徐抒巖，張旭升，范 闊，鞠國(guó)浩

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033)

1 引 言

隨著人們對(duì)遙感與天文領(lǐng)域光學(xué)成像分辨率與觀測(cè)視場(chǎng)要求的不斷提高，大口徑、長(zhǎng)焦距、多反射鏡光學(xué)系統(tǒng)已成為當(dāng)前成像光學(xué)儀器的主要發(fā)展方向[1]。光學(xué)裝調(diào)精度是影響系統(tǒng)最終成像質(zhì)量的主要因素之一[2]。然而，大口徑、多反射鏡系統(tǒng)裝調(diào)公差要求嚴(yán)格，需要確定的鏡面位置自由度數(shù)量較多，導(dǎo)致其裝調(diào)難度很大。系統(tǒng)波前測(cè)量精度在很大程度上決定了系統(tǒng)裝調(diào)精度。系統(tǒng)裝調(diào)過(guò)程需要利用多個(gè)視場(chǎng)波前測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算各鏡面失調(diào)量，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行相應(yīng)的位姿調(diào)整，最終完成裝調(diào)[3-5]。所以，波前像差的準(zhǔn)確測(cè)量是實(shí)現(xiàn)高精度系統(tǒng)裝調(diào)的必要條件。

然而，大口徑、長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)的波前測(cè)量精度易受氣流擾動(dòng)的影響。一方面，口徑大使得自準(zhǔn)直檢測(cè)光路橫截面內(nèi)溫度分布的非均勻性較高；另一方面，焦距長(zhǎng)意味著自準(zhǔn)直干涉光路光程較長(zhǎng)，由溫度非均勻性引起的空氣折射率非均勻性對(duì)總光程影響較大。所以，高精度波前檢測(cè)中，氣流擾動(dòng)是必須要考慮的誤差因素。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)熱源(干涉儀、工控機(jī)以及裝調(diào)人員等)與熱沉(大地與金屬氣浮平臺(tái)、調(diào)整架等)使得氣流擾動(dòng)一直存在，這將導(dǎo)致自準(zhǔn)直回路內(nèi)溫度分布的非均勻性與動(dòng)態(tài)性，持續(xù)對(duì)波前檢測(cè)精度造成影響。理想條件下，可將光學(xué)系統(tǒng)置于真空罐內(nèi)進(jìn)行裝調(diào)。然而，大型真空罐的使用費(fèi)用高昂，會(huì)增加整個(gè)光學(xué)儀器的研制費(fèi)用與研制周期。所以，需要研究抑制氣流擾動(dòng)影響的方法，以提高非真空條件下系統(tǒng)的波前測(cè)量精度。

近年來(lái)，針對(duì)光學(xué)檢測(cè)過(guò)程中氣流擾動(dòng)影響的研究已有很多[6-10]。2009年，中科院成都光電所以有限元分析法為基礎(chǔ)將空氣擾動(dòng)等效為多個(gè)界面的擾動(dòng)，并將溫度不均勻的空氣視為由不同折射率薄透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)空氣溫度變化的影響進(jìn)行建模仿真，這對(duì)于分析氣流擾動(dòng)問(wèn)題具有一定的指導(dǎo)意義[6]。2011年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所針對(duì)鏡面面形檢測(cè)過(guò)程中外界條件對(duì)(參考面和測(cè)試面之間)光腔折射率的影響建立流體仿真模型，分析了不同氣流狀態(tài)下光腔溫度、壓強(qiáng)分布情況及它們對(duì)波前像差的影響；另外，還分析了通過(guò)提高送風(fēng)速度來(lái)減小光腔溫度分布不均勻性及提高鏡面面形檢測(cè)精度的可行性[7]。2015年，中科院南京天文與光學(xué)技術(shù)研究所分析了不同曲率半徑球面反射鏡在水平和垂直兩種檢測(cè)情形下，垂直方向溫度梯度對(duì)面形檢測(cè)精度的影響，結(jié)果表明，溫度梯度對(duì)水平檢驗(yàn)光路的影響遠(yuǎn)大于垂直檢測(cè)光路[8]。另外，中科院成都光電所運(yùn)用溫度場(chǎng)理論對(duì)實(shí)心鏡面主鏡視寧度及“氣刀”的改善效果進(jìn)行了詳細(xì)的研究，提出了一種靈活多變、可操作性強(qiáng)的蜂窩鏡面溫度控制方案，這對(duì)于抑制由氣流紊亂引起的主鏡視寧度問(wèn)題具有一定指導(dǎo)意義[9]。

綜上可知，通過(guò)主動(dòng)送風(fēng)手段控制室內(nèi)溫度場(chǎng)，可以抑制氣流擾動(dòng)對(duì)光學(xué)檢測(cè)精度的影響，然而，上述研究大都基于仿真模擬，沒(méi)有根據(jù)實(shí)際大口徑、長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)具體檢測(cè)環(huán)境提出相應(yīng)的溫度場(chǎng)控制方法，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。即便部分文獻(xiàn)含有相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[7]，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，口徑較小，且構(gòu)成的自準(zhǔn)直干涉光路光程較短。實(shí)際上，這一類系統(tǒng)波前檢測(cè)過(guò)程受氣流擾動(dòng)的影響較小，并不適合分析氣流擾動(dòng)的影響。所以，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)于解決實(shí)際大口徑、長(zhǎng)焦距、多鏡面光學(xué)系統(tǒng)波前檢測(cè)過(guò)程中氣流擾動(dòng)抑制問(wèn)題的參考價(jià)值較低。

本文針對(duì)口徑為500 mm、焦距為6 000 mm的離軸三反望遠(yuǎn)鏡實(shí)際檢測(cè)光路及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件，以計(jì)算流體力學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過(guò)仿真建模提出一種利用風(fēng)扇陣列主動(dòng)送風(fēng)的室內(nèi)溫度場(chǎng)控制方法，并進(jìn)行與之對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)比較溫度場(chǎng)控制前后多組實(shí)際像差系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)(每組包含約250單次測(cè)量數(shù)據(jù))的標(biāo)準(zhǔn)差，充分驗(yàn)證本文所提出方法的有效性。本文對(duì)于抑制大口徑、長(zhǎng)焦距、多鏡面光學(xué)系統(tǒng)波前檢測(cè)過(guò)程中氣流擾動(dòng)的影響具有一定參考價(jià)值，對(duì)于提高該類型光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)精度與裝調(diào)效率具有重要意義。

2 氣流擾動(dòng)抑制機(jī)理

2.1 氣流擾動(dòng)影響波前檢測(cè)精度的原因分析

本節(jié)首先說(shuō)明空氣折射率與溫度之間的關(guān)系[11-12]，采用Birch等所提出的公式來(lái)描述不同環(huán)境條件下空氣的折射率。首先，溫度為15 ℃、壓強(qiáng)為101.325 kPa 、CO2體積混合比為4.5×10-3的干空氣的折射率ns為(適用波長(zhǎng)為0.2～2.0 μm)：

(1)

式中：λ為光波長(zhǎng)，A,B,C為特定常數(shù)。然后可得任意溫度和壓強(qiáng)下(CO2體積混合比為4.5×10-3)干空氣的折射率ntp為：

(2)

式中：p為空氣壓強(qiáng)，t為空氣溫度，D～G為特定常數(shù)。在公式(2)的基礎(chǔ)上，可繼續(xù)寫出不同濕度下空氣的折射率(本文不再贅述)。

從公式(2)中可以看出，空氣折射率與溫度密切相關(guān)。而實(shí)際光學(xué)檢測(cè)過(guò)程中，空氣溫度不均勻且處于動(dòng)態(tài)變化中，導(dǎo)致檢測(cè)光路內(nèi)空氣折射率不均勻且動(dòng)態(tài)變化，從而引入波前測(cè)量誤差。

首先，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)熱源(干涉儀、工控機(jī)以及裝調(diào)人員等)與熱沉(大地、金屬氣浮平臺(tái)以及調(diào)整架等)的存在使得室內(nèi)存在一個(gè)不均勻的溫度場(chǎng)，造成室內(nèi)空氣折射率的非均勻性。即使通過(guò)一定手段將工控機(jī)等熱源移出實(shí)驗(yàn)室(實(shí)驗(yàn)室外遠(yuǎn)程控制)，大地以及金屬氣浮臺(tái)等熱沉卻一直存在，依然會(huì)造成實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的非均勻溫度場(chǎng)，引入波前測(cè)量誤差。

其次，空氣具有熱慣性小、易流動(dòng)性的特點(diǎn)，任何的輕微擾動(dòng)都會(huì)引起空氣的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)伴隨著熱量的傳輸，這導(dǎo)致實(shí)際中室內(nèi)溫度場(chǎng)一直處于動(dòng)態(tài)變化中?？赏ㄟ^(guò)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定來(lái)降低溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)性，然而這會(huì)大大降低波前檢測(cè)的效率。實(shí)驗(yàn)室與外界熱交換無(wú)法隔絕，室內(nèi)溫度場(chǎng)難以達(dá)到理想的“穩(wěn)態(tài)”，此時(shí)干涉光路內(nèi)空氣溫度依然會(huì)存在一定的“慢漂”，影響波前檢測(cè)精度。

2.2 通過(guò)主動(dòng)送風(fēng)抑制氣流擾動(dòng)影響的機(jī)理分析

室內(nèi)溫度的非均勻性可通過(guò)主動(dòng)送風(fēng)(或稱強(qiáng)制對(duì)流)進(jìn)行改善。本節(jié)基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論對(duì)此進(jìn)行定性說(shuō)明。在流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算中包含3個(gè)基本方程式，即：連續(xù)性方程式、動(dòng)量方程式和能量方程式，分別對(duì)應(yīng)于物質(zhì)的質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律[13-14]。

2.2.1 連續(xù)性方程

由于流體為連續(xù)介質(zhì)，在研究流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，認(rèn)為此過(guò)程中流體充滿它所占據(jù)的空間。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)于任意空間固定的封閉曲面，流入與流出的流體質(zhì)量之差應(yīng)為封閉曲面內(nèi)質(zhì)量的變化量，公式描述如下：

(3)

式中：ρ為材料密度，vx，vy，vz為三個(gè)方向的速度矢量。

2.2.2 動(dòng)量方程

該方程表述作用在各質(zhì)點(diǎn)上的力之和與其動(dòng)量之間的關(guān)系，又稱為N-S方程。該方程表述為微元體內(nèi)，流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于作用在微元上的外力之和：

(4)

式中：P為壓力，η為黏性系數(shù)，J為電流密度，B為電磁場(chǎng)密度。方程右邊四項(xiàng)依次為壓力梯度、黏性力、電磁力和重力。該方程能夠比較準(zhǔn)確地描述實(shí)際流體的流動(dòng)。實(shí)際中往往利用數(shù)值方法求解此方程。

2.2.3 能量方程

能量守恒是包含有熱量交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須滿足的基本定律。該定律可表述為微元體內(nèi)能量的增加率等于進(jìn)入微元體的靜熱流量加上體積力和面力對(duì)微元體做的功：

(5)

式中：Cp為定壓比熱容，K為導(dǎo)熱系數(shù)。公式右邊四項(xiàng)依次為傳導(dǎo)的熱量、對(duì)流輻射熱量、電阻熱和化學(xué)熱。

根據(jù)動(dòng)量方程可知，主動(dòng)送風(fēng)過(guò)程首先會(huì)引起一部分空氣的快速運(yùn)動(dòng)；再由連續(xù)性方程可知，主動(dòng)送風(fēng)將會(huì)引起室內(nèi)整個(gè)空氣流場(chǎng)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)；最后，根據(jù)能量方程，溫度不同的氣流相互融合并進(jìn)行熱量傳遞，最終能夠在一定程度上提高室內(nèi)溫度的均勻性，也就相應(yīng)地提高了折射率的均勻性，降低了氣流擾動(dòng)對(duì)光學(xué)檢測(cè)結(jié)果的影響。通過(guò)主動(dòng)送風(fēng)可擾亂自準(zhǔn)直干涉光路所處的空氣溫度場(chǎng)，使得氣流擾動(dòng)對(duì)像差系數(shù)精度的影響成為一種高斯分布形式的隨機(jī)誤差；在此基礎(chǔ)上，再通過(guò)多次取平均的手段降低測(cè)量數(shù)據(jù)的不確定度，最終得到較高的測(cè)量精度。

3 基于主動(dòng)送風(fēng)的溫度場(chǎng)控制

本節(jié)針對(duì)口徑為500 mm、焦距為6 000 mm的離軸三反望遠(yuǎn)鏡檢測(cè)光路以及實(shí)際環(huán)境條件，利用建模仿真手段，提出合理的(基于主動(dòng)送風(fēng)的)溫度場(chǎng)控制方案。離軸三反望遠(yuǎn)鏡的相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 離軸三反望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)參數(shù)

Tab.1 Optical parameters of off-axis TMA telescope

參數(shù)值口徑/mm500光瞳離軸量/mm-460波長(zhǎng)/nm632.8焦距/mm6 000視場(chǎng)/(°)1.1×0.25偏視場(chǎng)/(°)-0.3

離軸三反望遠(yuǎn)鏡的自準(zhǔn)直干涉光路示意圖如圖1所示。離軸三反望遠(yuǎn)鏡、干涉儀以及平面反射鏡置于氣浮平臺(tái)之上。再考慮實(shí)際室內(nèi)測(cè)量環(huán)境的空間大小以及所具有的相關(guān)裝置(比如調(diào)整干涉儀所需的大型調(diào)整架)，室內(nèi)空氣流場(chǎng)的計(jì)算流域以及坐標(biāo)系定義如圖2所示。由于光學(xué)系統(tǒng)下方(溫度較低的)氣浮平臺(tái)與光學(xué)系統(tǒng)上方(溫度較高的)空氣產(chǎn)生的溫度梯度主要沿豎直方向，本文選擇的主動(dòng)送風(fēng)方式為水平送風(fēng)(與溫度梯度方向垂直)。與該送風(fēng)方式相對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇陣列位置已在圖2中標(biāo)出。

圖1 自準(zhǔn)直干涉光路示意圖

圖2 計(jì)算流域及坐標(biāo)系定義

然后，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)工具Fluent進(jìn)行仿真模擬[15]。其中，計(jì)算流域的尺寸為6 m(長(zhǎng))×3 m(寬)×3 m(高)，主要包括主鏡、次鏡、三鏡、干涉儀及調(diào)整架等。風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口位于計(jì)算流域——Y面上(氣浮平臺(tái)之外)，每個(gè)進(jìn)風(fēng)口的尺寸為560 mm×80 mm。計(jì)算中，入口速度為1.0 m/s、溫度為295 K，氣體橫掠光學(xué)元件、支撐結(jié)構(gòu)外表面后，從計(jì)算流域的+Y面流出。初始沿Z方向的最大溫差設(shè)為4 ℃(底部金屬臺(tái)面溫度低，上方空氣溫度相對(duì)較高)。另外，定義了3個(gè)Z向橫截面，分別為Z=1.275 m，Z=1.555 m，Z=1.835 m，如圖3所示，用于分析主動(dòng)送風(fēng)之后的溫度分布情況。

分別采用1臺(tái)風(fēng)扇、5臺(tái)風(fēng)扇、10臺(tái)風(fēng)扇和20臺(tái)風(fēng)扇橫掠全光路及主鏡截面時(shí)，三個(gè)Z向橫截面處的溫度場(chǎng)分布如圖4所示，其中虛線方框?yàn)闄z測(cè)光路所在的區(qū)域，三個(gè)橫截面內(nèi)溫差的PV值分別為0.755，0.734，0.530和0.458 ℃?？梢钥闯?，采用5臺(tái)風(fēng)扇與采用1臺(tái)風(fēng)扇時(shí)空氣溫差幾乎一致，而風(fēng)扇數(shù)量增加至10臺(tái)時(shí)，溫差能夠得到有效降低；在將風(fēng)扇數(shù)量增加至20臺(tái)時(shí)，雖然能夠繼續(xù)降低溫差，但效果已不明顯。考慮到檢測(cè)光路X方向的長(zhǎng)度有限，本文的溫度場(chǎng)控制方案采用10臺(tái)風(fēng)扇進(jìn)行主動(dòng)送風(fēng)。

圖3 后處理Z向橫截面定義示意圖

另外，中間截面(Z=1.555 m)的氣流速度場(chǎng)如圖5所示?？梢钥闯?，采用1臺(tái)或者5臺(tái)風(fēng)扇時(shí)，干涉光路內(nèi)部分區(qū)域的氣流速度仍然較慢，導(dǎo)致干涉檢測(cè)數(shù)據(jù)存在“慢漂”現(xiàn)象；而當(dāng)風(fēng)扇數(shù)量增加到10臺(tái)時(shí)，干涉檢測(cè)光路內(nèi)空氣流速較快且更為均勻。此時(shí)，氣流對(duì)波前檢測(cè)精度的影響轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N變化頻率較高的隨機(jī)誤差，通過(guò)大量測(cè)量然后取平均的手段可保證測(cè)量精度。

圖4 采用不同數(shù)量的風(fēng)扇時(shí)三個(gè)橫截面內(nèi)的溫度分布

圖5 采用不同數(shù)量的風(fēng)扇時(shí)氣流速度場(chǎng)分布

4 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證所提出氣流擾動(dòng)影響抑制方法的有效性，本文搭建離軸三反系統(tǒng)自準(zhǔn)直干涉檢測(cè)光路。將離軸三反系統(tǒng)、干涉儀以及相應(yīng)的調(diào)整機(jī)構(gòu)置于氣浮隔振平臺(tái)上，干涉儀發(fā)出的匯聚球面波經(jīng)過(guò)離軸三反系統(tǒng)之后變?yōu)槠叫泄猓俳?jīng)過(guò)平面發(fā)射鏡反射之后原路返回，構(gòu)成自準(zhǔn)直回路，如圖6所示。

圖6 離軸三反系統(tǒng)自準(zhǔn)直干涉檢測(cè)光路實(shí)物圖

然后，設(shè)置由風(fēng)扇陣列構(gòu)成的溫度場(chǎng)控制裝置。將一排風(fēng)扇(共10只，其中有3只被平面鏡擋住未在圖中顯示)置于氣浮平臺(tái)旁邊，出風(fēng)口與檢測(cè)光路水平高度一致。

在不進(jìn)行溫度場(chǎng)控制時(shí)測(cè)量多組波前像差系數(shù)。在特定失調(diào)工況下，針對(duì)某一典型像差系數(shù)(考慮到像散為離軸三反失調(diào)產(chǎn)生的主要像差類型[16-20]，本文選取第5項(xiàng)條紋澤尼克系數(shù)C5，對(duì)應(yīng)0度像散值)，本文共進(jìn)行7組測(cè)量，每組測(cè)量數(shù)據(jù)包含約250次測(cè)量值(兩次測(cè)量之間的時(shí)間間隔為5 s)，取平均值作為各組的最終測(cè)量值。注意，測(cè)量前需要關(guān)閉門窗，避免人員走動(dòng)，且穩(wěn)定較長(zhǎng)時(shí)間后再進(jìn)行測(cè)量。

在溫度場(chǎng)控制后測(cè)量多組波前像差系數(shù)。針對(duì)相同的失調(diào)情況與像差系數(shù)類型，打開(kāi)風(fēng)扇陣列電源開(kāi)關(guān)，穩(wěn)定一段時(shí)間后，同樣進(jìn)行7組測(cè)量。每組測(cè)量數(shù)據(jù)包含約250次測(cè)量值，取平均值作為各組的最終測(cè)量值。

最后，針對(duì)兩組測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比與討論。通過(guò)主動(dòng)送風(fēng)進(jìn)行溫度場(chǎng)控制，前后7組像差系數(shù)的(C5)測(cè)量結(jié)果如圖7(a)所示。其中，橫坐標(biāo)“時(shí)間序列”表示各測(cè)量值在各組內(nèi)所處的測(cè)量序號(hào)，縱坐標(biāo)為C5像差系數(shù)的測(cè)量值，單位為λ=632.8 nm。各組對(duì)應(yīng)的直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7(b)所示。兩種不同條件下各組數(shù)據(jù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，在進(jìn)行溫度場(chǎng)控制之前，7次測(cè)量值之間偏差較大，標(biāo)準(zhǔn)差為0.034λ；而進(jìn)行溫度場(chǎng)控制之后，7次測(cè)量值之間標(biāo)準(zhǔn)差很小，約為0.005λ。這充分說(shuō)明，在多次測(cè)量取平均值的條件下，利用本文方法進(jìn)行溫度場(chǎng)控制可使測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性顯著提升，說(shuō)明氣流擾動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響被有效抑制。從圖7(b)中能得到相似結(jié)論，主動(dòng)送風(fēng)后直方圖峰值位置基本一致，而主動(dòng)送風(fēng)前直方圖峰值位置存在較大變動(dòng)。

表2 溫度場(chǎng)控制前后7組測(cè)量值的均值

Tab.2 Average of aberration coefficients for 7 measurement sets with and without control of temperature field

序號(hào)溫度場(chǎng)控制前C5測(cè)量結(jié)果均值(λ=632.8 nm)溫度場(chǎng)控制后C5測(cè)量結(jié)果均值(λ=632.8 nm)1-0.274 4λ-0.129 1λ2-0.204 3λ-0.119 3λ3-0.246 0λ-0.132 5λ4-0.305 6λ-0.128 6λ5-0.276 4λ-0.130 4λ6-0.290 6λ-0.122 4λ7-0.290 3λ-0.126 1λ均值-0.269 6λ-0.127 0λ標(biāo)準(zhǔn)差0.034 2λ0.004 7λ

從圖7(a)可以看出，在沒(méi)有進(jìn)行送風(fēng)的條件下，雖然在測(cè)量之前靜候較長(zhǎng)一段時(shí)間以讓氣流趨于平穩(wěn)，但從各次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，測(cè)量結(jié)果依然表現(xiàn)為“慢漂”與“跳變”的結(jié)合(在緩慢周期性變化的基礎(chǔ)上，存在一定幅度的數(shù)據(jù)跳變)。這是因?yàn)槭覂?nèi)熱源與熱沉一直存在，且空氣熱慣性小，易流動(dòng)，任何的輕微擾動(dòng)都會(huì)引起空氣的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)伴隨熱量的傳輸，因此現(xiàn)實(shí)中的“穩(wěn)態(tài)”難以達(dá)到。

另一方面，由圖7(a)可知，在進(jìn)行溫度場(chǎng)控制之后，室內(nèi)空氣溫度場(chǎng)被攪亂，室內(nèi)存在的“空氣包”被打碎，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)隨機(jī)跳變，無(wú)“慢漂”現(xiàn)象。雖然此時(shí)數(shù)據(jù)之間存在一定的跳變，但平均值卻存在較高的穩(wěn)定性，多次測(cè)量取平均值能夠大大降低氣流擾動(dòng)的影響。

圖7 主動(dòng)送風(fēng)前后7組波像差系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)及其直方圖

本文繼續(xù)對(duì)溫度場(chǎng)控制前后各7組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示(彩圖見(jiàn)期刊電子版)。其中藍(lán)色數(shù)據(jù)為溫度場(chǎng)控制之前所有測(cè)量值，紅色數(shù)據(jù)為溫度場(chǎng)控制之后所有測(cè)量值。

從圖8(a)可以看出，溫度場(chǎng)控制之前，受氣流擾動(dòng)影響，測(cè)量數(shù)據(jù)表現(xiàn)為周期性“慢漂”與隨機(jī)“跳變”的結(jié)合，與單組分析結(jié)果相符。在該情況下，即便多次測(cè)量取均值，也不能消除氣流擾動(dòng)的影響。因?yàn)榫凳茈S機(jī)“跳變”的影響較小，但受周期性“慢漂”的影響很大。而在溫度場(chǎng)控制條件下，數(shù)據(jù)表現(xiàn)為一個(gè)固定值附近的隨機(jī)變化，多次測(cè)量數(shù)據(jù)的均值很穩(wěn)定，受氣流擾動(dòng)的影響較小。

從圖8(b)直方圖統(tǒng)計(jì)中可以看出，兩種條件下測(cè)量值(均值)之間存在系統(tǒng)性誤差，約為0.14λ。該誤差主要由光學(xué)系統(tǒng)下方冰涼臺(tái)面與系統(tǒng)上方空氣之間的溫差產(chǎn)生，無(wú)法通過(guò)多次取平均的手段消除。靜態(tài)情況下，豎直方向溫差產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差能與光學(xué)系統(tǒng)自身存在的像差疊加或補(bǔ)償，疊加或補(bǔ)償取決于系統(tǒng)自身的像差方向，疊加或補(bǔ)償?shù)牧咳Q于豎直方向溫差的大小。該系統(tǒng)誤差隨溫度分布的變化而變化，難以準(zhǔn)確標(biāo)定。而吹風(fēng)條件下，溫度場(chǎng)被擾亂，該系統(tǒng)誤差不再存在，取平均之后，各像差系數(shù)值接近真值。

從圖8(c)可以看出，溫度場(chǎng)控制之前，測(cè)量數(shù)據(jù)頻譜(除去零頻)以低頻成分為主，對(duì)應(yīng)圖8(a)中呈現(xiàn)一定周期性“慢漂”的數(shù)據(jù)成分，高頻成分含量較少；而在溫度場(chǎng)控制之后，測(cè)量數(shù)據(jù)頻譜(除去零頻)在頻域均勻分布，與白噪聲頻譜類似。該類型隨機(jī)誤差可通過(guò)多次取平均消除。

圖8 主動(dòng)送風(fēng)前后波像差系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)分析

5 結(jié) 論

氣流擾動(dòng)將引起干涉檢測(cè)光路中空氣折射率變化，引入未知波前測(cè)量誤差，這對(duì)于大口徑、長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)波前檢測(cè)精度的影響尤為嚴(yán)重。為抑制氣流擾動(dòng)影響，本文結(jié)合口徑為500 mm、焦距為6 000 mm的離軸三反望遠(yuǎn)鏡檢測(cè)光路及它所處的環(huán)境條件，基于流體力學(xué)理論，通過(guò)仿真建模提出一種利用風(fēng)扇陣列主動(dòng)送風(fēng)的室內(nèi)溫度場(chǎng)控制方法，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)溫度場(chǎng)控制前后7組實(shí)際測(cè)量像差系數(shù)(每組包含約250個(gè)單次測(cè)量數(shù)據(jù))之間的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較，結(jié)果表明，7組像差系數(shù)測(cè)量值(約250個(gè)單次測(cè)量平均值)之間的標(biāo)準(zhǔn)差由0.034λ減小到0.005λ(λ=632.8 nm)，由此說(shuō)明本方法可有效抑制氣流擾動(dòng)對(duì)于光學(xué)檢測(cè)精度的影響。

本文以真實(shí)離軸三反系統(tǒng)波前檢測(cè)過(guò)程為研究對(duì)象，所采用的分析建模方式以及主動(dòng)送風(fēng)方式對(duì)于提高非真空條件下大口徑、長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)的波前檢測(cè)精度具有重要的參考意義。需要注意的是，本方法中風(fēng)扇為等距離擺放，其送風(fēng)速度與位置并沒(méi)有經(jīng)過(guò)優(yōu)化，最終流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的均勻性有待進(jìn)一步提高。從圖7與圖8中仍能看出，加入風(fēng)扇后單次數(shù)據(jù)跳動(dòng)比較大(雖然大量取平均之后數(shù)據(jù)較穩(wěn)定)，PV值大約在0.3λ。在未來(lái)的工作中，將對(duì)風(fēng)場(chǎng)設(shè)置進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)，包括對(duì)風(fēng)扇流場(chǎng)與分布位置方案的對(duì)比研究等，從而將氣流擾動(dòng)影響抑制到更低水平。