为了更好地对大口径光学系统进行误差分析、分配, 本文在美国TMT主镜团队所提出的“标准化点源敏感性”的基础上, 研究了大口径合成孔径望远镜各项误差的特性及其分配。首先, 对“标准化点源敏感性”的基本性质进行了研究, 论述了其作为大口径合成孔径望远镜全频域评价指标的优越性; 之后, 分析了不同误差源对合成孔径望远镜“标准化点源敏感性”的影响, 以及在不同评价尺度下对应的标准化点源敏感性; 最后, 利用标准化点源敏感性与斜率均方根之间的关系, 针对合成孔径望远镜子镜间相对位置误差存在封闭性的特点, 提出了基于“Brownian Bridge”过程与“标准化点源敏感性”的误差模型。本文的工作对于类似的大口径系统设计与检测也有着一定指导意义。

为了更好地对于大口径望远镜中频误差进行评价与分配, 本文引入了结构函数来进行研究。本文首先对于结构函数的基本性质进行了推导, 并与传统的误差均方根(RMS)进行比较, 表明了其表征不同尺度误差的能力。之后分析了系统波前在不同的评价尺度下的统计特性差异, 得出在较小尺度下, 系统的误差分布可以较好的服从正态分布, 而随着尺度的增加(如大于100mm)会逐渐偏离正态分布的结论。然后根据结构函数的基本性质, 提出了一种可以同时考虑诸多误差源的大口径望远镜中频误差分配方法。结合美国三十米望远镜(TMT)团队所提出的标准化点源敏感性(normalized Point Source Sensitivity , PSSn), 建立起了由结构函数到标准化点源敏感性的换算关系, 通过此方法来进行误差分配指标间的交叉验证以及与其他单元技术之间的对接。最后, 根据本文所提出的方法, 对于某大口径望远镜的主镜系统进行了误差分配, 得到在大尺度均方根为25nm, 粗糙度为1nm,中频尺度为250mm, 大气相干长度为0.4m(检测环境)的要求下, 该系统的结构函数满足要求, 同时由要求结构函数所计算得到的PSSn=0.999 6大于由镜面数据直接得到的PSSn=0.999 5, 同样满足要求。

为了更好地对大口径望远镜进行误差分析以及分配, 引入了由美国30 m望远镜(TMT)团队所提出的标准化点源敏感性(PSSn), 来进行大口径望远镜的各项误差及其之间的协调与分配。为了更好地利用PSSn进行误差分配, 首先根据其定义对PSSn的基本性质进行了研究, 论述了PSSn作为全频域评价指标的优越性, 然后与传统的评价指标(波前均方根)进行了比较, 重点分析了PSSn的合成特性以及合成误差的特点, 之后利用Zernike多项式分析系统静态误差与PSSn的关系, 得到了不同的Zernike系数与PSSn之间的关系。对于系统的动态载荷, 利用功率谱结合光学传递函数的方法来研究系统的光学特性并对实际的大口径波前做出了仿真研究, 得到系统的PSSn从0.996下降到0.991。所做的研究可以更好地理解大口径望远镜的误差特性, 同时也可以帮助系统工程师对大口径望远镜的误差进行更好的分配。

考虑光学望远镜系统的设计和配备与镜面视宁度相关, 本文引入了标准化点源敏感性(PSSn)来改善传统评价手段的局限性, 以实现镜面视宁度的全频域内评价。介绍了镜面视宁度的概念以及各大口径望远镜对镜面视宁度的检测与评价方法, 同时指出了之前使用的评价指标与评价方法的缺点不足。基于30 m望远镜研究团队所提出的全频域评价指标——标准化点源敏感性(PSSn)提出了新的评价方法。分析了PSSn的特性, 并利用其良好的合成特性以及不同的曝光函数, 得到了不同曝光条件以及视宁条件下的PSSn表达式。最后, 利用在大口径波前上随机选取子孔径的方法, 模拟了冻结湍流假设下的镜面视宁情况, 并对其PSSn的变化进行了估计, 验证了本文方法的可行性。基于本文所提出的对于镜面视宁度的评价与分析, 系统工程师可以全面客观地评价大口径系统的镜面视宁度, 结合PSSn的优良合成特性建立合理的误差树, 有效提高匹配精度, 降低系统建造成本。