基于二维随机场的地基大型光学望远镜风扰动时程模拟与性能预测

曹玉岩; 王建立; 王志臣; 李洪文; 张岩; 初宏亮; 李玉霞

doi:10.37188/OPE.20223004.0442

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基于二维随机场的地基大型光学望远镜风扰动时程模拟与性能预测

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2022-02-26

- 基于二维随机场的地基大型光学望远镜风扰动时程模拟与性能预测
- Wind disturbance simulation and optical performance prediction for large ground-based optical telescopes based on two-dimensional stochastic fields
- 光学精密工程 2022年30卷第4期页码：442-454
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
  2.中国科学院大学，北京 100049
- 作者简介：
  
  [ "曹玉岩（1986-），男，吉林大安人，博士研究生，副研究员，2012年于西安电子科技大学获得硕士学位，主要从事地基大型光学望远镜系统集成仿真模拟方面的研究。E-mail：yuyan_cao@126.com" ]
  [ "王建立（1971-），男，山东曲阜人，研究员，博士生导师，主要从事空间探测技术和地基高分辨率成像光电望远镜总体技术的研究。E-mail：wangjianli@ciomp.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(11803035;U2031126)
- DOI：10.37188/OPE.20223004.0442
  中图分类号： TP273
- 收稿日期：2021-06-22，
  
  修回日期：2021-08-17，
  
  纸质出版日期：2022-02-25
- 稿件说明：
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曹玉岩,王建立,王志臣等.基于二维随机场的地基大型光学望远镜风扰动时程模拟与性能预测[J].光学精密工程,2022,30(04):442-454.

CAO Yuyan,WANG Jianli,WANG Zhichen,et al.Wind disturbance simulation and optical performance prediction for large ground-based optical telescopes based on two-dimensional stochastic fields[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(04):442-454.
曹玉岩,王建立,王志臣等.基于二维随机场的地基大型光学望远镜风扰动时程模拟与性能预测[J].光学精密工程,2022,30(04):442-454. DOI： 10.37188/OPE.20223004.0442.

CAO Yuyan,WANG Jianli,WANG Zhichen,et al.Wind disturbance simulation and optical performance prediction for large ground-based optical telescopes based on two-dimensional stochastic fields[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(04):442-454. DOI： 10.37188/OPE.20223004.0442.

摘要

随着地基光学望远镜口径的不断增大，风扰动已成为影响望远镜成像质量最为关键的因素之一。为了深入研究风扰动对望远镜系统性能的影响规律及作用机理，从时域角度对望远镜在风扰动作用下的响应进行时程模拟以及系统性能预测。首先，简要介绍了望远镜结构组成并采用有限元方法建立了结构动力学模型，通过模态变换方法将动力学模型转换到模态坐标系下，从而降低了模型维数、提高了计算效率。然后，提出了一种基于二维随机场的风速时程模拟方法，将望远镜圆顶内的风速场表达为随时间和空间位置变化的二维随机场，通过引入波数谱，克服了谱表达方法中各个离散采样点处互功率谱矩阵Cholesky分解出现数值不稳定的问题，从而可以表达空间和时间频率范围内几乎连续的随机场，并且在数值计算中引入了快速傅里叶变换FFT算法，进一步提高了模拟效率。最后，以2 m口径望远镜为例，对风速环境进行了时程模拟，并对外界平均风速为10 m/s及15 m/s的风扰动作用下，望远镜的性能进行了预测。仿真分析结果表明：作用在望远镜主镜上的风扰动分别造成主镜最大接近45 nm和70 nm的面形误差；作用在次镜及桁架上，主要造成低频的主次镜相对位置和角度偏差。

Abstract

As the aperture of large ground-based optical telescopes increases， wind disturbance has become one of the most significant dynamic factors degrading the performance of telescopes. To investigate the influence and interaction principles of wind disturbance on the performance of telescopes， a time-history simulation of the wind disturbance response and performance prediction for telescopes were performed in the time domain. First， the structural parts of the telescope were simply introduced， and a dynamic model of the telescope was established using the finite element method. Using modal transformation， the dynamic model， expressed in nodal coordinates， was transformed into modal coordinates， thus greatly decreasing the model dimension and greatly improving the computational efficiency. Second， a time-history simulation method for wind speed was presented based on two-dimensional stochastic fields. The wind speed field in the doom was expressed as a two-dimensional stochastic field that varied according to the temporal and spatial frequencies. The numerical instability occurring in the Cholesky decomposition of the cross-power spectrum matrix in the spectral method was avoided by introducing the wave-number spectrum. The simulation efficiency was further improved by applying the fast Fourier transform （FFT） technique. Finally， using a ground-based telescope with a 2 m aperture as a case study， a time-history simulation of the wind speed， wind disturbance response， and system performance prediction for the telescope was performed. The simulation results showed that wind disturbances with a mean speed of 10 and 15 m/s would result in a maximum surface root mean square error of the primary mirror of approximately 45 and 70 nm， respectively. In addition， the wind disturbance acting on the secondary mirror and truss would mainly cause optical axis angle and position errors.

关键词

Keywords

references

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