一种光楔式空间极高精度指向测量仪器标定装置

摘要

一种光楔式空间极高精度指向测量仪器标定装置，包括单星模拟器(3)、第一楔形镜(1)、第二楔形镜(2)，指向测量敏感器(4)的光轴与单星模拟器(3)的光轴重合；调整单星模拟器(3)在指向测量敏感器(4)上成像，根据标定精度需要确定第一楔形镜(1)旋转的步进，第一楔形镜(1)每旋转1个角度，则第一楔形镜(1)与第二楔形镜(2)整体旋转360度，直到第一楔形镜(1)旋转180度完成整个标定。本发明通过改变楔形镜楔角，将常规转动精度转换成像面上高精度的星点位移，能够实现毫角秒级指向测量敏感器的标定测试。

说明书

技术领域

本发明属于航天器有效载荷测量标校技术领域，涉及一种指向测量敏感器的标定装置。

背景技术

传统的指向测量敏感器地面标定方法是通过高精度转台和单星模拟器，以一定的转动模式进行全视场误差标定，由于转台的精度很难做到高于1″(瑞士Acutronic公司的AC3360三轴转台)，因此采用转台标定的方法最高可实现0.5″的标定残差，能够满足角秒级、亚角秒级精度指向测量敏感器的标定需求，但是对于毫角秒级指向测量敏感器的标定，采用转台标定的方式显然已经不能满足要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种极高精度的指向测量敏感器的标定装置，可以保证标定残差能够达到毫角秒量级。

本发明的技术解决方案是：一种光楔式空间极高精度指向测量仪器标定装置，包括单星模拟器、第一楔形镜、第二楔形镜，用于控制第一楔形镜能够绕着其轴线旋转180度的转动控制系统，以及用于控制第一楔形镜和第二楔形镜能够组成整体绕着整体轴线旋转360度的旋转控制系统；指向测量敏感器安装于具有俯仰、偏航微调功能的安装支架之上，指向测量敏感器的光轴与单星模拟器的光轴重合；调整单星模拟器在指向测量敏感器上成像，根据标定精度需要确定第一楔形镜旋转的步进，第一楔形镜每旋转1个角度，则第一楔形镜与第二楔形镜整体旋转360度，直到第一楔形镜旋转180度完成整个标定。

优选的，所述的第一楔形镜和第二楔形镜的楔角相同。

优选的，所述的第一楔形镜和第二楔形镜的楔角α满足关系式

优选的，所述的第一楔形镜或者第二楔形镜的楔角精度优于5″，楔角选择10度以内。

优选的，所述的第一楔形镜与第二楔形镜2的间距为300mm。

优选的，所述的第一楔形镜或者第二楔形镜的面形精度RMS至少在λ/20，λ为波长。

优选的，所述的第一楔形镜或者第二楔形镜的材料选择熔石英或者K9光学材料。

优选的，所述的单星模拟器采用LED作为光源，出射准单色光，出射光的平行度能够控制在5″以内，出射光口径满足指向测量敏感器的口径要求。

优选的，所述的单星模拟器出射光的单色性能在50nm范围内。

优选的，所述的单星模拟器的出射光的能量可调节，出射光的能量满足指向测量敏感器对恒星敏感的范围为0Mv～7Mv的灵敏度要求。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的标定装置，通过改变入射光束的角度实现不同视场星点的模拟，指向测量敏感器保持静止，能够避免产品转动过程由于质心位置相对大地的变化引起产品内部结构变形，从而引起敏感器接收的星点有微位移的情况。通过改变楔形镜楔角，两块楔形镜的转动将常规转动精度转换成像面上高精度的星点位移，能够实现毫角秒级指向测量敏感器的标定测试，也能够实现普通秒级指向测量敏感器的标定测试。

附图说明

图1为本发明标定装置的组成示意图；

图2为本发明基于双光楔标定的原理图；

图3为本发明标定过程中星点在指向测量敏感器上的运动情况示意图。

具体实施方式

本发明采用双光楔的方式进行指向测量敏感器的标定，通过将普通的旋转精度等效到敏感器像面星点的高精度位移，随着离像面中心越近，星点在像面的位移精度越高，实现了星点亚角秒精度的位移，从而完成对指向测量敏感器的高精度标定。

本发明的整套标定装置如图1所示，包含有单星模拟器3、双光楔(第一楔形镜1、第二楔形镜2)、双光楔旋转系统以及指向测量敏感器4及其安装工装。

单星模拟器3采用LED作为光源，能够出射准单色光，其出射光的能量能够满足指向测量敏感器4对恒星敏感的范围为0Mv～7Mv的灵敏度要求，并且具有能量可调节功能，模拟的恒星等效视星等为0Mv～8Mv，出射光的平行度能够控制在5″以内，出射光口径满足指向测量敏感器4的口径要求，不小于200mm，星点分划板所处的像面能够沿着光轴方向前后移动，移动范围宽于±100mm，用于测试测量敏感器4的离焦情况。

单星模拟器3出射光的单色性能应能够控制在50nm左右，光源控制在50nm范围内，则楔形镜折射率变化值不大于0.002，对测量敏感器4由于楔形镜材料折射率变化引起的星点位移情况可以忽略，中心波长在可见光范围内可调整。光源采用LED或者单色仪产生的光源，采用透射式或者反射式的平行光管。对于反射式的光学结构形式由于其不产生色偏差，因此有助于提高出射光的波前误差。

第一楔形镜1和第二楔形镜2的楔角相同，第一楔形镜1包含一个转动控制系统，可控制第一楔形镜1能够绕着其轴线旋转180度，第一楔形镜1与第二楔形镜2整体又包含一个旋转控制系统，可控制第一楔形镜1和第二楔形镜2能够组成整体绕着整体轴线旋转360度。

楔形镜材料的均匀性、透过率需要满足指向测量敏感器4的需求，面形精度RMS至少在λ/20，λ为波长，通常λ取632nm。

楔形镜材料可以选择熔石英、K9等光学材料。楔形镜的楔角精度优于5″，楔角选择10度以内，具体角度根据测量敏感器4的视场大小、需要的等效标定精度要求确定。

第一楔形镜1的转动控制系统可以采用普通的电机进行控制，实现第一楔形镜1的0°～180°的旋转，第一楔形镜1与第二楔形镜2的整体旋转通过旋转控制系统进行旋转控制，在旋转控制系统上安装有导电滑环，避免旋转过程中的导线缠绕，旋转精度优于5秒。第一楔形镜1与第二楔形镜2的间距约为300mm，导电滑环安装于第一楔形镜1与第二楔形镜2整体旋转的控制器上。

使用时提供楔角的实际测试值即可，测试精度优于0.2″可以满足要求。

指向测量敏感器4安装于安装支架之上，该安装支架具有俯仰、偏航微调功能，能够实现指向测量敏感器4的光轴与单星模拟器3的光轴重合，同时还具备调整后的锁紧功能。

平行光入射到单个楔形镜时，出射光与入射光夹角关系满足如下表达式：

式中α为楔形镜的楔角，β为出射光与入射光的夹角，n为楔形镜的折射率，I1为光线入射角，I1'为经过楔形镜靠近光源面后的出射角，I2表示入射到楔形镜第二面的角度，I2'为经过楔形镜第二面后的出射角。已知入射角I1时，则I1'、I2'均可以通过折射公式计算出。

当入射角较小时，上式可以近似成如下表达式：

β＝(n-1)α

基于上述特点，如图2所示，采用双光楔实现出射光的光路偏折，近似的得到出射光相对于入射光偏转角如下表达式

其中Φ为第二楔形镜2相对于第一楔形镜1旋转的角度，Φ的范围为0°～180°，根据该表达式可以看出，出射光偏转角范围为0°～2(n-1)α，因此可以根据指向测量敏感器4视场大小，依据该表达式确定楔形镜楔角的大小。

应用本发明的标定装置标定指向测量敏感器4的过程为：通过指向测量敏感器4上成像将标定装置调到图2a所示的状态，在该状态下，第一楔形镜1与第二楔形镜2旋转1圈能够在指向测量敏感器4像面有最大的一个圆环；根据标定精度需要确定第一楔形镜1旋转的步进，通常为0.1度，第一楔形镜1每旋转1个角度，则第一楔形镜1与第二楔形镜2整体旋转360度，直到第一楔形镜1旋转180度完成了整个标定。

图3给出了一个敏感器的标定结果示意图，从图中可以得到，在视场边缘(1.0视场)，星点探测器上圆环直径与第二楔形镜2相对第一楔形镜1的旋转角Φ相关，每个圆环上星点位置和第一楔形镜1与第二楔形镜2整体的旋转位置直接关系。从图中可以看出，在1.0视场位置处，相邻星点的距离较大，随着旋转角由0°旋转到180度，星点所处的圆环组件收缩至中心星点位置。

星点在探测器像面上的位移精度σ为：

其中，f’为指向测量敏感器4的焦距，δ为第一楔形镜1的转动控制系统或者第一楔形镜1与第二楔形镜2整体包含的旋转控制系统的旋转精度。

考虑K9玻璃(折射率n＝1.5163)，光楔楔角α＝20″，待标定指向敏感器4焦距为1100mm时，敏感器像面的探测器单像元大小为5.5μm，当Φ为接近于0时，出射光有最大偏转角度，位移精度为0.0027μm，即0.0005个像素，等效成传统标定方法转台的精度为0.0005″，当Φ为接近于180时，在像面上星点不会移动，理论上位移精度无限高，当楔角为20″时，等效的转动精度优于0.0005″，星点位置越靠近中心，星点的位移精度越高，当光楔楔角α＝2°时，当Φ为接近于0时，出射光有最大偏转角度，位移精度为0.9615μm，即0.18个像素，等效成传统标定方法转台的精度为0.18″，当Φ为接近于180时，在像面上星点不会移动，理论上位移精度无限高，当楔角为2°时，等效的转动精度优于0.18″，星点位置越靠近中心，星点的位移精度越高。

由于玻璃材料折射率跟入射波长相关，因此在整套系统使用时，需提前对楔形镜材料不同波长处的折射率进行计算或者测定。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。