在形变加载下进行成像的星敏感器指向测量仪及方法

摘要

本发明实施例提供一种在形变加载下进行成像的星敏感器指向测量仪，其中，光源(10)、星模拟器和平行光管(20)、光学成像仪(40)的中心线位于同一条轴线上；所述形变加载设备(60)，用于生成或探测由干扰因素引起的形变而产生的应力应变，并将所述应力应变通过所述试验夹具(50)加载到所述光学成像仪(40)上，所述形变而产生的应力应变的方向包括：三维坐标系的X方向、Y方向、Z方向以及分别与X方向、Y方向和Z方向成预定夹角的方向中的至少一种；所述光学成像仪(40)安装有角位移传感器(401)以及力、力矩和位移传感器(402)，用于测量上述应力应变的力矩、位移和角位移的大小，并在上述应力应变的作用下进行成像得到成像信息。

说明书

技术领域

本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种在形变加载下进行成像的星敏感器指向测量仪及方法。

背景技术

空间极高精度指向测量仪是高性能航天器的重要组成部分或工作有效载荷，可在特定光学波段对空间目标，例如恒星、行星(如地球)等天体进行观测，以获取高质量遥感信息以及目标天体的演化信息等。

毫角秒级极高精度指向测量仪精度更高，系统更加敏感。在经历大量级力学条件时，以及环境条件发生重大变化时，例如重力释放、热辐射、温度变化、装配误差等，为保证光学系统性能，极高精度指向测量仪必须具有足够好精度和稳定性。

发明内容

本发明实施例提供了一种在形变加载下进行成像的星敏感器指向测量仪及方法，以实现极高精度的指向测量。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种在形变加载下进行成像的星敏感器指向测量仪，包括：

依次固定在气浮隔振平台上的光源、星模拟器和平行光管和试验夹具，以及固定在试验夹具上的光学成像仪及形变加载设备；

所述光源、星模拟器和平行光管、光学成像仪的中心线位于同一条轴线上；

所述形变加载设备，用于生成或探测由干扰因素引起的形变而产生的应力应变，并将所述应力应变通过所述试验夹具加载到所述光学成像仪上，所述形变而产生的应力应变的方向包括：三维坐标系的X方向、Y方向、Z方向以及分别与X方向、Y方向和Z方向成预定夹角的方向中的至少一种；

所述光学成像仪安装有角位移传感器以及力、力矩和位移传感器，用于测量上述应力应变的力矩、位移和角位移的大小，并在上述应力应变的作用下进行成像得到成像信息。

该指向测量仪进一步包括：数据采集与处理装置，用于从所述光学成像仪接收并存储所述成像信息。

所述光学成像仪的角位移的分辨力大于3毫角秒，位移的分辨力大于2微米。

所述指向测量仪置放于百万级洁净度的超净实验室，且噪声低于20dB。

所述试验夹具的三向一阶频率均不小于2KHz。

所述气浮隔振平台的气压可调。

所述的星模拟器和平行光管口径为300mm，焦距为3000mm；密集星场的星点数量为2000颗，普通星场的星点数量为700颗；工作谱段为400nm～900nm；透过率变化值：Tpv≤8％。

所述气浮隔振平台的横向固有频率不大于1Hz，减振效率大于85％，振幅不大于1um，重复定位精度不大于±0.01mm，粗糙度不大于5um，粗糙度不大于0.8um。

所述形变加载设备的齿轮传动机构、涡轮涡杆机构重复定位精度不大于C7级，且承载能力不小于20KN；形变加载设备的驱动电机重复定位精度不大于5um，形变加载设备的轴承采用角接触球轴承。

所述形变加载设备安装有加载闭环反馈传感器，进一步用于根据所述闭环反馈传感器反馈的信息调整加载到所述光学成像仪上的应力应变。

本发明实施例提供一种指向测量仪在形变加载下进行成像的方法，包括：

光学成像仪从形变加载设备接收加载到其上的应力应变，其中，所述应力应变是由干扰因素引起的形变而产生的应力应变，且由所述形变加载设备生成或探测，所述形变而产生的应力应变的方向包括：三维坐标系的X方向、Y方向、Z方向以及分别与X方向、Y方向和Z方向成预定夹角的方向中的至少一种；

所述光学成像仪利用安装在其上的角位移传感器以及力、力矩和位移传感器测量上述应力应变的方向上的力矩、位移和角位移的大小；

所述光学成像仪在所述应力应变的作用下，根据所述力矩、位移和角位移的大小对光源照射星模拟器和平行光管而得到的星图进行成像；

其中，光源、星模拟器和平行光管和试验夹具，以及固定在试验夹具上的光学成像仪及形变加载设备依次固定在气浮隔振平台上；所述光源、星模拟器和平行光管、光学成像仪的中心线位于同一条轴线上。

所述光学成像仪的角位移的分辨力大于3毫角秒，位移的分辨力大于2微米。

所述指向测量仪置放于百万级洁净度的超净实验室，且噪声低于20dB。

所述试验夹具的三向一阶频率均不小于2KHz。

所述的星模拟器和平行光管口径为300mm，焦距为3000mm；密集星场的星点数量为2000颗，普通星场的星点数量为700颗；工作谱段为400nm～900nm；透过率变化值：Tpv≤8％。

所述气浮隔振平台横向固有频率不大于1Hz，减振效率大于85％，振幅不大于1um，重复定位精度不大于±0.01mm，台面平面度不大于5um，粗糙度不大于0.8um。

所述形变加载设备的齿轮传动机构、涡轮涡杆机构重复定位精度不大于C7级，且承载能力不小于20KN；形变加载设备的驱动电机重复定位精度不大于5um，形变加载设备的轴承采用角接触球轴承。

在本发明实施例中的指向测量仪中，通过依次固定在气浮隔振平台上的光源、星模拟器和平行光管和试验夹具，以及固定在试验夹具上的光学成像仪及形变加载设备；所述光源、星模拟器和平行光管、光学成像仪的中心线位于同一条轴线上；所述形变加载设备，用于生成或探测由干扰因素引起的形变而产生的应力应变，并将所述应力应变通过所述试验夹具加载到所述光学成像仪上，所述形变而产生的应力应变的方向包括：三维坐标系的X方向、Y方向、Z方向以及分别与X方向、Y方向和Z方向成预定夹角的方向中的至少一种；所述光学成像仪安装有角位移传感器以及力、力矩和位移传感器，用于测量上述应力应变的力矩、位移和角位移的大小，并在上述应力应变的作用下进行成像得到成像信息。利用本发明实施例提供的技术方案，一方面通过模拟星敏感器指向测量仪在轨运行时的工作场景，即通过形变加载设备生成多个应力应变方向上干扰因素所产生的力来模拟在轨运行环境，可以获取在多个应力应变方向上干扰因素影响下所成的图像，可以得到极高精度的指向测量，此外还可以用于指导星敏感器指向测量仪后续标定工作，进而保证星敏感器指向测量仪在轨运行时的测量精度。另一方面，可以将该星敏感器指向测量仪直接用于在轨测量，此时该形变加载设备用于探测由干扰因素引起的形变而产生的应力应变，进而根据应力应变的方向和大小进行成像，获取在多个应力应变方向上干扰因素影响下所成的图像，得到极高精度的在轨指向测量信息。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种在形变加载下进行成像的星敏感器指向测量仪的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的形变加载设备的结构示意图；

图3为本发明实施例的角位移传感器和力、力矩和位移传感器的安装示意图；

图4为本发明实施例提供的一种指向测量仪在形变加载下进行成像的方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

在本发明实施例中，为了提高空间指向测量的精度，如何通过系统形变加载，模拟极高精度仪器在重力释放、热辐射、温度变化、装配误差、胶粘剂等影响因素下引起的应力应变，在空间极高精度指向测量仪上进行单自由度或多自由度形变加载，例如六自由度形变加载，并通过高精度数据采集系统，完成敏感位置的响应测量和数据存储是至关重要的。

本发明实施例提供一种在形变加载下进行成像的星敏感器指向测量仪，如图1所示，图1为本发明实施例提供的一种在形变加载下进行成像的星敏感器指向测量仪的结构示意图。该指向测量仪包括：光源10、星模拟器和平行光管20、气浮隔振平台30、光学成像仪40、试验夹具50和形变加载设备60。

其中，光源10、星模拟器和平行光管20和试验夹具50依次固定在气浮隔振平台30上。光学成像仪40及形变加载设备60固定在试验夹具50上；

所述光源10、星模拟器和平行光管20、光学成像仪40的中心线位于同一条轴线上；

所述形变加载设备60，用于生成或探测由干扰因素引起的形变而产生的应力应变，并将所述应力应变通过所述试验夹具50加载到所述光学成像仪40上，所述形变而产生的应力应变的方向包括：三维坐标系的X方向、Y方向、Z方向以及分别与X方向、Y方向和Z方向成预定夹角的方向中的至少一种；

所述光学成像仪40安装有角位移传感器401以及力、力矩和位移传感器402，用于测量上述应力应变的力矩、位移和角位移的大小，并在上述应力应变的作用下进行成像得到成像信息。

在本发明实施例中，形变而产生的应力应变的方向可以是六个方向，即六自由度中的一个或多个。每个方向的应力应变包括来自该方向的干扰因素产生的应力应变，例如重力释放、热辐射、温度变化、装配误差等。利用本发明的技术方案可以模拟或探测来自多个方向的干扰因素产生的形变，在这些形变加载下对被测对象进行成像。进而，在后续标定中可以量化来自这些方向的干扰因素，对应对其进行补偿、标定等，以提高星敏感器的探测精度。

该指向测量仪进一步包括：数据采集与处理装置70。所述形变加载设备60包含一套执行机构和一套信号控制设备，通过线缆连接。光学成像仪40、数据采集与处理装置70通过线缆连接，进行信号传输。该数据采集与处理装置70，用于从所述光学成像仪40接收并存储所述成像信息。

形变加载设备60具有加载闭环反馈传感器，用于根据所述闭环反馈传感器反馈的信息调整加载到所述光学成像仪40上的应力应变。

图2为本发明实施例提供的形变加载设备60的结构示意图。所述的形变加载设备60包括齿轮传动机构601、涡轮涡杆机构(602、603、605)、驱动电机604、轴承606、信号反馈装置607以及信号控制设备608。如图2所示，均通过钛合金螺钉连接固定，以保证超高稳定性。

所述的光源10、星模拟器光管20、光学成像仪40中心线位于同一条轴线上。

所述的空间极高精度指向测量仪40分别有力、力矩和位移传感器402；所述的空间极高精度指向测量仪40的光学元件上有角位移传感器401；所述的试验夹具50分别有力、力矩和位移传感器(501和502)，如图3所示，图3为本发明实施例的角位移传感器和力、力矩和位移传感器的安装示意图。

所述的角位移传感器401质量不大于10克，分辨力优于3毫角秒，即大于3毫角秒，量程0-100毫角秒；所述位移传感器，分辨力优于2微米。

所述的试验夹具50三向一阶频率均不小于2KHz；所述的气浮隔振平台30具备气浮隔振能力，气压可调，且横向固有频率不大于1Hz，减振效率大于85％，振幅不大于1um，重复定位精度不大于±0.01mm，台面平面度不大于5um，粗糙度不大于0.8um。在本发明实施例中，光源10、星模拟器和平行光管20、光学成像仪40、试验夹具50以及形变加载设备60均固定在气浮隔振平台30上，零刚度支撑组件保证了指向测量仪在航天器姿态机动时的指向保持和稳定性。

所述的星模拟器和平行光管20口径300mm，焦距3000mm，星点数量：密集星场：2000颗，普通星场：700颗；工作谱段：400nm～900nm；透过率变化值：Tpv≤8％；

所述的形变加载设备60具备六自由度形变加载能力，齿轮传动机构601、涡轮涡杆机构(602、603、605)重复定位精度C7级以上，承载能力不小于20KN；驱动电机604重复定位精度不大于5um，轴承606均采用角接触球轴承以保证轴向稳定性。

该指向测量仪置放于超净实验室中，例如百万级洁净度，噪声低于20dB。

图4为本发明实施例提供的一种指向测量仪在形变加载下进行成像的方法的流程示意图。该包括：

步骤401，光学成像仪40从形变加载设备60接收加载到其上的应力应变。其中，所述应力应变是由干扰因素引起的形变而产生的应力应变，且由所述形变加载设备60生成或探测，所述形变而产生的应力应变的方向包括：三维坐标系的X方向、Y方向、Z方向以及分别与X方向、Y方向和Z方向成预定夹角的方向中的至少一种。

步骤402，所述光学成像仪40利用安装在其上的角位移传感器401以及力、力矩和位移传感器402测量上述应力应变的方向上的力矩、位移和角位移的大小。

步骤403，所述光学成像仪40在所述应力应变的作用下，根据所述力矩、位移和角位移的大小对光源10照射星模拟器和平行光管20而得到的星图进行成像。

其中，光源10、星模拟器和平行光管20和试验夹具50，以及固定在试验夹具50上的光学成像仪40及形变加载设备60依次固定在气浮隔振平台30上；所述光源10、星模拟器和平行光管20、光学成像仪40的中心线位于同一条轴线上。

在本发明实施例中，所述光学成像仪40的角位移的分辨力大于3毫角秒，位移的分辨力大于2微米。

在本发明实施例中，所述指向测量仪置放于百万级洁净度的超净实验室，且噪声低于20dB。

在本发明实施例中，所述试验夹具50的三向一阶频率均不小于2KHz。

在本发明实施例中，所述的星模拟器和平行光管20口径为300mm，焦距为3000mm；密集星场的星点数量为2000颗，普通星场的星点数量为700颗；工作谱段为400nm～900nm；透过率变化值：Tpv≤8％。

在本发明实施例中，所述气浮隔振平台30横向固有频率不大于1Hz，减振效率大于85％，振幅不大于1um，重复定位精度不大于±0.01mm，台面平面度不大于5um，粗糙度不大于0.8um。

在本发明实施例中，所述形变加载设备60的齿轮传动机构601、涡轮涡杆机构(602、603、605)重复定位精度不大于C7级，且承载能力不小于20KN；形变加载设备60的驱动电机604重复定位精度不大于5um，形变加载设备60的轴承606采用角接触球轴承。

本发明实施例提供了一种在形变加载下进行成像的星敏感器指向测量仪及方法。该指向测量仪是具备反馈能力的多自由度形变加载设备。该方案可以有效模拟极高精度指向测量仪多自由度形变问题，零刚度支撑组件保证了光学成像仪在航天器姿态机动时的指向保持和稳定性，解决了多自由度形变加载及测量问题。

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。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。