基于光机耦合分析的天基太阳极紫外（EUV）成像仪大口径主反射镜优化设计

《Sensors》：Optimal Design of Large Aperture Primary Mirror of Spaceborne Solar EUV Imager Based on Optomechanical Coupling Analysis

　　

本文提出了一种基于光机耦合分析的参数化建模与多目标优化方法，以解决天基太阳极紫外（EUV）成像仪器中大口径主反射镜的设计优化问题。通过建立主反射镜的参数化模型，并将拓扑优化与尺寸优化相结合，系统分析了关键参数（包括镜面厚度、肋宽和轻量化孔尺寸）对镜面面形精度（RMS）和结构固有频率的影响。研究采用有限元仿真与光机耦合数据处理算法，提取了主反射镜在重力载荷下的刚体位移和面形误差，并通过灵敏度分析识别出高影响参数。优化后，在1 g重力载荷下，镜面面形在三个方向上的RMS值均优于4.5 nm，满足星载载荷要求。实验验证表明，装配后主反射镜的面形RMS仅为0.022λ（λ = 632.8 nm），系统波前误差小于0.08λ，显著优于设计规范要求的0.1λ。

空间天气变化对卫星、通信系统、电网、航空人员以及国际空间站宇航员具有重要影响，其主要原因在于太阳表面活动如耀斑和日冕物质抛射的变化。因此，太阳观测对于空间天气和自然灾害的预警至关重要。天基太阳极紫外（EUV）成像仪用于在轨实时监测太阳表面活动，通常采用同轴两反射镜卡塞格林光学系统。为提高系统分辨率与信噪比，主镜组件被设计为大口径，其结构设计优化与支撑结构设计是关键技术之一。已有研究如贝塞尔点支撑薄镜、主镜位置优化等，但针对大口径EUV太阳观测主镜的优化研究仍较少。为此，研究人员提出了一种基于光机耦合分析的大口径主镜参数化建模与多目标优化方法，并发表于《Sensors》。

研究人员建立了主镜参数化模型，结合拓扑优化与尺寸优化，系统分析了镜面厚度、肋宽、轻量化孔尺寸等关键参数对镜面面形精度（RMS）和结构固有频率的影响。通过有限元仿真和光机耦合数据处理算法，提取主镜在重力载荷下的刚体位移与面形误差，并利用灵敏度分析识别高影响参数。优化后，在1 g重力载荷下，主镜面形在三个方向的RMS值均优于4.5 nm，满足星载载荷要求。实验验证表明，装配后主镜面形RMS仅为0.022λ（λ=632.8 nm），系统波前误差小于0.08λ，显著优于设计规范要求的0.1λ。该研究为大口径空间光学主镜的优化设计提供了可行方法。

研究人员采用的主要技术方法包括：建立主镜的参数化模型，涉及镜面厚度、肋宽、轻量化孔尺寸