CN107631858B - 一种像旋运动光学目标模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种像旋运动光学目标模拟装置，其具体包括目标模拟装置基座、扭摆台，其中，所述目标模拟装置基座的上部并排固连有三个安装架，每个所述安装架内均固定有一块分划板，每块所述分划板上均刻划有不同几何特征的星点，且所述扭摆轴带动三块所述分划板往复扭摆运动；模拟装置包括三套均匀照明光学系统三块，所述分划板的像分别通过一组耦合物镜组件和光纤成像束组件传输至所述耦合物镜组件前端的准直光学系统中，并通过三个所述准直光学系统将成像投影至模拟装置前端的待测光电成像系统的不同视场。本发明提出基于同源运动目标模拟，再通过传像光纤束分路耦合的方法，解决目前大视场像旋目标运动不同步，以及运动规律不一致的技术问题。

Description

一种像旋运动光学目标模拟装置

技术领域

本发明涉及光学检测与光学测量技术领域，尤其涉及一种主要应用于空间天文望远镜测试与评估的同源、高频像旋运动光学目标模拟装置。

背景技术

空间天文望远镜是指搭载于卫星平台之上，用于对宇宙中各类天文现象进行成像和测量的一类空间光学载荷。例如人们熟知的哈勃望远镜、赫希尔望远镜、开普勒望远镜等都属于典型的空间天文望远镜。空间天文望远镜不同于对地遥感系统采用推埽连续摄影成像方式，而采用具有一定曝光时长的拍照成像方式。为了获得早期宇宙的恒星图像、提高望远镜的探测深度，上述空间天文望远镜大多需要通过较长的曝光时间，使得探测器可充分接收来自遥远星系的光学信号。例如哈勃望远镜的极限曝光时长达到45小时。在曝光时长内影响成像质量的关键因素在于拍照主体相对于被摄物之间是否存在光轴方向的相对运动。而由于空间天文望远镜一般运动在地球同步轨道上，受地球自转等因素影响，其相对遥远星空目标之间的相对运动不可避免。为此星载空间天文望远镜一般搭载有专门的稳像系统，可以探测并补偿上述相对运动引起的光轴指向误差。这种长时间曝光拍摄过程中拍摄主体相对于目标之间的相对运动补偿残差，一般通过光轴稳定度误差(简称稳像精度)进行评价。稳像精度的定义指空间望远镜光轴在补偿后，相对于目标沿三个旋转维度的相对转动角度。即光轴在整个曝光时长内沿俯仰角、方位角、滚转角的相对转动角度的最大值。

受空间光学载荷工作环境特殊性和难以维修性所限，一般需要对其中的各项技术指标和关键性能进行地面验证。其中稳像精度是空间天文望远镜进行地面试验验证的关键项目。而光轴绕方位角和俯仰角的补偿精度一般可以通过构建连续平移目标实现，其测试不存在困难。但空间载荷的光轴绕其自身回转运动(即像旋运动)的补偿精度一般难以测试，其主要原因在于如下3方面。

(1)空间天文望远镜焦距长、视场大、口径大，与之匹配的光学准直系统难以做到光学参数完全匹配，一般仅能实现焦距和口径匹配而难以实现大视场。这就需要采用多路准直系统采用空分模拟的方法，保证模拟运动目标的时间同步。如前所述，空间望远镜搭载的光轴运动补偿系统，首先需要测量到光轴相对所拍摄天区的相对运动量，方可反馈至运动执行机构，再通过光学方法实现像旋补偿。因此若要在地面实现像旋补偿精度检测，就需要为布置于视场边缘的稳像测量传感器模拟远场、旋转运动目标。而为了评价补偿机构运动后，实际的像旋补偿效果，还需要为位于空间望远镜中心视场的探测器模拟具有相同运动规律的像旋目标。也就是说用于光学检测的大口径光学准直系统的视场需要不小于待测系统视场。但用于甚大口径、超长焦距的空间天文望远镜检测的光学准直系统难以在确保成像质量的同时兼顾大口径和大视场。这就需要采用多路模拟的方式，通过多个光学准直系统分别为待测的空间天文望远镜的不同视场提供远场目标，但由此就会引发像旋目标运动不同步的技术难题。

(2)针对多路准直系统空分模拟的实际需求，常规的思路是需要在上述多个光学准直系统的焦面单独配置运动目标模拟器。上述目标的运动控制特性需要遵循如下3点原则。1)多个目标需要绕同一旋心旋转；2)多目标运动的角速度需要一致；3)多目标需要在统一的坐标系下运动，并且保证时间同步性。只有满足上述三点，待测的空间天文望远镜“看到”的才是绕同一旋心同步旋转运动的像旋目标，相应的像旋探测与补偿系统才可正常闭环工作并验证其精度。但根据分析，若像旋补偿的精度达到0.01″量级和几十赫兹的运动频率，上述运动的时间同步精度需要达到10^-4s量级，坐标位置同步精度需要达到0.01μm量级。而常规的运动执行机构和控制系统显然难以满足上述指标需求。

(3)在多路准直光路空分模拟系统中，需要使用多个不同焦距和口径的光学准直系统，将运动星图目标成像至待测空间天文望远镜不同视场的探测器上。而由于实际制造、装调误差不可避免，导致多套光学准直系统的焦距等有关光学指标必然与实际设计值有所差异。这也导致根据光学准直系统理论值设定的各项目标运动控制参数与实际情况不符，进而使得位于空分模拟光路中多个光学准直系统焦面的运动目标，其运动规律不符合上述三项原则要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种为了解决大口径、大视场、长焦距空间天文望远镜在地面进行像旋补偿精度检测的技术问题的像旋运动光学目标模拟装置，本装置与多路准直光路空分模拟系统配合后可实现像旋精度定量检测。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开的一种像旋运动光学目标模拟装置，包括：

目标模拟装置基座，所述目标模拟装置基座内部具有空腔；

扭摆台，所述扭摆台安装于所述目标模拟装置基座的空腔内，且所述扭摆台包括扭摆轴、以及与所述扭摆轴串联装配的扭摆驱动轴，所述扭摆台能够沿轴向回转运动；

所述扭摆轴的上部并排固连有三个安装架，每个所述安装架内均固定有一块分划板，每块所述分划板上均刻划有不同几何特征的星点，且所述扭摆轴带动三块所述分划板往复扭摆运动；

该模拟装置还包括三套用以照明所述分划板的均匀照明光学系统，每套所述均匀照明光学系统均通过一照明系统调整架与所述目标模拟装置基座固连，且所述均匀照明光学系统不随所述扭摆轴回转运动，所述扭摆轴上部固连有三块折转反射镜，该折转反射镜具体置于所述分划板安装架的内腔，所述均匀照明光学系统通过所述折转反射镜的反射照明所述分划板；

三块所述分划板上刻划的星图目标图像分别通过一组耦合物镜组件成像至所述耦合物镜组件前端的准直光学系统中，并通过三个所述准直光学系统将成像投影至模拟装置前端的待测光电成像系统上；

耦合物镜组件，所述耦合物镜组件包括通过耦合物镜适配器固定于所述安装架上端的第一耦合物镜，所述第一耦合物镜的物面与所述分划板的星点刻划面共面，所述第一耦合物镜的像面与光纤传像束的入射窗口面共面，并将所述分划板相对扭摆运动的星图目标成像至所述光纤传像束的入射窗口；

所述耦合物镜组件还包括第二耦合物镜，所述第二耦合物镜的像面与所述光纤传像束出射窗口面共面，并接收所述光纤传像束传输的相对扭摆运动的星图目标，再成像至所述第二耦合物镜的物面，所述第二耦合物镜通过物面耦合将相对扭摆运动的星图目标成像至所述准直光学系统焦平面上；

所述第一耦合物镜的放大倍率与所述第二耦合物镜的放大倍率一致。

所述第一耦合物镜、第二耦合物镜、光纤传像束的数量均为三个；

进一步的，多路准直光路空分模拟系统由若干主光轴呈一定角度、光学参数有所不同的光学准直系统组成，本发明所述准直光学系统的数量为三个，分别为两个第一准直光学系统、以及一个第二准直光学系统，两个所述第一准直光学系统分别设置于所述第二准直光学系统的两侧；且所述第一准直光学系统和所述第二准直光学系统同时覆盖待测光电成像系统的中心视场和边缘视场。

进一步的，所述目标模拟装置基座的下部对称安装有两个压电陶瓷，分别为第一压电陶瓷和第二压电陶瓷，所述扭摆轴回转运动时，其中一个所述压电陶瓷输出拉力并缩短，另一个所述压电陶瓷输出推力并伸长；

所述目标模拟装置基座内部还固连有一对对称设置的驱动顶板，所述驱动顶板的一端与所述扭摆驱动轴固连，所述驱动顶板的另一端与所述压电陶瓷活动连接。

进一步的，所述驱动顶板靠近所述压电陶瓷一端具有球座，所述压电陶瓷靠近所述驱动顶板一端具有球形顶杆，所述球座与所述球形顶杆配合实现活动连接。

进一步的，所述扭摆轴的外部沿径向均布有四组柔性弹片，所述扭摆驱动轴的外部具有法兰面，所述柔性弹片的一端固连于所述法兰面上，所述目标模拟装置基座的内部还固定有柔性弹片固定座，所述柔性弹片的另一端与所述柔性弹片固定座固连。

进一步的，该模拟装置还包括用以实时闭环测量运动光学目标像旋量的环形光栅尺，所述环形光栅尺固连于所述扭摆轴靠近所述分划板装配位置的运动输出末端；

所述模拟装置还包括定心轴系，且所述定心轴系包括分别固定于所述扭摆驱动轴上端的上定心轴系、以及固定于所述扭摆驱动轴下端的下定心轴系，所述上定心轴系的上部设置有上止推轴系，所述下定心轴系的下部设置有下止推轴系，所述上止推轴系和下止推轴系均具有用以消除轴向晃动误差的钢球等效多弹性体，所述上定心轴系和下定心轴系均具有用以消除径向晃动误差的钢球等效多弹性体。

在上述技术方案中，本发明提供的一种像旋运动光学目标模拟装置，大口径空间天文望远镜采用长时间凝视曝光成像方式，实现对遥远星空的探测。其成像质量一方面受静态像质影响，更重要的是取决于望远镜的稳像控制精度。其中绕光轴运动的像旋维补偿残差会引起星空图像整体扭曲变形，并降低分辨率，因此是像旋补偿的关键。像旋补偿精度以往难以在地面测试和验证，主要受制于覆盖全视场的高频像旋运动光学目标不易高精度模拟。空分模拟光路的提出虽可以解决视场覆盖性的问题，但又引入多组像旋目标间运动不同步、不同时的新问题。为此本发明提出基于同源运动目标模拟，再通过光纤传像束分路耦合的方法，解决上述目标运动不同步，以及运动规律不一致的技术问题。基于本发明并配合相应的空分模拟光路，可在地面对空间望远镜的像旋补偿精度进行检测，还可验证另两维像移稳像补偿系统是否会引入像旋像差，并对其进行定量评价。此外，通过程序控制星图目标的扭摆角度和速度，还可实现不同运动规律的物理仿真，用于全面评价像旋补偿系统在不同工况下的补偿精度和其它性能指标。

此外，高晃动精度与高频回转运动的兼顾一直是此类机构设计过程中的难点。以高精度轴承作为回转部件的轴系较易实现高晃动精度，但轴承滚珠过盈量引起的摩擦力矩不易准确控制，而该摩擦力会大大降低轴系的响应频率和动态刚度，并且会导致运动过程中的非线性误差，进而加大控制难度。而采用压电陶瓷作为驱动，虽然可以提高运动响应速度，但难以实现较高的回转定位精度，相应的晃动误差难以控制。本发明利用仿真分析计算匹配后的密珠轴系而非常规轴承，来定量平衡预紧过盈量与晃动精度之间的关系，并通过综合分析计算其与压电陶瓷输出力和响应速度间的数学关系，对整个运动系统进行优化。而通过定心密珠轴系与压电驱动系统的结合，以及参数协同设计则可同时实现高晃动精度和高响应频率。此外，再通过径向对称布置的柔性弹片实现预紧和消间隙，还可进一步降低摩擦力矩引起的运动迟滞、爬行等现象。因此，本发明对于解决兼顾高晃动精度与高响应频率的运动副设计和工程实现也具有积极效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种像旋运动光学目标模拟装置的总体光路原理图，并包含待测系统成像探测器和两侧的像旋传感器成像后输出目标像旋运动的示意图；

图2是图1所示的一种像旋运动光学目标模拟装置的结构示意图；

图3是图2中A-A向剖视图。

附图标记说明：

1、待测光电成像系统；2、第一准直光学系统；3、第二准直光学系统；4、像旋目标模拟装置；5、第二耦合物镜；6、光纤传像束；7、第二耦合物镜；8、耦合物镜适配器；9、分划板；10、折转反射镜；11、均匀照明光学系统；12、上止推轴系；13、照明系统调整架；14、上定心轴系；15、环形光栅尺；16、下止推轴系；17、下定心轴系；18、目标模拟装置基座；19、扭摆轴；20、柔性弹片固定座；21、柔性弹片；22、驱动顶板；23、球座；24、球形顶杆；25、第一压电陶瓷；26、第二压电陶瓷；27、扭摆驱动轴。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

参见图1-3所示；

本发明的一种像旋运动光学目标模拟装置，包括：

目标模拟装置基座18，目标模拟装置基座18内部具有空腔；

扭摆台，扭摆台安装于目标模拟装置基座18的空腔内，且扭摆台包括扭摆轴19、以及与扭摆轴19串联装配的扭摆驱动轴27，扭摆台能够沿轴向回转运动；

扭摆轴19的上部并排固连有三个安装架，每个安装架内均固定有一块分划板9，每块分划板9上均刻划有不同几何特征的星点用以代表不同天区的星图，且扭摆轴19带动三块分划板9往复扭摆运动；

该模拟装置还包括三套用以照明分划板9的均匀照明光学系统11，每套均匀照明光学系统11均通过一照明系统调整架13与目标模拟装置基座18固连，且均匀照明光学系统11不随所述扭摆轴19回转运动，上述分划板安装架的下部空腔内具有折转反射镜10，均匀照明光学系统11通过折转反射镜10的反射照明分划板9；

其中，三块分划板9上刻划的星图目标图像分别通过一组耦合物镜组件和光纤传像束组件成像至耦合物镜组件前端的准直光学系统中，并通过三个准直光学系统将星图像投影至模拟装置前端的待测光电成像系统上。

本发明针对上述技术问题和实际测试需求提出新的思路，改分别模拟为同源模拟。通过一套运动发生装置，实现高频、高精度像旋运动光学目标的同步、同时模拟。再利用耦合物镜和光纤传像束6，将模拟的同源运动目标像分别耦合至多路空分模拟光路中，实现“同源多分”运动像旋目标的模拟。该技术路线一方面可以满足上述稳像补偿残差的高精度测试需求，另一方面可以极大降低目标运动控制的难度，并提高针对空分模拟光路制造误差不确定性的适应调整能力。本发明在空间天文光学系统的地面测试领域具有较大应用潜力。

为了解决大口径、大视场、长焦距空间天文望远镜在地面进行像旋补偿精度检测的技术问题，并且基于空分检测光路的布置特点，本发明提出一种同源、高频像旋目标模拟装置的技术方案和具体设计方法。通过定心轴系、和柔性铰链弹片实现高刚度、高动态响应的绕心回转运动；利用压电陶瓷作为促动元件实现高频扭摆驱动；利用多组反射镜与均匀照明光源组合在照亮星图目标分划板的同时，实现照明系统与扭摆转台间的机械分离，达到降低扭摆台负载的目的；利用三组耦合物镜与光纤传像束6实现像旋运动目标与空分准直检测光路之间的耦合；此外，利用耦合物镜的物像距共轭关系，实现放大倍率连续可调，进而达到补偿空分准直光路焦距制造误差的目的。

优选的，本实施例中耦合物镜组件包括通过耦合物镜适配器8固定于安装架上端的第一耦合物镜7，第一耦合物镜7的物面与分划板9的星点刻划面共面，第一耦合物镜7的像面与光纤传像束6的入射窗口面共面并将分划板9相对扭摆运动的星图目标成像传输至光纤传像束6的入射窗口；

耦合物镜组件还包括第二耦合物镜5，第二耦合物镜5的像面与光纤传像束6的出射窗口面共面，并接收光纤传像束6传输的相对扭摆运动的星图目标，再成像至第二耦合物镜5的物面，第二耦合物镜5通过物面耦合将相对扭摆运动的星图目标成像至准直光学系统焦平面上；其中，第一耦合物镜7的放大倍率与第二耦合物镜5的放大倍率一致。

优选的，本实施例中准直光学系统的数量为三个，分别为两个第一准直光学系统2、以及一个第二准直光学系统3，两个第一准直光学系统2分别设置于第二准直光学系统3的两侧；且第一准直光学系统2和第二准直光学系统3同时覆盖待测光电成像系统1的中心视场和边缘视场。

具体的，像旋目标模拟装置4在其内部各组部件协同作用下，产生绕其回转轴往复扭摆运动的模拟星图目标。上述目标通过三套第二耦合物镜5、第一耦合物镜7和光纤传像束6分别与空分模拟光路中的两套第一准直光学系统2和一套第二准直光学系统3实现焦平面耦合。即通过上述三组耦合物镜和光纤传像束6，将产生的像旋运动目标分别成像至三套光学准直系统的焦平面，再由三套光学准直系统同时、分路以平行光照射进入待测光电成像系统1的不同成像视场。由于第一准直光学系统2和第二准直光学系统3在保证长焦距、大口径和高像质的前提下难以实现大视场，因此利用呈一定角度布置的三套准直光路可以实现同时覆盖待测光电成像系统1的中心视场和边缘视场，以满足像旋探测和像旋补偿精度测评的技术需求。但由于上述两套第一准直光学系统2与第二准直光学系统3之间的焦距、相对孔径有所不同，因此为了实现所模拟的像旋目标绕同一回转轴运动，并且保证像旋量和角速度一致，需要通过本发明所提的像旋目标模拟器产生满足上述特性的高频像旋运动目标。

另外，像旋目标模拟装置4中含有三块分划板9，分划板9上依据测试需求刻划若干具有不同几何特征的星点，代表对应不同测试天区下的特征恒星目标。在三块分划板9上所刻划的星点之间的空间位置关系应与待测系统在实际惯性坐标系下整个视场不同位置所观测到的特征恒星分布保持一致。像旋目标模拟装置4中含有三套用于照明分划板9的均匀照明光学系统11，均匀照明光学系统11通过三块折转反射镜10均匀照明三块分划板9。三套照明光学系统11通过照明系统调整架13与目标模拟装置基座18固定连接，而不随扭摆轴19回转运动。需要均匀照明光学系统11的均匀性高于待测光电成像系统1的探测器对光照度的最高灵敏度，这样当扭摆轴19带动其上的三快分划板9往复扭摆运动时，均匀照明光学系统11在分划板9上不同区域的照明亮度的相对变化不会引起待测光电成像系统1探测器所成星点像的灰度发生变化。此外，照明系统调整架13还起到对准均匀照明光学系统11的功能，可以保证其光轴与三块分划板9的图案刻划面垂直。此外三块分划板9之间具备相对距离微调功能，以确保其相对回转半径正确。如前所述，上述三块分划板9之间的相对距离是根据两套第一准直光学系统2和一套第二准直光学系统3之间的焦距比,及其和待测光电成像系统1之间的放大倍率关系进行计算得到的。通过微调三块分划板9之间的相对距离，可控制其回转半径，进而保证所模拟的像旋目标是在统一坐标系下绕同一回转轴进行像旋运动。

优选的，本实施例中目标模拟装置基座18的下部对称安装有两个压电陶瓷，分别为第一压电陶瓷25和第二压电陶瓷26，扭摆轴19回转运动时，其中一个压电陶瓷输出拉力并缩短，另一个压电陶瓷输出推力并伸长；

目标模拟装置基座18内部还固连有一对对称设置的驱动顶板22，驱动顶板22的一端与扭摆驱动轴27固连，驱动顶板22的另一端与压电陶瓷活动连接。

更优选的，上述方案中驱动顶板22靠近压电陶瓷一端具有球座23，压电陶瓷靠近驱动顶板22一端具有球形顶杆24，球座23与球形顶杆24配合实现活动连接。

其中，扭摆轴19的外部沿径向均布有四组柔性弹片21，扭摆驱动轴27的外部具有法兰面，柔性弹片21的一端固连于法兰面上，目标模拟装置基座18的内部还固定有柔性弹片固定座20，柔性弹片21的另一端与柔性弹片固定座20固连。

另外，该模拟装置还包括用以实时闭环测量星图目标像旋量的环形光栅尺15，环形光栅尺15固连于扭摆轴19靠近分划板9装配位置的运动输出末端；

该模拟装置还包括定心轴系，且定心轴系包括分别固定于扭摆驱动轴27上端的上定心轴系14、以及固定于扭摆驱动轴27下端的下定心轴系17，上定心轴系14的上部设置有上止推轴系12，下定心轴系17的下部设置有下止推轴系16，上止推轴系12和下止推轴系16均具有用以消除轴向晃动误差的钢球等效多弹性体，另外，上定心轴系14和下定心轴系17均具有用以消除径向晃动误差的钢球等效多弹性体。

为实现上述三块分划板9的像旋运动频率不低于50Hz、往复旋转运动的晃动精度优于0.5″，还需要相应的驱动和导向机构，其具体技术方案如下。由于像旋运动目标需达到较高的往复运动频率，常规的伺服电机或力矩电机的响应速度均无法满足需求，并且扭摆转向瞬间的反向惯量较大，这均导致常规的电机直驱方式难以实现。为此，本发明利用压电陶瓷的高响应频率特性，将其作为光学目标回转运动的驱动单元。具体方案是在目标模拟装置基座18上对称安装压电陶瓷，分别为第一压电陶瓷25和第二压电陶瓷26。以一次摆动过程为例，起始时刻第一压电陶瓷25输出拉力并缩短，同时第二压电陶瓷26输出推力并伸长。此时环形光栅尺15实时测量星图目标的回转角度，当角度旋转到位后，控制系统再控制两个压电陶瓷反向输出力。即第一压电陶瓷25输出推力并伸长，同时第二压电陶瓷26输出拉力并缩短。同时环形光栅尺15实时测量星图目标的反向回转角度，并判断扭摆是否达到行程所需。由于压电陶瓷仅输出直线运动，还需要利用机构将其转换为旋转运动，利用两套驱动顶板22可以实现上述功能。该驱动顶板22一侧与扭摆驱动轴27固连，再通过扭摆驱动轴27与扭摆轴19串联而实现将推、拉力转化为轴系切向促动力，进而带动轴系高频、往复摆动。但由于压电陶瓷在输出推力和拉力的同时还会相应的产生陶瓷自身的伸长和缩短，进而导致驱动顶板22在伴随扭摆驱动轴27回转运动过程中出现多余约束的问题。通过在驱动顶板22上固连球座23并与压电陶瓷上固连的球形顶杆24配合形成球形铰链可以解决上述问题。由于球形铰链释放三个旋转方向的自由度，这样就可以解除往复回转运动过程中上述驱动顶板22与第一压电陶瓷25和第二压电陶瓷26之间的过约束。但由于上述球座23与球形顶杆24之间并不存在轴向定位约束，因此在扭摆反向运动瞬间，会导致一侧的球形铰链相互脱开失效，进而使驱动顶板22与对应侧的压电陶瓷间失去机械连接而出现间隙。为此，采用沿轴系径向对称布置的四组柔性弹片21实现球形铰链的预压紧，保持压电陶瓷在往复运动过程中始终通过球形铰链与驱动顶板22连接。此外，上述四组柔性弹片21还起到为压电陶瓷提供反向闭合力矩的作用，以柔性弹片21弹性变形所产生的应力作为预紧力，消除压电陶瓷与驱动顶板22之间的间隙，可极大提高运动机构的动态刚度和响应频率。柔性弹片21可采用高弹性模量金属材料加工，其一端通过柔性弹片固定座20与目标模拟装置基座18固连，另一端与扭摆驱动轴27上的法兰面固连。由于柔性弹片21沿轴向方向刚度较大而沿径向方向柔度较大，因此在扭摆驱动轴27回转运动过程中就会带动柔性弹片21产生沿径向的运动同向弯曲变形。根据弹性力学理论，此时柔性弹片21内部会产生运动反向应力，利用该方向的应力即可实现上述预紧消间隙，以及抵抗定心轴系摩擦力矩的功能。

如前所述，在压电陶瓷等驱动作用下，扭摆驱动轴27及其串联的扭摆轴19理论上会产生绕心回转运动。但受压电陶瓷响应非线性、伸长/压缩的时间不同步、驱动顶板22加工误差和装配不对称误差等诸多因素所限，上述扭摆驱动轴27的回转运动会有较大的晃动误差。也就是实际回转轴会存在摆动方向较大的随机误差。而像旋目标的回转晃动精度要求优于0.5″，为此还需要附加定心轴系配合上述扭摆运动。本发明定心轴系采用上止推轴系12和下止推轴系16配合实现整个扭摆运动系统的轴向定位于约束。通过精密筛选并密集排列的钢球等效多弹性体，以消除轴向晃动误差。采用上定心轴系14和下定心轴系17配合实现整个扭摆运动系统的径向定位和约束。上述上定心轴系14与下定心轴系17之间的轴向间隔可根据晃动精度所分配的误差进行计算和设计。而整个密珠定心轴系通过扭摆轴19与扭摆驱动轴27固定串联，实现高精度轴向、径向定心和高频往复扭摆驱动的结合。环形光栅尺15固定连接在与分划板9装配位置最近的扭摆轴19运动输出末端，实时反馈回转角度行程，并与压电陶瓷运动系统实现闭环控制。

三组第一耦合物镜7通过耦合物镜适配器8及其安装架与目标模拟装置基座18固连，其物面与分划板9图形刻划面共面，将相对扭摆运动的星图目标成像至其像面的光纤传像束6入射窗口。光纤传像束6将上述运动图像传递至第二耦合物镜5的像面，并由第二耦合物镜5成像至其物面。由于三组第二耦合物镜5的物面分别与第一准直光学系统2和第二准直光学系统3的焦面重合，因此可通过三组准直光学系统将高频扭摆运动目标投射至待测光电成像系统1的不同视场，形成时间同步、运动同轴的的像旋模拟目标。此外，由于三组第二耦合物镜5与三组第一耦合物镜7的放大倍率保持一致，而光纤传像束6不改变相对孔径，因此由像旋目标模拟装置4产生的像旋运动目标被1:1成像至光学准直系统焦面，而不会存在匹配偏差。

耦合物镜适配器8还可用于调整光纤传像束6入射窗口与第一耦合物镜7的像面之间的距离。而利用耦合物镜的共轭成像关系，进而可以改变一路模拟目标的放大倍率。上述调整可用于补偿三路光学准直系统实际焦距等光学指标与理论值之间的差异所导致的目标运动不同轴误差。

综上所述，本实施例的具体工作过程为：柔性铰链配合压电陶瓷方案是实现微量进给和高分辨率驱动的常规技术路线。但由于空间天文望远镜的像旋抑制精度达到了亚角秒量级，上述常规技术路线下由于铰链制造误差、材料均匀性误差、铰链装配对称性误差、陶瓷运动非线性等因素导致的回转轴晃动误差远大于角秒量级，难以满足像旋检测精度的需求。因此本发明提出使用定心回转轴系配合铰链和柔性弹片21的结构形式，在确保高回转刚度和响应特性的同时，可以利用密珠轴系优良的定心精度和端面止跳功能获得极高的晃动精度。并利用密珠轴系灵活的可设计性，兼顾晃动精度与摩擦力矩，而获得较高的往复运动平稳性。此外，由于分划板9在回转轴系的驱动下实现像旋运动，而导致对应的照明位置实时改变，这就需要配合均匀性较高的照明系统，保证星图各照明区域的亮度在回转运动过程中保持一致。第三，空间望远镜的像旋探测传感器一般布置在视场的边缘位置，以增大主探测器的有效成像区面积。为此，在进行像旋测试时就需要为布置于视场边缘的像旋传感器提供运动星图目标。因而采用了空分模拟光路，利用多台口径和焦距不同的光学准直系统在相对较小的空间内同时实现为位于主视场的成像传感器和视场边缘的像旋传感器提供运动目标。但上述多个模拟光路的焦平面间的物理距离较远，为了实现同源目标与上述多个焦平面之间的耦合，本发明提出了采用光纤传像束6配合大视场耦合物镜的技术路线。基于上述考虑和背景需求，本发明的具体工作原理描述如下。

首先压电陶瓷接收来自控制系统带有时标的外同步信号，开始进行像旋测试。位于轴系两侧对称布置的一组压电陶瓷分别起到“拉”和“推”的作用，其中一个压电陶瓷根据事先编制的像旋运动规律控制程序以一定速度输出推力，推动位于轴系底部的驱动顶板22。驱动顶板22与压电陶瓷之间采用球铰连接，这样就释放了压电陶瓷由于长度变化导致的过定位。同时，位于对称安装位置的另一压电陶瓷在程序控制下输出拉力、陶瓷长度缩短。同样依靠球铰释放多余约束，实现驱动顶板22与压电陶瓷输出端相对转动。一组对称安置的压电陶瓷通过驱动顶板22输入直线方向的拉、压力。上述驱动组件整体布置在定心轴系的轴向，依靠定心轴系达到的轴向约束来实现将直线驱动力矩转换为回转方向的扭矩。定心轴系由径向密珠轴系和轴向止推轴系组成，内部利用保持架和“T”形主轴缩小轴系整体的空间尺寸，实现回转轴和驱动组件的紧凑布置。在扭摆驱动轴27和目标模拟装置基座18之间通过对径布置的柔性弹片21实现恢复力矩闭环并抵消摩擦力矩。上述柔性弹片21端部采用柔性铰链结构，当压电陶瓷驱动轴系回转到位后，柔性弹片21被拉长后由结构弹性变形产生的反向力矩最大，进而实现对驱动机构预紧，并在消除球铰间隙的同时抵消密珠和主轴间的反向摩擦力矩，提高整个驱动机构的响应频率和动态刚度。

三组分划板9依据待测系统焦距和相对孔径、空分模拟光路焦距和相对孔径，进行计算对应的回转半径，确保三组分划板9在上述驱动轴系的带动并经空分模拟光路成像后，依然绕同一旋转轴回转运动。上述三组分划板9上刻划有用于为像旋传感器成像提供的星图目标，以及为空间望远镜中心视场成像区提供的星图目标。上述星图目标根据测量天区的恒星谱系，并考虑星等亮度等指标选择3-4颗恒星进行模拟，再依据对应的恒星间张角刻划在分划板9上。三组均匀照明光学系统11通过三组45°平面反射镜对上述分划板9进行照明。根据扭摆台的旋转行程以及分划板9的直径可以计算照明区域的大小，据此可以获得均匀照明光学系统11的通光口径。本发明通过将均匀照明光学系统11与扭摆台的回转输出轴系分离设计，减小上述转台的负载。通过加大照明系统的有效口径，以及45°平面反射镜的通光口径，可以保证扭摆台带动三组分划板9进行往复扭摆运动过程中，照明系统的出射光瞳始终覆盖分划板9的星图目标刻划区域。通过在模拟装置中引入均匀照明光学系统，可以保证分划板9转动至不同角度时，其上的照明亮度是一致的，以防止出现目标像旋过程中，所模拟的星空目标发生亮度随机闪烁的情况。

三组大视场耦合物镜的物方焦平面与分划板9的刻划面共面，将经过均匀照明的回转运动星点像成像至其像方焦平面。三组耦合物镜分别对三组分划板9成像。耦合物镜的像方焦平面位于光纤传像束6的入射窗口，利用光纤传像束6不改变入射光相对孔径和光束结构的特性，将经耦合物镜成像的分划板9运动星图像传递至位于光纤传像束6出射窗口的另一耦合物镜的像方焦平面上。而该耦合物镜的物方焦平面则与空分模拟光路中光学准直系统的焦面重合。也就是说，由均匀照明光学系统11照亮的往复回转运动星空目标图像经一组耦合物镜和光纤传像束6之后，被一对一成像至空分模拟光路中光学准直系统的焦平面上。三组传像光路分别将三组分划板9的回转运动星空目标图像分别成像至空分模拟光路的三个准直光学系统的焦面。三组准直光学系统将上述三组运动星空目标经待测空间天文望远镜分别成像至位于其中心视场的探测器，和位于其两侧边缘视场的像旋传感器上。由于上述目标均由同一扭摆轴系回转运动产生，因此不存在时间同步误差。此外，由于空分模拟光路中的三个光学准直系统的焦距和相对孔径有所不同，因此上述三组分划板9对应的回转半径不同，才可保证经准直系统成像后目标的回转半径与对应视场匹配，且绕同一圆心旋转。如前所述，可以根据光学系统的理论参数计算分划板9距离回转中心的距离，但受限于制造和装调误差，需要在实际的目标模拟器上调整上述距离，以补偿放大倍率误差。此外，上述工作原理充分利用光纤传像束6的柔性，大大降低了对于空分模拟光路的空间距离和尺寸约束，极大提高了光路布置的便利性和灵活度。

在上述技术方案中，本发明提供的一种像旋运动光学目标模拟装置，大口径空间天文望远镜采用长时间凝视曝光成像方式，实现对遥远星空的探测。其成像质量一方面受静态像质影响，更重要的是取决于望远镜的稳像控制精度。其中绕光轴运动的像旋维补偿误差会引起星空图像整体扭曲变形，并降低分辨率，因此是像旋补偿的关键。像旋补偿精度难以在地面测试和验证，主要受制于覆盖全视场的高频像旋运动光学目标不易高精度模拟。空分模拟光路的提出虽可以解决视场覆盖性的问题，但又引入多组像旋目标之间运动不同步、不同时的新问题。为此本发面提出基于同源运动目标模拟，再通过传像光纤束6分路耦合的方法，解决上述目标运动不同步，以及运动规律不一致的技术问题。基于本发明并配合相应的空分模拟光路，可在地面对空间望远镜的像旋补偿精度进行检测，还可验证另两维像移稳像补偿系统是否会引入像旋像差，并对其进行定量评价。此外，通过程序控制星图目标的扭摆角度和速度，还可实现不同运动规律的物理仿真，用于全面评价像旋补偿系统在不同工况下的补偿精度和其它性能指标。

此外，高晃动精度与高频回转运动的兼顾一直是此类机构设计过程中的难点。以高精度轴承作为回转部件的轴系较易实现高晃动精度，但轴承滚珠过盈量引起的摩擦力矩不易准确控制，而该摩擦力会大大降低轴系的响应速度和动态刚度，并且会导致运动过程中的非线性误差，进而加大控制难度。而采用压电陶瓷作为驱动，虽然可以提高运动响应速度，但难以实现较高的回转定位精度，相应的晃动误差难以控制。本发明利用仿真分析计算匹配后的密珠轴系而非常规轴承，来定量平衡预紧过赢量与晃动精度之间的关系，并通过综合分析计算其与压电陶瓷输出力和响应速度间的数学关系，对整个运动系统进行优化。而通过定心密珠轴系与压电驱动系统的结合，以及参数协同设计则可同时实现高晃动精度和高响应频率。此外，再通过径向对称布置的柔性弹片21实现预紧和消间隙，还进一步降低摩擦力矩引起的运动迟滞、爬行等现象。因此，本发明对于解决兼顾高晃动精度与高响应频率的运动副设计和工程实现也具有积极效果。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (5)

1.一种像旋运动光学目标模拟装置，其特征在于，包括：

目标模拟装置基座(18)，所述目标模拟装置基座(18)内部具有空腔；

扭摆台，所述扭摆台安装于所述目标模拟装置基座(18)的空腔内，且所述扭摆台包括扭摆轴(19)、以及与所述扭摆轴(19)串联装配的扭摆驱动轴(27)，所述扭摆台能够沿轴向回转运动；

所述扭摆轴(19)的上部并排固连有三个安装架，每个所述安装架内均固定有一块分划板(9)，每块所述分划板(9)上均刻划有不同几何特征的星点，且所述扭摆轴(19)带动三块所述分划板(9)往复扭摆运动；

该模拟装置还包括三套用以照明所述分划板(9)的均匀照明光学系统(11)，每套所述均匀照明光学系统(11)均通过一照明系统调整架(13)与所述目标模拟装置基座(18)固连，且所述均匀照明光学系统(11)不随所述扭摆轴(19)回转运动，所述扭摆轴(19)上部固连有三块折转反射镜(10)，所述均匀照明光学系统(11)通过所述折转反射镜(10)的反射照明所述分划板(9)；

耦合物镜组件，所述耦合物镜组件包括通过耦合物镜适配器(8)固定于所述安装架上端的第一耦合物镜(7)，所述第一耦合物镜(7)的物面与所述分划板(9)的星点刻划面共面，所述第一耦合物镜(7)的像面与光纤传像束(6)的入射窗口面共面，并将所述分划板(9)相对扭摆运动的星图目标成像至所述光纤传像束(6)的入射窗口；

所述耦合物镜组件还包括第二耦合物镜(5)，所述第二耦合物镜(5)的像面与所述光纤传像束(6)的出射窗口面共面，并接收所述光纤传像束(6)传输的相对扭摆运动的星图目标，再成像至所述第二耦合物镜(5)的物面，所述第二耦合物镜(5)将其物面接收的光纤传像束(6)传输的扭摆运动的星图目标成像至准直光学系统；

所述第一耦合物镜(7)的放大倍率与所述第二耦合物镜(5)的放大倍率一致。

2.根据权利要求1所述的一种像旋运动光学目标模拟装置，其特征在于，所述目标模拟装置基座(18)的下部对称安装有两个压电陶瓷，分别为第一压电陶瓷(25)和第二压电陶瓷(26)，所述扭摆轴(19)回转运动时，其中一个所述压电陶瓷输出拉力并缩短，另一个所述压电陶瓷输出推力并伸长；

所述目标模拟装置基座(18)内部还固连有一对对称设置的驱动顶板(22)，所述驱动顶板(22)的一端与所述扭摆驱动轴(27)固连，所述驱动顶板(22)的另一端与所述压电陶瓷活动连接。

3.根据权利要求2所述的一种像旋运动光学目标模拟装置，其特征在于，所述驱动顶板(22)靠近所述压电陶瓷一端具有球座(23)，所述压电陶瓷靠近所述驱动顶板(22)一端具有球形顶杆(24)，所述球座(23)与所述球形顶杆(24)实现活动连接。

4.根据权利要求2所述的一种像旋运动光学目标模拟装置，其特征在于，所述扭摆驱动轴(27)的外部沿径向均布有四组柔性弹片(21)，所述扭摆驱动轴(27)的外部具有法兰面，所述柔性弹片(21)的一端固连于所述法兰面上，所述目标模拟装置基座(18)的空腔内部还固定有柔性弹片固定座(20)，所述柔性弹片(21)的另一端与所述柔性弹片固定座(20)固连。

5.根据权利要求1所述的一种像旋运动光学目标模拟装置，其特征在于，该模拟装置还包括用以实时闭环测量运动像旋目标像旋量的环形光栅尺(15)，所述环形光栅尺(15)固连于所述扭摆轴(19)靠近所述分划板(9)装配位置的运动输出末端；

所述模拟装置还包括定心轴系，且所述定心轴系包括分别固定于所述扭摆驱动轴(27)上端的上定心轴系(14)、以及固定于所述扭摆驱动轴(27)下端的下定心轴系(17)，所述上定心轴系(14)的上部设置有上止推轴系(12)，所述下定心轴系(17)的下部设置有下止推轴系(16)，所述上止推轴系(12)和下止推轴系(16)均具有用以消除轴向晃动误差的钢球等效多弹性体，所述上定心轴系(14)和下定心轴系(17)均具有用以消除径向晃动误差的钢球等效多弹性体。