太赫兹/远红外-亚毫米波望远镜天线温度保型优化设计理论与方法研究

A common problem in the terahertz telescope antenna is coupling major subsystems that have different CTEs or are at different temperatures. It remains challenging in the terahertz telescope to compensate for the coupling major subsystems distortions that affect accuracies of the main surface and the pointing of the antenna. We propose to develop an optimal theory of thermal homology of the terahertz telescope antenna. The theory allows us to address the following: 1) the influence of the complicated structural & environmental factors on the thoery model of the thermal homology structure of the terahertz telescope antenna.The restricted relations between the thermal homology structure and the factors of structure & environment will be obtained.The advanced scientific and effective design idea of thermal homology structure will be developed to overcome the stiffness defectiveness. 2) the analysis, design and global optimization method. The method enables us to improve the compatibility between the thermal homology structure and inherent subsystems of the terahertz telescope antenna. 3)development and experiments of the prototype of the thermal homology structure. The research outputs of this proposal will advance the theory for precise design of the terahertz telescope antenna, and essentially stimulate the developments of DATE5, CST and the large-aperture terahertz telescope for dome A, Antarctica.

太赫兹望远镜天线子结构系统连接处因材料热膨胀系数差异而发生复杂热形变耦合，消除热形变耦合对天线面形精度和指向精度的影响是当前太赫兹天线技术中难题之一。本研究项目拟基于温度保型理论以及联合该理论的提出者，开展太赫兹望远镜天线的温度保型优化设计理论与方法研究，包括以下的内容：1）建构温度保型结构数学理论模型，揭示复杂的结构因素和环境因素对温度保型结构的影响规律，归纳出克服温度保型结构刚度缺陷的有效先进设计理念。2）发展太赫兹望远镜天线整体性能全局优化法，进而提高温度保型结构与望远镜固有结构系统之间的兼容性。3）试制温度保型结构样件，掌握温度保型结构研制关键技术。本研究项目的研究成果有助于发展可以用来指导高性能太赫兹望远镜天线设计理论与方法, 对DATE5、CST和南极大口径太赫兹望远镜研制有重要的意义。

亚毫米波望远镜天线各子结构因温度或材料差异，在连接处会发生复杂的 热形变耦合，将会对亚毫米波望远镜天线反射面精度和指向精度带来严重影响。消除热形变耦合对天线面形精度等性能影响是当前亚毫米波望远镜天线技术研究中重要难题之一。围绕该难题，本项目从亚毫米波望远镜天线结构设计需求出发，推导出结构温度(热)保型设计数学模型，为结构热保型设计提供了理论依据；独立建构了1.2米亚毫米波望远镜、南极5米太赫兹望远镜（DATE5）、加州理工学院CSO(CST或LCT)10.4米亚毫米波望远镜等多种不同口径亚毫米波望远镜天线三维参数化有限元模型，针对它们天线子结构系统因温度或材料差异而产生复杂热形变耦合问题开展了深入研究，基于零阶优化算法、一阶优化算法、遗传算法、拓扑优化法提出了对不同口径不同热保型结构设计的天线结构优化法，发展了亚毫米波望远镜天线整体性能优化方法，归纳出了克服温度保型结构刚度缺陷先进设计理念，提高了热保型结构与望远镜固有结构系统之间的兼容性，得到了较为满意设计结果。同时，课题以1.2米亚毫米波望远镜为重点开展了热保型结构试制和实验研究，验证了理论设计优化结果，掌握了温度保型结构构件设计与研制技术。另外，本项目还开展了大型亚毫米波望远镜整体设计、亚毫米波相位自适应稳定系统实验、主动光学和自适应光学等研究工作，取得丰硕的研究成果。. 本项目研究成果以项目负责人为第一作者或通讯作者发表在国际天线领域TOP期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation和国际光学领域TOP期刊Optics Express等权威SCI期刊上共11篇，发明专利7项，软件著作权2项。相关研究工作得到了本领域同行专家高度肯定，项目负责人2022年入选江苏省高层次人才（中青年学术技术带头人），获2022年江苏省天文学会科学技术奖二等奖（排名第一），2020年江苏省科学技术奖（排名第一），中国科学院青促会会员，2020年度南京市中青年优秀人才等奖励和荣誉。同时培养了多名博士生和硕士生。超额完成预定的研究任务。