CN106066239A - 基于导星的大型望远镜现场装调检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
基于导星的大型望远镜现场装调检测装置及方法属于光学装调检测技术领域，目的在于解决现有技术存在的可靠性差以及恒星目标不能满足光学系统装调检测对光源稳定性要求的问题。本发明的装置包括高性能激光器、激光扩束望远镜、精密指向镜和波前传感器；所述波前传感器位于被检测大型望远镜焦点后方；所述高性能激光器发出的激光光束经激光扩束望远镜扩束后经精密指向镜反射至距离地面100km的钠原子层，激发钠原子共振得到钠激光导星，钠激光导星星点进入到波前传感器的探测器视场中心；经所述精密指向镜反射的激光光轴和所述被检大型望远镜视轴平行，钠激光导星星点进入被检大型望远镜光学系统的视场。
Description
技术领域
本发明属于光学装调检测技术领域，具体涉及一种基于导星的大型望远镜现场装调检测装置及方法。
背景技术
大型光学望远镜研制过程中，对光学系统的装调、检测以及后期的系统性能评价等是一项极其重要的工作，直接影响到望远镜的性能。目前小型望远镜的光学装调检测多是在室内完成，一般采用如干涉测量法、刀口阴影法、星点法等。但随着光学口径的逐渐增大尤其达到2m以上，望远镜口径大、焦距长，传统的室内装调检测方法不再适用。
国内外通常采用五棱镜、子孔径拼接检测、外场恒星哈特曼检测等方法。前两者实施难度大，可靠性差。外场恒星是一个较为理想的光源，但由于地球的自转，恒星目标会发生运动，即使最为稳定的北极星，运动范围也达到1′以上。而大型望远镜的视场通常只有1′-2′，在装调阶段控制系统尚不具备跟踪能力，因此恒星目标不能满足光学系统装调检测对光源稳定性的要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于导星的大型望远镜现场装调检测装置及方法，解决现有技术存在的可靠性差以及恒星目标不能满足光学系统装调检测对光源稳定性要求的问题。
为实现上述目的，本发明的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置包括高性能激光器、激光扩束望远镜、精密指向镜和波前传感器；
所述波前传感器位于被检大型望远镜焦点后方；
所述高性能激光器发出的激光光束经激光扩束望远镜扩束后经精密指向镜反射至距离地面100km的钠原子层，激发钠原子共振得到钠激光导星，钠激光导星星点进入到波前传感器的探测器视场中心；
经所述精密指向镜反射的激光光轴和所述被检大型望远镜视轴平行，钠激光导星星点进入被检大型望远镜光学系统的视场。
所述装调检测装置还包括可移动载车，所述可移动载车包括载车平台、载车移动支撑架和载车升降支撑架；所述载车移动支撑架和载车升降支撑架固定在载车平台下端面，所述高性能激光器、激光扩束望远镜和精密指向镜设置在所述载车平台的上端面。
所述可移动载车和所述被检大型望远镜之间的距离根据波前传感器子孔径视场和波前提取精度要求确定。
所述高性能激光器产生的中心波长和钠原子的D2谱线共振频率一致。
所述激光扩束望远镜为光学透镜构成的开普勒式光学系统，包括前扩束镜片和后扩束镜片，高性能激光器发出的激光依次经前扩束镜片和后扩束镜片进行扩束。
所述精密指向镜包括平面反射镜、精密指向跟踪架、伺服控制器和伺服控制计算机；所述平面反射镜固定在所述精密指向跟踪架上，通过所述伺服控制计算机和伺服控制器共同控制精密指向跟踪架转动。
所述波前传感器采用哈特曼波前探测器，由带微透镜阵列的高灵敏度CCD相机、图像采集卡和图像采集计算机组成，带微透镜阵列的高灵敏度CCD相机和图像采集卡之间通过标准接口数据线连接，图像采集卡和图像采集计算机之间采用PCI接口插接。
基于导星的大型望远镜现场装调检测方法包括以下步骤：
步骤一：将可移动载车移动至被检大型望远镜附近并锁死，可移动载车和被检大型望远镜之间的距离满足波前传感器的探测器子孔径内观测到的导星光斑不产生拉长效应；
步骤二：启动高性能激光器，发出口径为2mm-3mm的激光束；所述激光束经激光扩束望远镜扩束至口径为20mm-50mm的激光束；并进入精密指向镜的平面反射镜内；
步骤三：调整精密指向跟踪架的俯仰轴和方位轴，使经平面反射镜反射出的激光光轴和被检大型望远镜视轴平行；
步骤四：经所述平面反射镜反射的激光束激发距离地面100km的钠原子共振得到钠激光导星，所述钠激光导星星点进入到被检大型望远镜光学系统并进行汇聚，并在焦点后方进入波前传感器的探测器视场中心；
步骤五：图像采集计算机采集图像数据；
步骤六：根据步骤五中获得的图像数据，通过波前复原算法计算得到波前畸变，即为被检大型望远镜光学系统的像差；
步骤七：根据步骤六中获得的被检大型望远镜光学系统的像差调整被检大型望远镜的主反射镜和次反射镜之间的相对位置，重复步骤二到步骤六，直到被检大型望远镜光学系统像差满足误差要求。
所述高性能激光器产生的中心波长和钠原子的D2谱线共振频率一致。
所述高性能激光器发出的激光束经激光扩束望远镜扩束至口径为20mm-30mm的激光束。
本发明的有益效果为：本发明的装调检测装置包括发射端和接收端两个部分。其中发射端的高性能激光器、激光扩束望远镜和精密指向镜均安装于可移动载车上的载车平台上，高性能激光器发出的光经过扩束和反射后，在大气层内激发钠激光导星，其后向散射光返回地面，进入被检大型望远镜。接收端为波前传感器，安装于望远镜焦点后方适当位置，对接收光的波前进行探测。
本发明的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置及方法采用高性能激光器在距地面100km左右的大气层内激发一个人造点光源，该点光源不随地球转动而移动，可非常稳定地停留在被检大型望远镜视场内，并且可根据被检大型望远镜不同装检阶段视轴方向不同而即时调整发射指向角。可靠性高，可以满足光学系统装调检测对光源稳定性的要求。本发明可有效解决以下问题：米级以上的标准平面反射镜研制成本高、研制难度极大；由于地球自转，恒星目标发生运动，而望远镜装调阶段时其控制系统尚不具备跟踪能力，无法使用恒星作为点光源。因此，本发明作为一种全新的大型望远镜装调检测手段，可有效弥补大型望远镜研制过程中相关设备的缺乏。
附图说明
图1为本发明的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置的工作原理图；
图2为本发明的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置的高性能激光器的组成结构图；
图3为本发明的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置的精密指向镜的组成结构图；
图4为本发明的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置的波前传感器的组成结构图；
图5为本发明的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置的可移动载车组成结构图；
图6为典型的反射式大型望远镜主光学系统；
图7为本发明的基于导星的大型望远镜现场装调检测方法流程图；
其中：1、高性能激光器，2、激光扩束望远镜，3、精密指向镜，4、可移动载车，5、前扩束镜片，6、后扩束镜片，7、钠激光导星，8、被检大型望远镜，9、波前传感器，10、激光器头，11、冷却水箱，12、电源箱，13、波长控制计算机，14、钠原子定标稳频机，15、平面反射镜，16、精密指向跟踪架，17、伺服控制器，18、伺服控制计算机，19、带微透镜阵列的高灵敏度CCD相机，20、图像采集卡，21、图像采集计算机，22、载车平台，23、载车移动支撑架，24、载车升降支撑架，25、主反射镜，26、次反射镜，27、第三反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1，本发明的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置包括高性能激光器1、激光扩束望远镜2、精密指向镜3和波前传感器9；
所述波前传感器9位于被检大型望远镜8焦点后方；
所述高性能激光器1发出的激光光束经激光扩束望远镜2扩束后经精密指向镜3反射至距离地面100km的钠原子层，激发钠原子共振得到钠激光导星7，钠激光导星7星点进入到波前传感器9的探测器视场中心；
经所述精密指向镜3反射的激光光轴和所述被检大型望远镜8视轴平行，钠激光导星7星点进入被检大型望远镜8光学系统的视场。
参见附图2，所述高性能激光器1包括激光器头10、电源箱12、冷却水箱11、波长控制计算机13和钠原子定标稳频机14，所产生的激光具有高光束质量、窄线宽、可调谐等特点，用于激发钠原子共振发出后向散射荧光，即激光导星。冷却水箱11采用软水管和激光器头10相连接，对内部关键器件进行温度控制。电源箱12包括各种驱动电源，为激光器头10内部各关键器件供电或控制。钠原子定标稳频机14监测激光波长的变化，测量得到的信号强度数据发送至波长控制计算机13，经计算后反馈控制电源箱12内的驱动器，可精确地进行波长对准和调谐。
参见附图5，所述装调检测装置还包括可移动载车4，所述可移动载车4包括载车平台22、载车移动支撑架23和载车升降支撑架24；所述载车移动支撑架23和载车升降支撑架24固定在载车平台22下端面，所述高性能激光器1、激光扩束望远镜2和精密指向镜3设置在所述载车平台22的上端面。所述可移动载车4在工作时升起，保证发射端平台稳定，需要移动时落下，可根据实际情况调整发射端位置。
所述可移动载车4和所述被检大型望远镜8之间的距离根据波前传感器9子孔径视场和波前提取精度要求确定。
所述高性能激光器1产生的中心波长和钠原子的D2谱线共振频率一致。
所述激光扩束望远镜2为光学透镜构成的开普勒式光学系统，包括前扩束镜片5和后扩束镜片6，高性能激光器1发出的激光依次经前扩束镜片5和后扩束镜片6进行扩束。
参见附图3，所述精密指向镜3包括平面反射镜15、精密指向跟踪架16、伺服控制器17和伺服控制计算机18；所述平面反射镜15固定在所述精密指向跟踪架16上，根据待检测光学系统的视轴指向，伺服控制计算机18发送指向命令至伺服控制器17，经过转换后变成适合驱动伺服电机的电压信号，控制精密指向跟踪架16进行相应的转动与调整，最终使平面反射镜15可精确指向所需角度，使那激光导星星点进入被检大型望远镜8光学系统的视场。
参见附图4，所述波前传感器9采用哈特曼波前探测器，由带微透镜阵列的高灵敏度CCD相机19、图像采集卡20和图像采集计算机21组成，带微透镜阵列的高灵敏度CCD相机19和图像采集卡20之间通过标准接口数据线连接，图像采集卡20和图像采集计算机21之间采用PCI接口插接。所述波前传感器9用于检测入射光的波前畸变，定量给出被检大型望远镜8的像差。
参见附图6和附图7，本发明的基于导星的大型望远镜现场装调检测方法包括以下步骤：
步骤一：将可移动载车4移动至被检大型望远镜8附近并锁死，可移动载车4和被检大型望远镜8之间的距离满足波前传感器(9)的探测器子孔径内观测到的导星光斑不产生拉长效应，从而影响波前提取精度；
步骤二：启动高性能激光器1，发出口径为2mm-3mm的激光束；所述激光束经激光扩束望远镜2扩束至口径为20mm-50mm的激光束；并进入精密指向镜3的平面反射镜15内；
步骤三：调整精密指向跟踪架16的俯仰轴和方位轴，使经平面反射镜15反射出的激光光轴和被检大型望远镜8视轴平行；
步骤四：经所述平面反射镜15反射的激光束激发距离地面100km的钠原子共振得到钠激光导星7，所述钠激光导星7星点进入到被检大型望远镜8光学系统并进行汇聚，并在焦点后方进入波前传感器9的探测器视场中心；
步骤五：图像采集计算机21采集图像数据；
步骤六：根据步骤五中获得的图像数据，通过波前复原算法计算得到波前畸变，在使用长曝光模式时，可将大气湍流的影响平滑掉，即作为被检大型望远镜8光学系统的像差；
步骤七：根据步骤六中获得的被检大型望远镜8光学系统的像差调整被检大型望远镜8的主反射镜25和次反射镜26之间的相对位置，重复步骤二到步骤六，直到被检大型望远镜8光学系统像差满足误差要求。
所述高性能激光器1产生的中心波长和钠原子的D2谱线共振频率一致。
所述高性能激光器1发出的激光束经激光扩束望远镜2扩束至口径为20mm-30mm的激光束。
本发明的检测装置及方法同时可以对光学系统的性能进行检测和评价。
本发明的具体工作过程为：根据被检大型望远镜8所在位置，将本发明装置的可移动载车4运送到被检大型望远镜8附近，以距离较近为宜，降下载车升降支撑架24，并将载车平台22调整至水平。
高性能激光器1上电后冷却水箱11和电源箱12开始工作，激光器头10发出波长为589nm的钠黄光，钠原子定标稳频机14监测激光波长，在发生偏离时波长控制计算机13通过控制电源箱12内的驱动器将波长重新对准，确保高性能激光器1出光的稳定性。激光出射后经过激光扩束望远镜2将光束口径扩展至适当大小，然后由精密指向镜3的平面反射镜15反射出去。根据被检大型望远镜8的视场光轴方向，伺服控制计算机18发送相应的控制命令，经伺服控制器17转换为适当的电压信号，驱动精密指向跟踪架16的俯仰轴和方位轴转动，使激光发射方向与被检大型望远镜8视轴平行。
激光到达大气层距地面约100km处激发钠原子发出共振荧光，形成人造钠激光导星7，共振荧光返回地面再次进入被检大型望远镜8视场，经过主反射镜25、次反射镜26和第三反射镜27反射后在焦点处汇聚。将带微透镜阵列的高灵敏度CCD相机19放置于该焦点后适当位置，通过图像采集卡20和图像采集计算机21获取相应的图像数据，波前探测软件根据该数据经过一定的算法复原入射光波前，通过长时间曝光平滑掉大气扰动的影响，即可得到被检大型望远镜8光学系统的像差。根据像差分布，反复精确调整主反射镜25和次反射镜26之间的相对位置，即可使光学系统像差逐步达到误差要求范围。
Claims (10)
1.基于导星的大型望远镜现场装调检测装置，其特征在于，包括高性能激光器(1)、激光扩束望远镜(2)、精密指向镜(3)和波前传感器(9)；
所述波前传感器(9)位于被检大型望远镜(8)焦点后方；
所述高性能激光器(1)发出的激光光束经激光扩束望远镜(2)扩束后经精密指向镜(3)反射至距离地面100km的钠原子层，激发钠原子共振得到钠激光导(7)星，钠激光导(7)星星点进入到波前传感器(9)的探测器视场中心；
经所述精密指向镜(3)反射的激光光轴和所述被检大型望远镜(8)视轴平行，钠激光导(7)星星点进入被检大型望远镜(8)光学系统的视场。
2.根据权利要求1所述的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置，其特征在于，所述装调检测装置还包括可移动载车(4)，所述可移动载车(4)包括载车平台(22)、载车移动支撑架(23)和载车升降支撑架(24)；所述载车移动支撑架(23)和载车升降支撑架(24)固定在载车平台(22)下端面，所述高性能激光器(1)、激光扩束望远镜(2)和精密指向镜(3)设置在所述载车平台(22)的上端面。
3.根据权利要求2所述的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置，其特征在于，所述可移动载车(4)和所述被检大型望远镜(8)之间的距离根据波前传感器(9)子孔径视场和波前提取精度要求确定。
4.根据权利要求1所述的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置，其特征在于，所述高性能激光器(1)产生的中心波长和钠原子的D2谱线共振频率一致。
5.根据权利要求1或2所述的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置，其特征在于，所述激光扩束望远镜(2)为光学透镜构成的开普勒式光学系统，包括前扩束镜片(5)和后扩束镜片(6)，高性能激光器(1)发出的激光依次经前扩束镜片(5)和后扩束镜片(6)进行扩束。
6.根据权利要求1或2所述的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置，其特征在于，所述精密指向镜(3)包括平面反射镜(15)、精密指向跟踪架(16)、伺服控制器(17)和伺服控制计算机(18)；所述平面反射镜(15)固定在所述精密指向跟踪架(16)上，通过所述伺服控制计算机(18)和伺服控制器(17)共同控制精密指向跟踪架(16)转动。
7.根据权利要求1或2所述的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置，其特征在于，所述波前传感器(9)采用哈特曼波前探测器，由带微透镜阵列的高灵敏度CCD相机(19)、图像采集卡(20)和图像采集计算机(21)组成，带微透镜阵列的高灵敏度CCD相机(19)和图像采集卡(20)之间通过标准接口数据线连接，图像采集卡(20)和图像采集计算机(21)之间采用PCI接口插接。
8.根据权利要求1所述的基于导星的大型望远镜现场装调检测装置的装调检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将可移动载车(4)移动至被检大型望远镜(8)附近并锁死，可移动载车(4)和被检大型望远镜(8)之间的距离满足波前传感器(9)的探测器子孔径内观测到的导星光斑不产生拉长效应；
步骤二：启动高性能激光器(1)，发出口径为2mm-3mm的激光束；所述激光束经激光扩束望远镜(2)扩束至口径为20mm-50mm的激光束；并进入精密指向镜(3)的平面反射镜(15)内；
步骤三：调整精密指向跟踪架(16)的俯仰轴和方位轴，使经平面反射镜(15)反射出的激光光轴和被检大型望远镜(8)视轴平行；
步骤四：经所述平面反射镜(15)反射的激光束激发距离地面100km的钠原子共振得到钠激光导(7)星，所述钠激光导(7)星星点进入到被检大型望远镜(8)光学系统并进行汇聚，并在焦点后方进入波前传感器(9)的探测器视场中心；
步骤五：图像采集计算机(21)采集图像数据；
步骤六：根据步骤五中获得的图像数据，通过波前复原算法计算得到波前畸变，即为被检大型望远镜(8)光学系统的像差；
步骤七：根据步骤六中获得的被检大型望远镜(8)光学系统的像差调整被检大型望远镜(8)的主反射镜(25)和次反射镜(26)之间的相对位置，重复步骤二到步骤六，直到被检大型望远镜(8)光学系统像差满足误差要求。
9.根据权利要求8所述的基于导星的大型望远镜现场装调检测方法，其特征在于，所述高性能激光器(1)产生的中心波长和钠原子的D2谱线共振频率一致。
10.根据权利要求8所述的基于导星的大型望远镜现场装调检测方法，其特征在于，所述高性能激光器(1)发出的激光束经激光扩束望远镜(2)扩束至口径为20mm-30mm的激光束。
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