中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

口径大型化是全球光学望远镜的核心发展趋势，拼接镜面技术是突破单口径制造瓶颈的关键路径。超大口径拼接望远镜的系统复杂度呈指数级增长，建立可靠的全流程仿真分析平台，系统评估各类误差源对光学性能的影响，不仅对望远镜的设计优化、公差分配及装调运行具有重要指导意义，更为后续望远镜数字孪生体的形成、具身智能望远镜的研发提供关键数据支撑。当前我国正在研制的14.5米光学红外望远镜，其主镜由120块对角长度1.44米的正六边形子镜拼接而成，该望远镜建成后是我国最大的光学红外望远镜，也是国际上最大的地基10米级口径的光学红外望远镜。本文围绕14.5米光学红外望远镜，构建大口径拼接镜面望远镜仿真系统，依托该仿真系统开展望远镜光学性能的系统性分析，并提出适配于该望远镜的准直创新方案，主要工作与创新点如下：

（1）本文提出了14.5米光学红外望远镜的拟实成长型一体化仿真系统构建方法，建立了14.5米光学红外望远镜光学性能仿真系统（14.5m Telescope Optical Performance Simulator, 14.5m TOPS），有效突破传统望远镜研制中静态仿真的局限性，为国内超大口径光学望远镜全流程一体化仿真提供了可行的技术路径，为后续望远镜数字孪生体成形奠定了基础。该系统整合光学、机械、热学多物理场耦合建模技术，通过梳理误差来源并设计面向元件对象的误差统一分解方法，实现误差与元件参数的精准映射；通过基于立方坐标系研发的六边形均匀采样算法、定义标准光线追迹数据格式并采用分块压缩存储技术，适配超大口径光线数据处理需求；通过构建标量衍射理论下惠更斯点扩散函数（PSF）计算流程、采用三层模块化架构及状态字协同机制，实现高精度性能评估与仿真全链路模块化并行调度。
（2）基于14.5m TOPS仿真平台，对望远镜光学性能开展多维度量化分析，覆盖衍射特性、主副镜温度影响、拼接主镜重力影响、安装准直误差影响等核心研究内容，通过系统建模与仿真计算，明确各影响因素对光学性能的作用规律及补偿需求，为望远镜设计优化与性能保障提供数据支撑。构建了包含120块子镜及副镜室、上桁架等遮拦的完整光瞳模型，探究孔径形状、拼缝对PSF能量分布的影响。针对ΔT=±25°C工况，评估了光学镜面材料和结构材料等的热效应，综合工况下促动器最大补偿行程约300 𝜇𝑚。仿真了望远镜指向高度角0°~90°成像情况，子镜位移促动器最大补偿量约为65𝜇𝑚。采用蒙特卡洛法分析了安装准直误差，在设计公差内，预估了子镜促动器需提供48𝜇𝑚补偿量。
（3）结合14.5m TOPS仿真平台，创新性地构建了基于光线追迹点迹向量夹角评价方法（RSVA）的望远镜全生命周期光学准直与副镜自监督技术路线，该方法覆盖望远镜装调至运行的完整阶段，为望远镜的工程部署及成像性能的长期稳定提供了新的技术路径。通过仿真分析与300 mm口径两镜望远镜实物验证实验，双重验证了RSVA方法求解光学元件失调量的有效性与可靠性。在望远镜安装阶段，针对14.5m望远镜120块子镜所带来的多自由度调控复杂度，提出两轮三步解耦校正策略，预计该策略对子镜偏心的预测精度可达0.11 mm、Piston偏差预测精度可达0.04 mm、倾斜预测精度可达1.8″、子镜旋转预测精度可达11″，可满足望远镜粗装调需求。在望远镜运行阶段，将RSVA方法从装调阶段拓展至副镜位姿监督领域，采用内外两圈5+5布局采样策略，实现了副镜四自由度失调量的高精度评估，其中副镜偏心预测的平均绝对误差为16~17 𝜇𝑚，倾斜预测误差为0.53~0.58″，且仅需10个采样点即可实现全子镜通用的副镜失调评估，为望远镜运行阶段的副镜位姿实时监测提供了高效、可行的技术方案。