分块式空间望远镜的波前校正方法

　　1　引　言

　　分块式空间望远镜在轨运行过程中受空间温度场、微重力场等因素的影响,其主镜镜面会产生形变,进而产生光学系统的波前误差,直接影响系统的成像质量。应用自适应光学、主动光学技术和综合控制方法在空间环境实时探测、主动校正主镜热变形、力学变形和波前误差等,是大型空间望远镜研究的重要技术。自适应光学技术是以光学波前为对象的自动控制系统,利用对光学波前的实时测量-控制-校正,使光学系统具有自动适应外界条件变化、始终保持良好工作状态的能力[1]。

　　分块式空间望远镜光学系统在主镜的各个旁瓣子镜背面设置了面形致动器,但由于受到面形致动器个数和排布的限制,只适于校正频率较低的波前误差。为此,该系统在光路中增加一个体积小且背部布置大量致动器的变形镜用于校正高频波前误差。对于这种同时具有可变形能力的分块式主镜和变形镜的新型空间望远镜光学系统,本文以主镜的一块旁瓣和变形镜为研究对象,考虑到主镜和变形镜的空间校正能力不同,提出一种基于小波解耦的并联波前校正法,应用可变形主镜和变形镜分别校正波前低频误差和高频误差,并将该方法与依光路顺序的串联波前校正法进行比较。

　　2　致动器影响函数及其空间带宽

　　分块式主镜由固定不动的中心子镜和八块旁瓣子镜组成,每块旁瓣子镜背部布置了若干个致动器。以一旁瓣子镜为研究对象,它和变形镜致动器映射关系如图1所示,分别应用数值法(有限元法)和解析法(高斯函数)建立它们的镜面面形模型[2],通过主镜有限元模型分析可以得到主镜旁瓣子镜14号致动器的影响函数(如图2(a)所示),变形镜致动器的影响函数采用文献[3]中式(6)~(8)的高斯函数形式(如图2(b)所示)。

　　具有n个致动器的主镜全影响函数矩阵Z是各个致动器影响函数列向量zi(i=1,2,…,n)组成的矩阵:

　　对于主镜全影响函数矩阵采用文献[4]中影响函数空间频率带宽的求解过程,得到主镜全影响函数矩阵傅里叶变换幅值均方函数图(如图3所示),该函数达到其最大值的一半时的频率即是影响函数的空间频率带宽,可计算得到主镜影响函数的径向空间频率带宽为2. 5516cycles/meter,空间周期为0. 3919m。

　　3　光学系统波前校正方法

　　3. 1　依光路顺序的串联波前校正法

　　根据光路顺序,对于既有可变形主镜又有变形镜的空间望远镜光学系统可采用如图4所示的串联式控制结构。将波前传感器测量到的入射波前误差φe由主镜校正,校正后的残余波前误差φeD再由变形镜校正,最后得到系统的残余波前误差φeR。假设对于主镜和变形镜,各致动器引起的镜面总形变为其单独作用时引起镜面形变的线性叠加,则主镜控制器和变形镜控制器可采用文献[2]中的静态控制方法。