天文望远镜原理和设计

本书是近年来全国乃至全球*一本全面介绍各类天文望远镜原理和设计的科技类专著。全书涵盖各类光学天文望远镜的原理、技术及设计，内容包括主动光学和自适应光学、人造引导星、斑点、能量和振幅干涉仪、口径综合、全息面形测量、红外信号调制、光学桁架、隐形面形设计、激光干涉仪、切伦科夫荧光探测器、大视场后向反射器、Ｘ射线和γ射线的成像、精密测量系统等等。望远镜的各个专门部件的设计原理分别在相关的章节中进行介绍，帮助读者将原理应用到各类望远镜中。德国施普林格出版公司正在积极引进本书的英文版，预计英文版将于四年内出版。

程景全，美国国立射电天文台研究员。1984年于英国获得博士学位，先后就职和访问过中国科学院南京天文光学研究所、紫金山天文台、英国格林尼治天文台、爱丁堡天文台、欧洲南方天文台等。参加和主持英国4.2米光学望远镜，英国3.8米红外望远镜、15米英国毫米波望远镜，中国1.05米光学望远镜、13.7米毫米波望远镜等的设计、调整和安装工作，担任部分工程项目副总指挥，获国家科技进步二等奖。曾任中国科学院届天文委员会委员。

1991年程景全应邀在贝尔实验室作学术报告，当时诺贝尔奖获得者 史密斯教授称赞他是“懂望远镜的学者”，并推荐其参加了世界上规模巨大的阿塔卡玛大毫米波阵的工作。

英文版前言

章光学天文望远镜基础

1.1光学天文望远镜的发展1

1.2天文学对光学天文望远镜的基本要求3

1.2.1角分辨率和大气扰动3

1.2.1.1口径场传播和夫朗和费衍射

1.2.1.2分辩率判别准则

1.2.1.3大气宁静度

1.2.2聚光本领和极限星等9

1.2.2.1光电测光

1.2.2.2CCD成像

1.2.2.3分光测光

1.2.3视场和综合效率17

1.2.4大气窗口和台址选择19

1.3天文光学基础22

1.3.1光学天文望远镜的基本光路22

1.3.1.1主焦点和牛顿焦点

1.3.1.2卡塞格林和耐施密斯焦点

1.3.1.3折轴焦点

1.3.1.4施密特望远镜

1.3.1.5三镜面大视场望远镜

1.3.1.6折叠式光学系统

1.3.1.7衍射式光学系统

1.3.2像差和基本计算公式27

1.3.2.1球差

1.3.2.2彗差

1.3.2.3像散和场曲

1.3.2.4畸变

1.3.3望远镜系统的主要像差公式31

1.3.4像场改正器的设计36

1.3.4.1主焦像场改正器

1.3.4.2.卡塞格林焦点像场改正镜

1.3.4.3场曲改正镜

1.3.4.4大气折射改正镜

1.3.5光线追踪，点图和评价函数41

1.4现代光学理论45

1.4.1光学传递函数45

1.4.2波像差和调制传递函数51

1.4.3斯特尔比55

1.4.4望远镜像的空间频谱55

1.4.5拼合镜面望远镜像的星像特点

参考文献80

第二章光学望远镜的镜面设计

2.1光学镜面的设计要求89

2.1.1镜面面形的基本要求63

2.1.2镜面误差和镜面支承系统

2.1.2.1镜面的轴向支承

2.1.2.2镜面的径向支承

2.1.2.3新月形镜面的径向支承

2.1.2.4大口径蜂窝镜面的径向支承65

2.1.3镜面误差的贴合和斜率误差的表示73

2.2减轻镜面重量的意义和途径73

2.2.1减轻镜面重量的必要性73

2.2.2薄镜面设计74

2.2.3蜂窝镜面的设计77

2.2.4多镜面望远镜的结构78

2.2.5拼合镜面望远镜79

2.2.6金属和其它轻型镜面83

2.3光学镜面的加工和支承85

2.3.1光学镜面的材料特性85

2.3.2光学镜面的加工87

2.3.3光学镜面的镀膜90

2.3.4光学镜面的支承结构90

2.3.4.1光学镜面的定位支承

2.3.4.2大口径蜂窝镜面的定位支承

2.3.4.3光学镜面的非定位支承

2.4光学镜面的检测

2.4.1镜面检测方法

2.4.1.1计算机全息图检测方法

2.4.1.2移相和动态移相干涉仪

2.4.1.3子口径缝合(SubapertureStitiching,SAS)检验方法

2.4.1.4软件光学检测方法

?2.5镜面宁静度和杂散光的控制85

2.5.1镜面宁静度85

2.5.2杂散光的控制

2.5.2.1遮光罩和光栏

2.5.2.2表面散射

2.6太阳望远镜和日冕仪的设计

参考文献

第三章天文望远镜的结构和控制

3.1望远镜的机架结构153

3.1.1赤道式天文望远镜95

3.1.2地平式天文望远镜

3.1.2.1地平式望远镜的力学优越性

3.1.2.2地平式望远镜的坐标转换及天顶盲区

3.1.2.3像场旋转和像场消转装置

3.1.3六杆万向平台式天文望远镜?102

3.1.4固定镜面和固定高度角装置102

3.2望远镜的镜筒和其它结构设计107

3.2.1望远镜镜筒的误差要求108

3.2.2望远镜的镜筒设计109

3.2.3副镜的四翼梁设计110

3.2.4望远镜轴承的设计111

3.2.5望远镜的静态结构分析113

3.2.5.1有限元法简介

3.2.5.2望远镜静态结构分析的要求

3.3望远镜的驱动和控制116

3.3.1望远镜的基本运动方式116

3.3.1.1快动

3.3.1.2寻星

3.3.1.3导星

3.3.1.4扫描

3.3.1.5偏摆

3.3.1.6全天区运动

3.3.2传动机构设计的基本动向117

3.3.3望远镜的轴角位置指示119

3.3.3.1光电编码器

3.3.3.2圆感应同步器

3.3.3.3其它的角度传感器

3.3.4望远镜的指向误差校正125

3.3.5望远镜的伺服控制127

3.3.6光电导星130

3.4望远镜的动态结构分析132

3.4.1风和地震波的能量谱132

3.4.1.1风的随机特性

3.4.1.2风对物体的作用力

3.4.1.3细长杆的涡旋谐振

3.4.1.4风对镜面的压力分布

3.4.1.5地震的响应谱

3.4.2望远镜的动态模拟137

3.4.2.1正交模的分析

3.4.1.2瞬时响应分析

3.4.1.3频率响应分析

3.4.1.4强制振动分析

3.4.1.5频谱响应分析

3.4.3望远镜的结构控制模拟142

3.4.4望远镜的振动控制143

3.4.4.1质量阻尼调制

3.4.4.2粘性阻尼层的应用

3.4.4.3运动曲线的优化

3.4.5自适应控制中的卡尔门滤波器

3.4.6望远镜的基础设计148

参考文献

第四章主动光学和自适应光学

4.1主动光学和自适应光学的基本原理227

4.2波阵面传感器152

4.2.1哈特曼一肖克波阵面探测器

4.2.2金字塔棱镜传感器

4.2.3干涉仪式波阵面传感器

4.2.4相位对比波阵面传感器

4.3触动器，变形镜面，相位校正器和精密测量系统157

4.3.1触动器

4.3.2变形镜

4.3.3液晶相位改正器

4.3.4精密计量系统

4.4主动光学系统

4.4.1单镜面系统的主动光学

4.4.2拼合镜面系统的主动光学

4.5相位差传感器160

4.5.1色散条纹相位差传感器

4.5.2样板式相位差传感器

4.5.3杨肖克哈特曼相位差传感器

4.5.4马赫章德相位差传感器

4.5.5金字塔棱镜相位差传感器

4.6曲率传感器和摆镜补偿装置162

4.6.1双星像曲率传感器

4.6.2单星像的波阵面和曲率传感器

4.6.3小摆动镜和其它曲率补偿装置

4.7自适应光学对大气扰动的补偿164

4.7.1人造激光星和自适应光学166

4.7.2钠激光星和激光星的圆锥效应

4.7.3瑞利激光星

4.7.4激光星的其它限制

4.8大气断层扫描和多共轭自适应光学166

4.8.1大气断层成像分析

4.8.2多共轭自适应光学

4.8.3自适应副镜的设计

参考文献

第五章天文光学干涉仪及其它285

5.1斑点干涉和斑点遮挡168

5.2迈克尔逊干涉仪171

5.3斐索成像干涉仪173

5．4口径遮挡干涉仪和超级望远镜

5.4.1口径遮挡干涉仪173

5.4.2超级望远镜

5.5强度干涉仪178

5.5.1强度干涉仪

5.5.2频谱型强度干涉仪

5.6光学振幅干涉仪

5.7射电干涉仪和光学干涉仪的区别

5.8光学切趾法和星冕仪

5.8.1相位引导下的振幅分布切趾法

5.8.2光瞳相位调制切趾法

5.8.3口径变异遮挡切趾法

参考文献

第六章空间望远镜及其发展

6.1轨道空间环境和轨道选择325

6.1.1空间轨道简介182

6.1.1.1近地轨道

6.1.1.2地球同步轨道

6.1.1.3地球静止轨道

6.1.1.4越极轨道

6.1.1.5太阳同步轨道

6.1.1.6拉格朗日点

6.1.2轨道空间的温度环境184

6.1.3轨道空间的其它环境

6.1.3.1大气层对空间飞行器的影响

6.1.3.2等离子引起的静电效应

6.1.3.3高空截获的高能粒子

6.1.3.4太阳粒子流和宇宙射线

6.1.3.5重力梯度和大气所引起的力矩

6.1.3.6发射过程中的特殊环境

6.2空间望远镜的姿态控制189

??6.2.1?姿态传感器189

6.2.1.1陀螺仪

6.2.1.2星跟踪器

6.2.1.3地平指示器和太阳传感器

6.2.1.4磁场仪和全球定位系统接收器

6.2.2空间望远镜的姿态触动器192

6.3空间光学望远镜工程189

??6.3.1?哈伯空间望远镜189

6.3.2依巴谷，开普勒和嘎伊雅空间望远镜

6.3.3韦伯空间望远镜192

6.3.4光学传递函数差分检验方法

6.3.3空间光学干涉仪195

参考文献

第七章射电天文望远镜基础

7.1射电望远镜的发展历史361

7.2天文学对射电望远镜的要求200

7.3大气射电窗口和台址选择203

7.4射电望远镜的基本参量207

7.4.1天线方向图207

7.4.2增益207

7.4.3天线温度和噪声温度

7.4.3.1.瑞利-金斯近似

7.4.3.2.天线温度

7.4.3.3.小探测温度

7.4.3.4.电子系统的噪声系数

7.3.4.5.系统噪声的消除方法

7.4.4天线效率209

7.4.5天线的极化特性211

7.4.6射电望远镜基本参数的选择213

7.4.6.1单抛物面射电望远镜的参数选择

7.4.6.2卡塞格林望远镜的参数选择

7.4.7偏轴射电望远镜的特性220

7.5射电望远镜的接收器

参考文献

第八章射电天文望远镜设计

8.1天线的误差理论和保形设计395

8.1.1电磁波透射损耗225

8.1.2天线的误差理论226

8.1.3天线的保型设计230

8.1.4天线表面的抛物面贴合232

8.1.5射电望远镜镜面和接收器位置允差235

8.1.6副镜支撑的口径遮挡和天线噪声239

8.1.7应用光线追迹进行表面贴合232

8.2射电望远镜的结构设计243

8.2.1射电望远镜的基本结构形式243

8.2.1.1射电天线

8.2.1.2馈源和馈源喇叭

8.2.1.3射电天线的支架形式

8.2.2抛物面射电望远镜的设计249

8.2.3风对射电望远镜的影响252

8.2.4射电望远镜的主动控制

8.2.4.1激光四象限位移探测器254

8.2.4.2激光测距系统

8.3射电天文干涉仪260

8.3.1射电干涉仪的基本原理261

8.3.2综合孔径望远镜263

8.3.3维金定律和文泽定律265

8.3.4定标校正：观察后的主动光学265

8.3.5甚大阵，新甚大阵和平方公里阵266

8.3.6甚长基线干涉仪266

8.3.7空间射电干涉仪267

参考文献

第九章毫米波和亚毫米波望远镜

9.1温度对毫米波和亚毫米波望远镜的影响449

9.1.1毫米波和亚毫米波望远镜的特点271

9.1.2天线温度环境273

9.1.3热量传递公式274

9.1.4面板的温度考虑277

9.1.4.1温度误差

9.1.4.2温度梯度误差

9.1.5背架的温度考虑280

9.2毫米波和亚毫米望远镜的结构设计282

9.2.1面板的要求和加工282

9.2.2背架和其它结构?286

9.2.3摆动副镜的设计288

9.2.4传感器，精密计量装置和光学指向望远镜290

9.2.5毫米波望远镜中主动光学293

9.2.6望远镜的雷电保护294

9.3碳纤维合成材料295

9.3.1碳纤维合成材料的性质295

9.3.2异形三明治结构的温度变形299

9.3.3碳纤维和金属的接头299

9.3.3.1简单接头上的压力分布

9.3.3.2树脂的弹塑性特点

9.3.3.3树脂接头的疲劳模型

9.3.3.4温度应力差产生的破坏

9.3.3.5化学因素的破坏

9.3.3.6其它的破坏因数

9.4全息检测和准光学理论302

9.4.1全息面形检测302

9.4.2天线的面板调整307

9.4.3准光学理论309

9.4.4广谱平面天线的应用310

参考文献

第十章红外，紫外，射线和射线望远镜

10.1红外望远镜501

10.1.1红外望远镜的基本要求314

10.1.2红外望远镜的结构特点316

10.1.3球载和空间红外望远镜320

10.2射线和紫外线望远镜322

10.2.1射线的基本特性322

10.2.2射线成像望远镜326

10.2.3多层圆锥薄片和多层广谱镀层望远镜

10.2.4空间射线望远镜330

10.2.5微角秒Ｘ射线成像望远镜

?10.2.6紫外天文卫星332

10.3射线望远镜334

10.3.1射线的基本特点

10.3.2射线编码孔望远镜

10.3.2.1均匀冗余阵列

10.3.2.2改进型的均匀冗余阵列

10.3.2.3六边形和正方形均匀冗余阵列

10.3.3伽玛射线探测器

10.3.4康普顿散射和电子对望远镜

10.3.5空间射线望远镜334

10.3.6车仁科夫射线望远镜

10.3.7延展式大气雨阵

10.3.8地面射线望远镜336

参考文献

第十一章引力波，宇宙线和暗物质天文望远镜

11.1引力波望远镜555

11.1.1引力波理论概述

11.1.2谐振式引力波望远镜

11.1.3激光干涉仪式引力波望远镜

11.1.4重要的引力波望远镜

11.1.5其它引力波和重力望远镜341

11.2宇宙线望远镜

11.2.1宇宙线频谱

11.2.2扩展式大气雨望远镜阵

11.2.3宇宙线荧光探测器

110.2.4宇宙线磁谱仪343

11.3暗物质望远镜

11.3.1冷和热暗物质

11.3.2中微子探测方法

11.3.3中微子望远镜

11.3.4冷暗物质的探测

11.3.4.1低温暗物质探测器

11.3.4.2闪烁和谐振腔暗物质接收器345

参考文献

第十二章天文望远镜综述

12.1前言

12.2电磁波和地球大气层589

12.3非电磁波望远镜341