱动器

11.6.5气象密封

11.7望远镜墩

11.8操作设备

参考文献

12天文台选址

12.1地面还是空间

12.1.1地基建造的优势

12.1.2空基建造的优势

12.1.3飞机和气球

12.1.4各种观测平台的能力

12.2地基天文台的特性需求

12.2.1视宁度

12.2.2未来极大望远镜的选址准则

12.3最好天文台地址的选择和特性

12.4地面台址的评估方法

12.4.1成像质量测试方法

12.4.2微热传感器

12.4.3声波探测器

12.4.4站点气流可视化

12.4.5无线电探空仪(声雷达)

12.4.6大气的数值模拟

12.4.7光学视宁度监视仪

12.5空间轨道与月球

12.5.1低磁倾角低空运行轨道

12.5.2太阳同步轨道

12.5.3地球静止轨道和地球同步轨道

12.5.4高地球轨道

12.5.5太阳地球第二拉格朗日点

12.5.6漂移轨道

12.5.7日心椭圆轨道

12.5.8月球

12.5.9太阳木星拉格朗日L2点

12.6太空环境辐射

12.6.1辐射源

12.6.2辐射影响

12.6.3天文台位置的辐射水平

12.7发射

参考文献

书目

附录A通用符号

附录B基础数据与单位转换

附录C最大望远镜

附录D清晰度

附录E运动方程的推导

附录F术语表

大口径光学望远镜是实现现代天文学研究、高分辨力成像观测和深空远距离探测的重要基础。　　《大型光学望远镜的设计与建造》从天文应用和工程实现两个方面系统介绍了大口径光学望远镜设计建造的综合知识。书中首先讲述了天文观测的基本知识与要求、影响因素、终端设备等内容，提供了大型光学望远镜设计要求的依据；然后，从工程设计与建造实现的角度重点讨论了望远镜光学及杂光抑制、镜面制造与支撑结构、跟踪架结构、望远镜指向控制、主动光学与自适应光学等望远镜关键技术，同时还介绍了系统装调与测试、站址选择、塔台建设、项目管理等多方面内容。　　《大型光学望远镜的设计与建造》的编者均为有工程经验的工程师和实际观测经验的科学家，内容覆盖全面，对大口径光学望远镜的工程设计和使用具有很强的指导性，为国内天文台站、望远镜研制厂家及相关行业的研发、设计、制造、应用及管理人员提供了一套极具实用价值的参考资料，也非常适合天文、光学仪器、航天、遥感等领域的科研人员参考阅读。

《大型光学望远镜的设计与建造》汇集全球近百位专家智慧，面向天文学研究、高分辨力成像和深空探测，全面系统的国际专业著作。