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引言1

1 天文观测5

1.1 天文望远镜的作用5

1.2 观测源特征5

1.2.1 强度5

1.2.2 天空中最关注源的分布7

1.3 通过大气的观测8

1.3.1 大气消光8

1.3.2 大气辐射10

1.3.3 大气折射11

1.3.4 大气扰动：基本概念12

1.3.5 大气扰动：视宁度物理意义16

1.4 背景源17

1.4.1 天空背景17

1.4.2 大气背景20

1.4.3 杂光和探测器背景20

1.4.4 应对大气和望远镜的热辐射21

1.5 信噪比22

1.6 时间25

1.6.1 恒星时25

1.6.2 儒略日25

1.7 坐标系统26

1.8 指向修正28

1.8.1 岁差和章动29

1.8.2 自行29

1.8.3 视差29

1.8.4 恒星光行差30

1.8.5 大气折射31

1.9 望远镜指向和跟踪过程31

1.9.1 目标截获32

1.9.2 引导33

1.9.3 引导星表33

1.10 望远镜与干涉仪33

参考文献35

书目36

2 仪器38

2.1 仪器的主要类型38

2.1.1 相机38

2.1.2 光度计39

2.1.3 偏振计40

2.1.4 色散型光谱仪41

2.1.5 法布里-珀罗光谱仪43

2.1.6 傅里叶变换光谱仪44

2.2 可见-中红外探测器45

2.2.1 半导体内的光子探测46

2.2.2 CCD探测器48

2.2.3 红外阵列探测器49

2.2.4 专用探测器的特点51

2.3 中继光学54

2.4 制冷系统55

参考文献56

书目56

3 设计方法与项目管理57

3.1 项目生命周期58

3.2 系统工程工具60

3.2.1 设计参考程序61

3.2.2 需求逐级“下行”63

3.2.3 误差分配65

3.2.4 端对端计算机仿真67

3.2.5 可测性和容错性设计68

3.2.6 缩比法则68

3.2.7 成本模型70

3.2.8 作为设计变量的成本72

3.2.9 天文观测平台性能评价73

3.3 项目管理78

3.3.1 一般性原则78

3.3.2 项目组织79

3.3.3 项目分解结构79

3.3.4 项目数据库80

3.3.5 采购策略81

3.3.6 技术开发82

3.3.7 可靠性83

3.3.8 质量保证、检验和验证84

3.3.9 接口文档85

3.3.10 结构管理85

3.4 项目进度表85

3.5 风险分析88

3.6 成本估算和预算编制89

3.6.1 成本估算方法89

3.6.2 主要资助机构的财政预算90

3.6.3 成本估算的准确率91

3.6.4 多个单元建造91

3.6.5 拟定预算和资源规划92

参考文献93

书目94

4 望远镜光学系统95

4.1 光学设计基础95

4.1.1 基本原理95

4.1.2 二次曲面公式96

4.1.3 光阑与光瞳97

4.1.4 初级像差98

4.1.5 波像差100

4.1.6 衍射效应102

4.1.7 像的形成103

4.2 望远镜光学的结构108

4.2.1 单反射镜系统108

4.2.2 两反射镜系统109

4.2.3 三反和四反系统111

4.2.4 球面反射镜系统112

4.2.5 辅助光学部件112

4.3 光学误差分配113

4.4 像质判据115

4.5 系统参数确定119

4.5.1 焦点选择119

4.5.2 焦比选择120

4.5.3 底板比例与探测器分辨力的匹配121

4.6 反射镜材料123

4.6.1 材料要求123

4.6.2 硼硅酸盐玻璃125

4.6.3 超低膨胀融石英126

4.6.4 低膨胀陶瓷玻璃126

4.6.5 碳化硅127

4.6.6 铍128

4.6.7 铝128

4.7 主镜结构设计129

4.7.1 主镜轻量化132

4.7.2 拼接式光学系统133

4.7.3 热效应136

4.8 主镜加工137

4.8.1 计算机控制研磨140

4.8.2 预应力反射镜加工141

4.8.3 主动研磨模成形142

4.8.4 超精密加工143

4.8.5 离子束加工143

4.8.6 快速修正机械变形143

4.9 加工中的光学表面检测144

4.9.1 检测体系144

4.9.2 主要检测技术146

4.9.3 主反射镜面形检测149

4.9.4 次镜检测150

4.9.5 曲率半径测量151

4.9.6 重力影响去除151

4.9.7 反射镜的低温检测151

4.10 反射镜镀膜与清洁151

4.10.1 反射镜清洁152

4.10.2 镀膜153

参考文献155

书目158

5 杂光控制160

5.1 杂光起因160

5.2 搜寻并定位杂光160

5.3 消杂光挡板和光阑162

5.3.1 孔径光阑162

5.3.2 视场光阑162

5.3.3 利奥光阑163

5.3.4 消杂光光阑163

5.3.5 卡塞格林系统的消杂光光阑164

5.4 散射过程165

5.5 杂光分析166

5.6 表面散射特性168

5.6.1 镜面散射168

5.6.2 黑色漫反射表面的散射171

5.7 消除轴外源散射光的例子HST172

5.8 减少自身辐射引起杂光的例子NGST173

5.9 地基望远镜减少背景热辐射174

参考文献175

书目176

6 望远镜桁架与机构177

6.1 总则177

6.1.1 符合运动学原理的安装177

6.1.2 最小不准直180

6.1.3 预加载的使用181

6.1.4 加载路径182

6.1.5 防“粘滑”和“微偏摆”设计182

6.1.6 材料选择183

6.1.7 无热化185

6.1.8 结构设计186

6.2 设计要求187

6.2.1 运行模式要求187

6.2.2 生存条件188

6.3 主镜的安装191

6.3.1 整体主镜的安装191

6.3.2 拼接式主镜系统的安装195

6.4 望远镜“筒”196

6.4.1 桁架196

6.4.2 次镜三脚架和塔架支撑198

6.4.3 热效应200

6.4.4 卡塞格林主镜“多脚架”200

6.4.5 主镜单元202

6.5 地基望远镜支座203

6.5.1 赤道式支座203

6.5.2 地平式支座204

6.5.3 水平式支座205

6.5.4 固定仰角固定主镜式支座205

6.6 地基望远镜轴承207

6.6.1 滚动体轴承207

6.6.2 液压轴承207

6.7 其他机构210

6.7.1 望远镜整体对准210

6.7.2 光学装调和对焦设备211

6.7.3 红外斩波和视场稳定的主动次镜212

6.7.4 平衡系统213

6.7.5 缆包和缆捻214

6.7.6 主镜盖214

6.8 安全装置215

6.8.1 制动215

6.8.2 终点挡板216

6.8.3 锁定装置216

6.8.4 地震约束217

参考文献217

书目218

7 指向和控制220

7.1 指向要求220

7.2 系统建模221

7.2.1 一阶质量-弹簧模型222

7.2.2 中型质量-弹簧光学机械模型224

7.2.3 综合模型224

7.3 指向伺服系统229

7.3.1 伺服系统基本原理229

7.3.2 望远镜控制系统的实现231

7.3.3 干扰抑制236

7.4 姿态驱动器238

7.4.1 地基望远镜的驱动238

7.4.2 空间望远镜的姿态驱动器242

7.5 姿态传感器和引导系统244

7.5.1 位置编码器244

7.5.2 测速机245

7.5.3 陀螺仪246

7.5.4 星跟踪仪和太阳传感器247

7.5.5 引导系统248

7.6 地基望远镜的扰动251

7.6.1 风的影响：概述251

7.6.2 风对望远镜结构的影响253

7.6.3 风对主镜的影响254

7.6.4 风对望远镜基座（墩）的影响254

7.7 空间扰动255

7.7.1 重力梯度力矩256

7.7.2 气动力学力矩256

7.7.3 太阳辐射力矩257

7.7.4 地磁力矩258

7.7.5 反作用飞轮扰动258

7.7.6 其他内部扰动260

7.8 主动和被动振动控制262

7.8.1 扰动源的被动隔离263

7.8.2 主动隔离装置264

7.9 天文台控制软件265

参考文献267

书目269

8 主动光学与自适应光学271

8.1 基本原理271

8.1.1 主动光学及自适应光学的作用271

8.1.2 主动光学和自适应光学的结构272

8.2 波面传感器274

8.2.1 夏克-哈特曼传感器274

8.2.2 曲率传感275

8.2.3 相位恢复技术276

8.3 内部度量装置278

8.3.1 边缘传感器278

8.3.2 全息光栅块及角反射系统280

8.3.3 激光度量系统281

8.3.4 惯性伪星基准282

8.4 波面校正系统282

8.4.1 精密控制反射镜283

8.4.2 主光学的变形284

8.4.3 专用变形镜286

8.5 控制技术288

8.6 典型主动光学系统的实现289

8.6.1 VLT主动光学系统289

8.6.2 拼接式系统的对准、共焦与同相290

8.7 视宁度校正294

8.7.1 发展史294

8.7.2 天然引导星自适应光学295

8.7.3 激光引导星自适应光学296

参考文献297

书目299

9 热控制300

9.1 一般要求300

9.2 热环境条件300

9.3 温度控制技术301

9.4 尺寸控制目标的热控制302

9.4.1 面形控制302

9.4.2 控制光学分离与对齐304

9.5 避免本地视宁度蜕化305

9.5.1 白天望远镜罩的热控制306

9.5.2 暖地板对视宁度的影响306

9.5.3 热源或望远镜腔水槽影响视宁度307

9.5.4 望远镜结构冷区造成的视宁度309

9.5.5 主镜视宁度309

参考文献312

书目313

10 集成与验证314

10.1 集成和验证的程序、方法和技术315

10.1.1 验证方法315

10.1.2 增量验证316

10.1.3 验证需求矩阵317

10.1.4 端对端计算机模型验证317

10.2 天文台确认318

10.2.1 工程验证318

10.2.2 科学验证318

参考文献319

书目319

11 观测望远镜罩320

11.1 望远镜罩的功能和要求320

11.2 望远镜罩总体结构321

11.3 望远镜室的地面高度323

11.4 防风和冲刷323

11.4.1 基本原则323

11.4.2 挡风玻璃和百叶窗325

11.4.3 风和水流动研究及其数学模型325

11.4.4 望远镜罩内的声模型326

11.5 热设计326

11.5.1 基本原则326

11.5.2 望远镜罩表层热辐射系数330

11.6 结构和机械设计330

11.6.1 装载箱330

11.6.2 望远镜罩形状331

11.6.3 百叶窗332

11.6.4 转向车和驱动器333

11.6.5 气象密封334

11.7 望远镜墩334

11.8 操作设备335

参考文献336

12 天文台选址338

12.1 地面还是空间338

12.1.1 地基建造的优势338

12.1.2 空基建造的优势338

12.1.3 飞机和气球339

12.1.4 各种观测平台的能力341

12.2 地基天文台的特性需求341

12.2.1 视宁度342

12.2.2 未来极大望远镜的选址准则344

12.3 最好天文台地址的选择和特性345

12.4 地面台址的评估方法348

12.4.1 成像质量测试方法348

12.4.2 微热传感器349

12.4.3 声波探测器349

12.4.4 站点气流可视化350

12.4.5 无线电探空仪（声雷达）351

12.4.6 大气的数值模拟352

12.4.7 光学视宁度监视仪352

12.5 空间轨道与月球354

12.5.1 低磁倾角低空运行轨道354

12.5.2 太阳同步轨道356

12.5.3 地球静止轨道和地球同步轨道357

12.5.4 高地球轨道357

12.5.5 太阳-地球第二拉格朗日点357

12.5.6 漂移轨道359

12.5.7 日心椭圆轨道360

12.5.8 月球360

12.5.9 太阳-木星拉格朗日L2点361

12.6 太空环境辐射362

12.6.1 辐射源362

12.6.2 辐射影响363

12.6.3 天文台位置的辐射水平364

12.7 发射366

参考文献367

书目369

附录A 通用符号371

附录B 基础数据与单位转换373

附录C 最大望远镜375

附录D 清晰度378

附录E 运动方程的推导380

附录F 术语表382