CN102265201B - 具有用于光学器件的主动控制的装置的空间光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空间观测光学系统，包括主反光镜、次反光镜(4)、包含主反光镜的支撑底座(1)、以及光学测量装置，在所述支撑底座(1)上设置有支撑所述次反光镜(4)的支架(3)的机械结构(2)，所述机械结构(2)包括多个机械臂(21至26)。所述系统还具有包括位于所述支撑底座(1)的水平面上的多个致动器(51至56)的系统(5)，所述致动器连接到所述机械臂(21至26)的下端，所述机械臂的上端连接到所述次反光镜的支架(3)的周边。本发明是用于装载在运载火箭上并置于轨道内的空间望远镜。本发明特别用于包括可展开的次反光镜和用于光学器件的主动控制的装置的望远镜。

Description

具有用于光学器件的主动控制的装置的空间光学系统
技术领域
本发明涉及一种用于空间观测的光学系统，更具体而言，涉及一种用于装载在航天器上并且在空间展开的光学观测系统。
背景技术
这里，用于空间观测的光学系统是指能够获得高分辨率图像的望远镜，所述高分辨率图像用于从空间观测地球或者用于深空观测。这些望远镜例如是卡塞格伦、格雷果里、Korsch、Ritchey-Chretien或者牛顿望远镜等。空间望远镜的光学检测器必须能够记录亮度很低的星体的图像，这通常需要在光学系统的稳定性能所设置的限制下保证曝光次数。这些应用要求使用具有更大尺寸和更高性能的空间观测系统。
空间望远镜用于安装在卫星上，卫星将被置于轨道内。目前，望远镜被设计为能够承受卫星被发射到太空中时起飞阶段的振动，以及随后的热弹性轨道应力，而不需要显著修改在地面上执行的光学调节。这些限制导致设计出采用特异材料、超稳定连接以及超精确温控系统的高鲁棒性结构。这种结构设计导致重量大、成本高。
此外，在不久的将来，未来观测系统的采集表面要求说明它们的结构应该是可展开的。上述望远镜包括主反光镜、与主反光镜分开选定距离的次反光镜、以及包含主反光镜的支撑底座，支撑底座上设置支撑次反光镜的支架的机械结构。可展开结构是指这样的结构：在第一配置中，次反光镜可位于靠近或接触支撑底座的位置，在第二配置中，次反光镜可与主反光镜分开。通过这种结构，可以减小将卫星从地面运输到其飞行轨道上时卫星的体积，从而可以在运载火箭上装载更多颗卫星。但是，对于这样的结构，必须构思能够在飞行中执行光学调节的系统。
为此，具有用于机械调节和校正的系统的望远镜已被开发，所述系统包括位于次反光镜的接口处的六角台。该六角台包括致动器系统、致动器和供电电缆的控制系统。该方案涉及也是可展开的致动器和供电电缆。例如，已知美国专利US6,477,912描述了一种用于控制诸如望远镜次反光镜的板的机械系统。
用于校正的主动控制系统通常使用波前重建算法。例如，美国专利US4,309,602描述了一种用于光学系统的控制方案，其采用例如基于相位差的波前重建算法。
图1显示了现有的空间望远镜的简化图，该空间望远镜具有主反光镜和次反光镜106。主反光镜(未显示)位于支撑底座100上，次反光镜106由不可展开且固定的第一机械结构110以及第二机械结构支撑，第一机械结构110包括三对机械臂101并用于分开次反光镜与主反光镜，第二机械结构包括连接次反光镜106与板107的机械元件103。通过致动器102由移动板107来改变次反光镜的位置。板107、次反光镜106、致动器102和第二机械结构形成能够改变次反光镜的位置的六角台结构120。六角台还包括用于供电、控制等功能的电气系统。后一种方案虽然能校正次反光镜的位置和方向，但是其增大了远离光学系统的重心处的质量。这种配置降低了系统的灵活性，降低了望远镜的第一自然模式的振动频率。此外，次反光镜处质量的增大要求增大结构的刚度，以便能够承受起飞阶段的加速度，因此增大了结构的质量。
INRIA(国家情报与自动化研究协会)的法国专利2628670已知描述了用于机器人领域、特别是用于机器人手部设计或者飞行模拟器设计的铰接设备。该铰接设备具有高定位精度。
发明内容
本发明的目的是克服上述方案的缺陷，并提供一种具有用于光学器件的主动控制的装置的光学系统，所述光学系统的范围更广、性能更好并且能够承受空间使用中的应力。
更具体而言，本发明涉及一种光学空间观测系统，至少包括主反光镜、次反光镜、包含主反光镜的支撑底座、以及光电测量装置，在所述支撑底座上设置有支撑所述次反光镜的支架的机械结构，所述机械结构包括多个机械臂和捕获通过所述光学空间观测系统获得的图像的所述光电测量装置，根据本发明的光学空间观测系统的特征在于：
所述光学空间观测系统具有计算装置，其基于所述光电测量装置传输的数据计算用于校正所述次反光镜的定位的数据，
所述光学空间观测系统还具有包括位于所述支撑底座上的多个致动器的系统，所述致动器连接到所述机械臂的下端，所述机械臂的上端连接到所述次反光镜的支架的周边，
通过致动器在平移路径上根据所述校正数据移动所述机械臂的下端来调节所述次反光镜的定位。
在校正阶段过程中，所述机械臂的长度是恒定的，所述次反光镜固定在其支架上。
本发明是有利的，因为作为用于望远镜的光学器件的主动控制系统的电子和机械装置的部件位于支撑底座上。因此质量主要分布在底座上，因此重心降低。
在第一实施例中，支撑次反光镜的支架的机械结构是可展开结构，因此在第一配置中，反光镜的支架直接放置在支撑底座上，在第二配置中，反光镜的支架与支撑底座分开。
由于反光镜结构在次反光镜处不再具有致动器的系统，因此该方案利于使用具有次反光镜的可展开结构的望远镜结构，因为可以在更少的维度稳定性限制下设计机械结构。这是因为望远镜的调节是在轨道内执行的。有利地，因为支撑次反光镜的结构的质量更小，所以光学系统表现出更高的灵活性。
还可以提高空间望远镜的维度，从而能够设计性能更高的光学系统。
有利地，空间望远镜可以安装在航天器中，当所述系统安装在所述航天器中时，所述机械结构被配置在所述第一位置，当所述系统处于观测模式时，所述机械结构被配置在所述第二位置。可展开结构减小了光学系统的体积，因此能够在航天器中运输更多个系统。
在第二实施例中，机械结构是不可展开结构。由于控制次反光镜的电子器件和机械部件位于支撑底座上，因此用于次反光镜的支架的望远镜的上部可以容易地调节到支撑底座。
在上述两个实施例中，本发明的优点在于，与主动控制系统位于次反光镜处的方案相比，所述机械结构使得光学系统的设计和开发更灵活。具体而言，所述方案能够使用具有可展开或不可展开的次反光镜的结构。支撑底座构成用于次反光镜支架的标准化机械底座。
在优选实施例中，致动器系统具有平移轴垂直于所述支撑底座的上平面的致动器。致动器的系统具有分布在支撑底座的周边上的六个致动器，以便以六个自由度移动所述次反光镜的支架。对于本实施例，支撑反光镜的支架的机械结构具有六个机械臂，机械臂的长度大约等于一米。
对于根据本发明的自动校正空间望远镜的制造，所述光学测量装置、所述计算装置和致动器的系统构成用于校正所述次反光镜的定位的主动控制链，以便调节所述光学系统的观测配置。
优选地，所述计算装置通过波前重建算法来编译所述次反光镜的定位校正，致动器的系统和支撑次反光镜的支架的机械结构构成用于引入测量图像上的缺陷的机械装置。船上主动控制系统基于望远镜图像测量值来确定在给定位置要提供的定位校正。本发明避免使用耦合到结构的气象监测系统。这可以简化望远镜的系统，降低成本和质量。
附图说明
通过阅读以下以非限制性方式并且参考附图给出的描述，可以更好的理解本发明，本发明的其他优点也会显而易见，其中：
图1显示用于自动校正的空间望远镜的现有方案的简化图，该空间望远镜在次反光镜处具有用于控制次反光镜的六角台。
图2显示用于具有主反光镜和次反光镜的望远镜的六角台的机械结构和致动器系统的优选实施例的简化图。为清楚起见，没有显示望远镜的其他元件。次反光镜位于致动器具有相同配置的第一位置。
图3显示相同的机械结构和致动器系统的简化结构，其中次反光镜位于第二位置。控制致动器使其位于不同的配置中。图中致动器的移动值范围的表示也是简化表示。
图4显示相同的机械结构的简化图。该机械结构是可展开的，并且显示系统位于次反光镜直接放置在支撑底座上的位置。
具体实施方式
本发明的目的是能够减小空间望远镜型光学系统的质量，以及提高光学系统的灵活性，特别是对于具有可展开的次反光镜的光学系统而言。但是，本发明不限于具有可展开的机械结构的光学系统。特别地，本发明的一个优点是光学系统、形成标准机械和控制元件并且其上安装有支撑次反光镜的结构的支撑底座的设计柔性。
为此，参考图2和3进行描述的本发明涉及一种具有主反光镜和次反光镜4的高分辨率空间望远镜的机械结构。
图2显示空间望远镜的机械结构的简化图，其中次反光镜位于默认位置。控制反光镜的定位的每个致动器都处于相同的停止位置。为清楚起见，没有显示主反光镜，其位于支撑底座1的上平面中。次反光镜4的支架3被机械结构2支撑在支撑底座1上，所述支撑底座1能够通过垂直于支撑底座1的上平面执行平移运动的致动器系统5控制次反光镜4的定位。致动器系统5具有分布在支撑底座的周边上的六个致动器。在机械结构的每个臂21至26的下端执行运动。
当卫星位于轨道中时，在空间光学系统的操作阶段中，所述操作阶段包括观测阶段和通过改变次反光镜的定位来校正观测的阶段，机械臂21至26的长度是恒定的。次反光镜必须距离主反光镜足够远，以便图像的焦平面对应于光电测量装置的图像检测装置的检测平面。优选地，操作配置中的机械臂的长度为大约一米。如果机械结构2是可展开的，则在使光学系统进入操作状态的阶段中，所述臂的长度可以变化。该阶段通常发生在卫星已经从运载火箭分离并且进入轨道之后。如果卫星没有可展开的次反光镜结构，则无论处于哪一操作阶段，臂的长度都相等。机械结构2的展开实施例的选择并不限制本发明的范围。
支撑底座1还包括用于望远镜的光学器件的主动控制的系统。为清楚起见，附图没有显示电子计算和控制装置。光学测量装置、计算装置和致动器系统5构成用于校正反光镜4的定位的主动控制链，以便调节空间望远镜的观测配置。光电测量装置通常包括高分辨率电子传感器，例如CCD型(电荷耦合器件)的电子传感器。这些传感器位于望远镜的焦平面中。计算装置执行图像处理操作，基于图像处理操作来编译用于校正次反光镜4的定位的数据。
在另一个实施例中，光学系统包括用于控制次反光镜的电子器件和装置，而计算装置位于地面上。携带光学系统的卫星还具有与地面进行通信的装置，以便接收校正数据。
优选地，用于计算次反光镜的定位校正的图像处理功能基于波前重建算法。另一个非限制性实例是相位差算法。背景技术部分提到的文献描述了通过波前分析进行计算的方法。相位重建包括通过使用数值反演方法来提取关于仪器的光学像差的信息，所述光学像差包含在图像中。有多种方法和硬件配置可执行该计算。
现在回忆通过波前分析编译校正的原则。该原则包括通过次反光镜的定位缺陷对图像的影响来估计次反光镜的定位缺陷。基于在设计光学系统时确定的系统的光学敏感性矩阵，可知次反光镜的失准对图像中检测到的像差的影响。通过对图像应用逆矩阵，可知图像到焦平面的距离，能够重新获得次反光镜的失准的估计，从而可以进行校正估计。
为了测量具有由于与焦平面失准而引起的缺陷的图像，通过额外的机械装置(例如用于移动图像检测器的装置)或者通过引入额外的光学板或通过移动次反光镜引入这些缺陷。优选地，本发明通过将反光镜移动到在记录图像上引入缺陷的已知位置来编译次反光镜的定位校正。但是，引入图像上的缺陷的方法并不限制本发明的范围和实质。
通过相位差方法，可以以迭代的方式调节次反光镜的定位，以便接近最优观测位置。在运载火箭的起飞阶段之后执行测量图像以及校正次反光镜的定位的方法，但是当遇到结构和/或其材料的老化的现象时，也可以在飞行中多次执行所述方法以便保证望远镜的最优性能。
图3显示处于以下配置中的光学系统的简化图，即反光镜失准从而测量装置上检测到的图像具有缺陷。通过位于支撑底座1上的致动器51至56的平移运动来改变次反光镜的定位。每个致动器垂直于支撑底座1的上平面移动机械臂的下端。机械臂下端的移动值范围是大约几厘米。机械结构2包括机械臂21至26，每个机械臂在其一端包括枢轴连接或旋转连接，在其另一端包括旋转连接，这些旋转连接一方面将机械臂结合到次反光镜的支架3，另一方面将所述机械臂结合到支撑底座的致动器。可以以多种方式形成所述连接：通过使用诸如万向节、滚动轴承、轴承元件的元件，以及通过使用柔性元件或者利用臂本身的柔性。臂的长度保持恒定。该机械结构能够以六个自由度移动次反光镜的方向。
编译用于定位次反光镜的校正数据的计算装置将这些校正传输到致动器系统5的控制系统。控制系统将用于定位次反光镜的校正数据转换为每个致动器51至56的控制数据，所述致动器执行机械臂底座的高度定位修改。致动器的控制规则的目的是将用于定位次反光镜的指令转换为致动器51至56的高度定位。
用于控制光学器件的电子器件和机械装置位于支撑底座上。支撑次反光镜4的辅助结构2和3优选地设计有具有以下特征的机械元件，即如果在轨道上执行光学调节，则与在地面上进行调节的机械结构相比，所述机械元件具有低被动维度稳定性要求。一旦位于轨道中，该结构不承受强机械应力。后一结构还更灵敏，改变所述结构的配置所需的能量也较小，而且移动更精确。总之，通过使致动器系统位于支撑底座上，光学系统具有以更高的精度和校正效率执行次反光镜的定位的自动校正的系统。
图4显示了支撑可展开反光镜的支架的机械结构，在第一位置，次反光镜的支架直接放置在支撑底座1上。空间望远镜安装在航天器内部，当系统安装在所述航天器内部时，机械结构被配置在所述第一位置。可展开结构减小光学系统的体积，因此能够在运载火箭中运输更多个系统。
本发明特别用于具有光学器件的主动控制的空间望远镜。所述的仅仅作为例子的控制次反光镜的算法基于利用相位差的波前重建算法。但是，本发明包括本领域技术人员可以预见的所有变化例，其不背离权利要求的范围。
优选地，本发明还涉及具有可展开的次反光镜的望远镜，但是不限于这种结构。

Claims (9)

1.一种光学空间观测系统，至少包括主反光镜、次反光镜(4)、包含主反光镜的支撑底座(1)、以及光电测量装置，在所述支撑底座(1)上设置有支撑所述次反光镜(4)的支架(3)的机械结构(2)，所述机械结构(2)包括多个机械臂(21至26)和捕获通过所述光学空间观测系统获得的图像的所述光电测量装置，所述光学空间观测系统的特征在于：
所述光学空间观测系统具有计算装置，其基于所述光电测量装置传输的数据计算用于校正所述次反光镜的定位的数据，
所述光学空间观测系统还具有包括位于所述支撑底座(1)上的多个致动器(51至56)的系统(5)，所述致动器连接到所述机械臂(21至26)的下端，所述机械臂的上端连接到所述次反光镜的支架(3)的周边，
通过致动器(51至56)在平移路径上依据所述校正数据移动所述机械臂(21至26)的下端来调节所述次反光镜(4)的定位，所述光电测量装置、所述计算装置和所述致动器的系统(5)构成用于校正所述次反光镜(4)的定位的主动控制链，以便调节所述光学系统的观测配置，以及
在校正阶段过程中，所述机械臂(21至26)的长度是恒定的。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算装置通过波前重建算法来编译所述次反光镜(4)的定位校正。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述致动器的系统和支撑所述次反光镜的支架的所述机械结构构成用于引入所述测量图像上的缺陷的机械装置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，支撑所述次反光镜(4)的支架(3)的所述机械结构(2)是可展开结构，从而在第一配置中(图4)，所述次反光镜的支架直接放置在所述支撑底座(1)上，在第二配置中(图3)，所述次反光镜的支架与所述支撑底座分开。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统安装在航天器中，当所述系统安装在所述航天器中时，所述机械结构被配置在所述第一位置(图4)，当所述系统处于观测模式时，所述机械结构被配置在所述第二位置(图3)。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述致动器的系统(5)具有平移轴垂直于所述支撑底座(1)的上平面的致动器(51至52)。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述致动器的系统(5)具有分布在支撑底座(1)的周边上的六个致动器(51至56)，以便以六个自由度移动所述次反光镜(4)的支架(3)。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，支撑所述次反光镜(4)的支架(3)的所述机械结构(2)具有六个机械臂(21至26)。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述次反光镜(4)固定在所述支架(3)上。
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