关于《Thirty Meter Telescope Alignment and Phasing System Risk Reduction Studies and Experiments》的学术报告

主要作者及机构

该研究的主要作者包括 Matthias Schoeck（TMT International Observatory）、Gary Chanan（Department of Physics and Astronomy, University of California, Irvine）、Scott Michaels（TMT International Observatory）及 Mitchell Troy（Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology）。这篇文献发表于 Proc. of SPIE Vol. 13094 (2024)。

学术背景

本文主要聚焦于 Thirty Meter Telescope (TMT) 的 Alignment and Phasing System (APS, 调相与调准系统)。TMT 是一台具革命性的大型天文设备，由分段式主镜（M1）组成，其光学性能依赖于对各镜段进行高精度的相位（piston）、角度（tip/tilt）及表面形状的调整。此外，APS 还需保证次镜（M2）的活塞调整及角度准确，并控制三次镜（M3）的旋转及倾斜。基于此，比 TMT 时间更久的 W.M. Keck Observatory 提供了丰富的实践经验，其 Phasing Camera System (PCS) 在过去 60 年为两架 Keck 天文望远镜成功实现了镜面相位调节。

由于望远镜的首次调试时间短且运行时间需最小化，研究团队从 APS 的早期设计阶段就开始注重确保系统“开箱即用”的功能，并进行风险降低研究。这一论文旨在描述其在算法开发、模拟实验、数据分析及原型设计等领域的努力，从而确保 APS 满足 TMT 的严格性能要求。

研究工作流程概述

APS 系统的总体工作目标

APS 的核心是基于 Shack-Hartmann 系统 的光学测量方法，其主要功能包括： 1. 主镜（M1）镜段的调相与调准：镜段的相位调整精度需小于 14 nm，而捕捉范围需达到 30 μm。 2. 多角度测量：为计算重力向量变化导致的对准误差需采集多种望远镜仰角下的数据，同时为了温度变化标定，还需采用多个 APS 运行的数据点。 3. 风险与性能评估：系统不仅要满足高精度需求，还需高效、稳定，并具有广泛的操作适应性。

借鉴 Keck 系统的经验

W.M. Keck Observatory 提供了丰富的相关经验，比如： - APS 构建在 Keck 的 PCS 系统之上，而后者已经成功完成了超过 1000 次的镜段调相操作。 - TMT 和 Keck 共用一个开发团队，这使得团队可以在 Keck 中运行实验和测试，从而提前验证针对 TMT 的 APS 算法和软件。 - 已开发 Keck 基于 APS 的软件原型（Protocol Executor and Analysis Software，简称 PEAS），可以对算法进行进一步优化。

系统组成与实验验证

1. 改进变形力控制算法
   传统 Keck 的算法基于 Zernike Polynomial，由于镜段为六边形且形状接近圆形，该算法大多表现良好。但对于 TMT 的需求，这种算法并不完全满足。研究团队开发了一种基于 SVD（Singular Value Decomposition，奇异值分解）矩阵变换 的逐区域重建算法，精准地将镜段表面坡度转换为变形力，进而解决了 Keck 在特定镜段区域（例如被 M2 遮挡的内部环镜段）误差较大的问题。该算法于 2015 年在 Keck 测试并成为其默认算法，验证了其有效性，同时显著降低了 TMT 的测试风险。

2. Terrace Mode 的问题与调整
   Keck 望远镜在 1995 年发现了与望远镜仰角相关的系统性误差 Terrace Mode（见文中的 Fig. 1），该现象表现为主镜镜段呈现阶梯形，对齐误差显著。研究团队通过分析 2022-2023 的测量数据，发现这种误差与 镜段惯性矩的变化 和边缘传感器的细小失准有关。这些变化是由于 2016-2020 镜段的维修。研究最终通过重新校准补偿参数解决问题。

3. 窄波段调相中的相位分散问题
   利用多波长测量方式（narrowband phasing, NPH）发现了不同波长交叉测量的相位分散现象（最高可达 20nm）。研究团队通过理论建模和实验识别了几大原因并解决问题：

   • 光束整形过程（IBF）造成的部分镜面支撑点的细小台阶误差。
   • Keck 主镜 M2 蜘蛛延支支架对外圈边缘的遮挡。
   • 望远镜次镜准直仪（collimator）映射误差，准直仪位置稍微改变大幅降低分散。

4. 遗失测量对系统性能的影响
   针对可能受遮挡或信号丢失的边缘进行建模计算，结果表明即使丢失10%的测量点，整体误差增加仅约6.5%；即使仅通过单条边高测量点，系统仍能基本完成镜段校准。

软件开发与应用

研究团队还在 Keck 中对 APS 软件（APS-PEAS）建模并验证了多种功能，如： - 提供直观的全局可视化显示功能（如主镜 “diamond plot”），以快速识别误差超限镜段。 - 软件模块化和算法独立封装方便跨系统使用，同时能够适应未来的仿真和算法改进。

主要研究结论

1. 降低了 TMT 风险：借助 Keck 的现有硬件和软件验证环境，APS 的许多性能要求已在实践中被证明有效，这显著降低了 TMT 的系统部署风险。
2. 解决了多种潜在性能问题：针对例如望远镜仰角相关误差（Terrace Mode）和多波长相位分散的潜在风险，通过工程调优和算法开发，团队有效解决问题并显著提升了性能。
3. 构建了稳健的基础：APS 的算法库、软件架构及实验设计为 TMT 的后续验证、集成和正式运行奠定了坚实的基础，也对未来的大型分段式望远镜设计提供了重要参考。

研究意义

该研究通过将 Keck 的多项技术经验延伸至 TMT 项目，不仅大幅降低了新的 APS 系统可能遇到的设计和操作风险，还为下一代大型光学望远镜提供了大量的数据和算法支持。这一成果无疑对天文观测精度需求日益提升的时代具有里程碑意义。此外，研究团队的开创性解决方案也为未来类似项目提供了重要模板。