CN107677294A - 一种x射线脉冲星导航敏感器在线装调装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置与方法，所述装置包括X射线脉冲星导航敏感器、平行光管、光学对准机构、电荷耦合探头、焦平面接收屏、两轴转台、敏感器支架、计算机。所述方法包括准备、光学镜头调整、前放组件安装、光斑测量、前放组件调整、前放组件紧固六个步骤。本发明的装调系统与方法可提高X射线脉冲星导航敏感器的装调精度、装调速度和装调成品率，提高X射线脉冲星导航敏感器的性能，具有易于实现、通用性强、装调精度高、装调效率高等优点。

Description

一种X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置与方法

技术领域

本发明属于空间光学技术领域，具体涉及一种X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置与方法。

背景技术

X射线脉冲星导航适用于近地空间、深空探测和星际飞行航天器的完全自主导航，可为大多数空间任务航天器提供位置、速度、姿态和时间等全面的导航信息，实现航天器的完全自主导航，具有可靠性强、稳定性好、精确性高、适用性广等优点，是一项极具发展潜力的新型自主导航技术，具有极其重要的工程实用价值和战略研究意义。

X射线脉冲星导航敏感器的核心是X射线光学镜头。作为X射线光学镜头的一种，X射线掠入射光学镜头是近年来以及未来的主要发展趋势。掠入射光学镜头的焦距大，前放组件与光学镜头之间的距离大，且探测器的直径较小，光学镜头光轴的较小偏差会引起较大的焦点位置偏移，从而导致聚焦光斑无法位于探测器中心，甚至偏出探测器的敏感区域范围，而X射线在探测器表面的聚焦位置直接决定光子到达时间的测量精度，因此必须严格控制光学镜头光轴与探测器中心之间的重合。

发明内容

本发明的技术解决问题是：

克服现有技术的上述不足，本发明提出一种X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置与方法，将准备、光学镜头调整、前放组件安装、光斑测量、前放组件调整、前放组件紧固等工序集成到一起，实现在线测量和调整，可提高X射线脉冲星导航敏感器的装调精度和速度，保证X射线脉冲星导航敏感器的测量精度，具有易于实现、通用性强、装调精度高、装调效率高等优点。

本发明的技术解决方案是：

提出一种X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置，包括：X射线脉冲星导航敏感器、平行光管、光学对准机构、电荷耦合(Charge Coupled Device,CCD)探头、焦平面接收屏、两轴转台、敏感器支架和计算机；

X射线脉冲星导航敏感器包括光学镜头、镜筒、调整机构和前放组件，镜筒位于光学镜头后端，光学镜头和镜筒通过法兰盘连接成为整体，前放组件通过调整机构与镜筒连接，并且前放组件具有探测器；

敏感器支架安装在两轴转台上，用于固定X射线脉冲星导航敏感器；

两轴转台用于调整X射线脉冲星导航敏感器的光轴，使得X射线脉冲星导航敏感器的光轴与入射光的光轴平行；

平行光管位于光学镜头的前端，用于生成平行光，并将所述平行光作为光学镜头的入射光；

焦平面接收屏包括接收屏和支撑架，用于在光学镜头的焦平面处接收光学镜头的聚焦光斑，并在通过两轴转台将光学镜头光轴与入射光的光轴调整平行之后移除；

光学对准机构位于光学镜头内部，电荷耦合探头位于光学对准机构的前端中心，通过微调光学对准机构，使电荷耦合探头能够在焦平面接收屏清晰成像，其中，电荷耦合探头用于测量光学镜头聚焦光斑的大小、形状和位置，并通过计算机显示光斑。

根据本发明的一个实施例，所述光学对准机构包括定位筒、调整筒、间隔圈、伸缩筒和对准透镜和压圈，其中，定位筒设置在调整筒内，伸缩筒设置在调整筒的后端，对准透镜设置在伸缩筒的后端，压圈设置在准透镜后端，用于固定准透镜，间隔圈设置在伸缩筒内；

所述光学对准机构安装在光学镜头内部，电荷耦合探头位于定位筒内，通过微调调整筒和伸缩筒来控制前放组件和电荷耦合探头之间的共轭距离，使电荷耦合探头能够在焦平面接收屏清晰成像。

根据本发明的一个实施例，调整机构设置在镜筒和前放组件之间，用于使前放组件能够进行平移调整，并使前放组件的探测器的表面位于光学镜头的焦平面内。

根据本发明的一个实施例，调整机构包括顶丝和调整板，被构造为通过调节顶丝来对前放组件进行X向和Y向平移调整，并通过调节调整板的位置使前放组件探测器表面位于焦平面内，其中，X向为水平方向，Y向为竖直方向。

根据本发明的一个实施例，顶丝的数量为四个，其中，X向的顶丝为两个，分别处于调整板的左右两侧，Y向的顶丝为两个，分别处于调整板的上下两侧，顶丝为圆柱螺杆，顶丝与前放组件接触的端部为球面，顶丝的侧面具有刻度。

根据本发明的一个实施例，调整板和镜筒之间通过两个能够沿光轴方向平行移动的螺钉连接，调整板和前放组件之间通过两个能够沿光轴方向平行移动的螺钉连接。

根据本发明的一个实施例，计算机被配置为对电荷耦合探头检测的光斑进行放大显示。

一种X射线脉冲星导航敏感器在线装调方法，包括以下步骤：

S1、将光学镜头和镜筒固定于敏感器支架上，并将敏感器支架安装于两轴转台上，使用尺子测量出光学镜头的焦平面的位置，将焦平面接收屏放置于焦平面的位置，将光学对准机构安装于光学镜头内的中心位置，并将电荷耦合探头安装于光学对准机构的定位筒内，通过微调调整筒和伸缩筒来控制前放组件和电荷耦合探头之间的共轭距离，使电荷耦合探头在焦平面接收屏上清晰成像，然后将光学对准机构和电荷耦合探头固定，并将电荷耦合探头与计算机连接；

S2、开启平行光管，使平行的入射光经过光学镜头聚焦，聚焦的光斑在焦平面接收屏上清晰成像，通过计算机显示光斑的形状和大小，通过调整两轴转台，实时观察光斑，当光斑变为正圆形，且直径最小时，光学镜头的光轴与平行光管的光轴平行，使两轴转台保持当前位置，移除焦平面接收屏；

S3、将调整板安装于镜筒的后端，调整板和镜筒之间的能够平行移动的螺钉不紧固，然后将前放组件安装于调整板的后端，调整板和前放组件之间的能够平行移动的螺钉不紧固，将顶丝安装于调整板的侧面，以用于对前放组件进行X向平移调整，和Y向平移调整；

S4、使用电荷耦合探头对前放组件的探测器和聚焦的光斑之间的相对位置进行测量，根据电荷耦合探头的放大倍数和前放组件的探测器的尺寸，来确定X向和Y向的调整量；

S5、通过调整顶丝，使聚焦的光斑位于前放组件的探测器的中心；

S6、调整板和镜筒之间的螺钉紧固，并将调整板和前放组件之间的螺钉紧固，并使用粘接胶固封所述螺钉，然后拆除顶丝，在顶丝的位置安装螺丝，并使用粘接胶固封所述螺丝。

根据本发明的一个实施例，在步骤S5中，首先调整X向的两个顶丝，X向的两个顶丝同时旋动，使顶丝的端部始终与镜筒的侧面接触，X向调整完成后，同时旋动Y向的两个顶丝，使顶丝的端部始终与前放组件的侧面接触。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的装调装置及方法采用在线测量和定量调整方式，可以保证测量结果和调整结果的一致性，减小转换位置测量带来的重复定位误差，实现光学镜头与前放组件对准精度的量化控制；

(2)本发明的装调装置及方法将准备、光学镜头调整、前放组件安装、光斑测量、前放组件调整和前放组件紧固等工序集成起来，可提高光学镜头的装调精度和速度，具有易于实现、通用性强、装调精度高、装调效率高等优点；

(3)本发明的装调装置及方法可应用于采用聚焦型光学镜头的脉冲星敏感器和探测器，还可应用于光学镜头与探测器之间对准精度要求高的其他类型敏感器，适用范围广。

附图说明

图1a为根据本发明的实施例的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置(不含敏感器)示意图；

图1b为根据本发明的实施例的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置(含装调完成的敏感器)示意图；

图2为根据本发明的实施例的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置光路示意图；

图3为根据本发明的实施例的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置光学对准机构剖视图；

图4a为根据本发明的实施例的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置调整机构正面的示意图；

图4b为根据本发明的实施例的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置调整机构背面的示意图；

图5为根据本发明的实施例的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置调整机构(含前后配合的组件)示意图；

图6为根据本发明的实施例的X射线脉冲星导航敏感器在线装调方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1a、图1b所示，一种X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置，包括：X射线脉冲星导航敏感器、平行光管1、光学对准机构、电荷耦合探头9、调整机构4、焦平面接收屏17、两轴转台7、敏感器支架6和计算机18。

在本发明的实施例中，X射线脉冲星导航敏感器包括光学镜头2、镜筒3、调整机构4和前放组件5，镜筒3位于光学镜头2后端，光学镜头2和镜筒3通过法兰盘连接成为整体，前放组件5通过调整机构4与镜筒3连接，前放组件5具有探测器。

敏感器支架6安装在两轴转台7上，用于固定X射线脉冲星导航敏感器。

两轴转台7用于调整X射线脉冲星导航敏感器的光轴，使得X射线脉冲星导航敏感器的光轴与入射光的光轴平行。

平行光管1位于光学镜头2的前端，用于生成平行光，并将该平行光作为光学镜头2的入射光。

焦平面接收屏17包括接收屏和支撑架，可在光学镜头2的焦平面处接收光学镜头2的聚焦光斑，并在通过两轴转台7将光学镜头2光轴与入射光的光轴调整平行之后移除。

如图3所示，光学对准机构位于光学镜头2内部，光学对准机构的光轴与光学镜头2的光轴重合，在示例中，光学对准机构包括定位筒8、调整筒10、间隔圈12、伸缩筒11和对准透镜13和压圈14，电荷耦合探头9位于光学对准机构的定位筒8内，通过微调调整筒10和伸缩筒11控制前放组件5和电荷耦合探头9之间的共轭距离，使电荷耦合探头9能够在焦平面接收屏清晰成像因此，可用光学对准机构的光轴表征掠入射光学镜头2的光轴。

如图2所示，入射光经过平行光管1后被调整为平行光，并掠入射光学镜头2后聚焦于焦平面17，光斑的光穿过镜筒3到达对准透镜13，经对准透镜汇聚后到达电荷耦合探头9。电荷耦合探头9可测量光学镜头2聚焦光斑的大小、形状和位置，并通过计算机18显示光斑。计算机18可对电荷耦合探头9检测的光斑进行放大显示。

如图4a、图4b和图5所示，调整机构4位于镜筒3和前放组件5之间，可使前放组件5能够进行X向和Y向平移调整，并使前放组件5的探测器的表面位于光学镜头2的焦平面内。在示例中，调整机构4包括四个顶丝16和调整板15，X向的顶丝16为两个，分别处于调整板15的左右两侧，Y向的顶丝16为两个，分别处于调整板15的上下两侧，通过调节顶丝16来对前放组件5进行X向和Y向平移调整，顶丝16为圆柱螺杆，顶丝16与前放组件5接触的端部为球面，顶丝16的侧面具有刻度。此外，通过调节调整板15的位置使前放组件5探测器表面位于焦平面内。在示例中，调整板15和镜筒3之间通过两个能够平行移动的螺钉连接，使调整板15能够在水平方向平移，调整板15和前放组件5之间通过两个能够平行移动的螺钉连接，使前放组件5能够在水平方向平移。

图6为根据本发明的实施例的X射线脉冲星导航敏感器在线装调方法的流程图。如图6所示，所述X射线脉冲星导航敏感器在线装调方法包括以下步骤。

S1、准备：将光学镜头2和镜筒3固定于敏感器支架6上，并将敏感器支架6安装于两轴转台7上，使用尺子测量出光学镜头2的焦平面的位置，将焦平面接收屏17放置于焦平面的位置，将光学对准机构安装于光学镜头2内的中心位置，并将电荷耦合探头9安装于光学对准机构的定位筒8内，通过反复调整电荷耦合探头9和光学对准机构的位置，使电荷耦合探头9在焦平面接收屏17上清晰成像，然后将光学对准机构和电荷耦合探头9固定，并将电荷耦合探头9与计算机18连接。

S2、光学镜头调整：开启平行光管1，使平行的入射光经过光学镜头2聚焦，聚焦的光斑在焦平面接收屏17上清晰成像，通过计算机18显示光斑的形状和大小，通过调整两轴转台7，实时观察光斑的变化，当光斑变为正圆形，且直径最小时，光学镜头2的光轴与平行光管1的光轴平行，使两轴转台7保持当前位置，移除焦平面接收屏17，完成光学镜头2的调整。

S3、前放组件安装：将调整板15安装于镜筒3的后端，调整板15和镜筒3之间的两个能够平行移动的螺钉不紧固，然后将前放组件5安装于调整板15的后端，调整板15和前放组件5之间的两个能够平行移动的螺钉不紧固，将四个顶丝16安装于调整板15的侧面，X向的顶丝16为两个，分别处于调整板15的左右两侧，Y向的顶丝16为两个，分别处于调整板15的上下两侧，以用于对前放组件5进行X向平移调整，和Y向平移调整。

S4、光斑测量：使用电荷耦合探头9对前放组件5的探测器和聚焦的光斑之间的相对位置进行测量，根据电荷耦合探头9的放大倍数和前放组件5的探测器的尺寸，来确定X向和Y向的调整量。

S5、前放组件调整：通过调整顶丝16，使聚焦的光斑位于前放组件5的探测器的中心，其中，首先调整X向的两个顶丝16，X向的两个顶丝16同时旋动，使顶丝16的端部始终与镜筒3的侧面接触，使前放组件5在X方向平移，并使光斑移动到探测器X向的中心，然后同时旋动Y向的两个顶丝16，使顶丝16的端部始终与前放组件5的侧面接触，使前放组件5在Y方向平移，使光斑移动到探测器Y向的中心。通过重复步骤S4和S5进行反复调整，使光斑动到探测器的中心位置。

S6、前放组件紧固：调整板15和镜筒3之间的螺钉紧固，并将调整板15和前放组件5之间的螺钉紧固，并使用粘接胶固封所述螺钉，然后拆除顶丝16，在顶丝16的位置安装螺丝，并使用粘接胶固封所述螺丝。

实施例

通过使用本发明的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置与方法，可实现焦距长1200mm的X射线脉冲星导航敏感器轴向对准精度0.5mm，径向精度0.1mm，显著提升了X射线脉冲星导航敏感器的对准精度。

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。

Claims (9)

1.一种X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置，其特征在于，包括：X射线脉冲星导航敏感器、平行光管(1)、光学对准机构、电荷耦合探头(9)、焦平面接收屏(17)、两轴转台(7)、敏感器支架(6)和计算机(18)；

X射线脉冲星导航敏感器包括光学镜头(2)、镜筒(3)、调整机构(4)和前放组件(5)，镜筒(3)的一端通过法兰盘与光学镜头(2)连接为一体，另一端通过调整机构(4)与前放组件(5)连接，前放组件(5)上设置有探测器；

敏感器支架(6)安装在两轴转台(7)上，用于固定X射线脉冲星导航敏感器；

两轴转台(7)用于调整X射线脉冲星导航敏感器的光轴，使得X射线脉冲星导航敏感器的光轴与入射光的光轴平行；

平行光管(1)位于光学镜头(2)的前端，用于生成平行光，并将所述平行光作为光学镜头(2)的入射光；

焦平面接收屏(17)包括接收屏和支撑架，用于在光学镜头(2)的焦平面处接收光学镜头(2)的聚焦光斑，并在通过两轴转台(7)将光学镜头(2)光轴与入射光的光轴调整平行之后移除；

光学对准机构位于光学镜头(2)内部，电荷耦合探头(9)位于光学对准机构的前端中心，通过微调光学对准机构，使电荷耦合探头(9)能够在焦平面接收屏(17)清晰成像，其中，电荷耦合探头(9)用于测量光学镜头(2)聚焦光斑的大小、形状和位置，并通过计算机(18)显示光斑。

2.根据权利要求1所述的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置，其特征在于，所述光学对准机构包括定位筒(8)、调整筒(10)、间隔圈(12)、伸缩筒(11)、对准透镜(13)和压圈(14)，其中，定位筒(8)设置在调整筒(10)内，伸缩筒(11)设置在调整筒(10)的后端，对准透镜(13)设置在伸缩筒(11)的后端，压圈(14)设置在准透镜(13)后端，用于固定准透镜(13)，间隔圈(12)设置在伸缩筒(11)内；

所述光学对准机构安装在光学镜头(2)内部，电荷耦合探头(9)位于定位筒(8)内，通过微调调整筒(10)和伸缩筒(11)来控制前放组件(5)和电荷耦合探头(9)之间的共轭距离，使电荷耦合探头(9)能够在焦平面接收屏清晰成像。

3.根据权利要求1所述的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置，其特征在于，调整机构(4)设置在镜筒(3)和前放组件(5)之间，用于使前放组件(5)能够进行平移调整，并使前放组件(5)的探测器的表面位于光学镜头(2)的焦平面内。

4.根据权利要求3所述的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置，其特征在于，调整机构(4)包括顶丝(16)和调整板(15)，被构造为通过调节顶丝(16)来对前放组件(5)进行X向和Y向平移调整，并通过调节调整板(15)的位置使前放组件(5)探测器表面位于焦平面内，其中，X向为水平方向，Y向为竖直方向。

5.根据权利要求4所述的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置，其特征在于，顶丝(16)的数量为四个，其中，X向的顶丝(16)为两个，分别处于调整板(15)的左右两侧，Y向的顶丝(16)为两个，分别处于调整板(15)的上下两侧，顶丝(16)为圆柱螺杆，顶丝(16)与前放组件(5)接触的端部为球面，顶丝(16)的侧面具有刻度。

6.根据权利要求3所述的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置，其特征在于，调整板(15)和镜筒(3)之间通过两个能够沿光轴方向平行移动的螺钉连接，调整板(15)和前放组件(5)之间通过两个能够沿光轴方向平行移动的螺钉连接。

7.根据权利要求1所述的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置，其特征在于，计算机(18)被配置为对电荷耦合探头(9)检测的光斑进行放大显示。

8.一种基于权利要求1的X射线脉冲星导航敏感器在线装调装置的X射线脉冲星导航敏感器在线装调方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将光学镜头(2)和镜筒(3)固定于敏感器支架(6)上，并将敏感器支架(6)安装于两轴转台(7)上，使用尺子测量出光学镜头(2)的焦平面的位置，将焦平面接收屏(17)放置于焦平面的位置，将光学对准机构安装于光学镜头(2)内的中心位置，并将电荷耦合探头(9)安装于光学对准机构的定位筒(8)内，通过微调调整筒(10)和伸缩筒(11)来控制前放组件(5)和电荷耦合探头(9)之间的共轭距离，使电荷耦合探头(9)在焦平面接收屏(17)上清晰成像，然后将光学对准机构和电荷耦合探头(9)固定，并将电荷耦合探头(9)与计算机(18)连接；

S2、开启平行光管(1)，使平行的入射光经过光学镜头(2)聚焦，聚焦的光斑在焦平面接收屏(17)上清晰成像，通过计算机(18)显示光斑的形状和大小，通过调整两轴转台(7)，实时观察光斑，当光斑变为正圆形，且直径最小时，光学镜头(2)的光轴与平行光管(1)的光轴平行，使两轴转台(7)保持当前位置，移除焦平面接收屏(17)；

S3、将调整板(15)安装于镜筒(3)的后端，调整板(15)和镜筒(3)之间的能够平行移动的螺钉不紧固，然后将前放组件(5)安装于调整板(15)的后端，调整板(15)和前放组件(5)之间的能够平行移动的螺钉不紧固，将顶丝(16)安装于调整板(15)的侧面，以用于对前放组件(5)进行X向平移调整，和Y向平移调整；

S4、使用电荷耦合探头(9)对前放组件(5)的探测器和聚焦的光斑之间的相对位置进行测量，根据电荷耦合探头(9)的放大倍数和前放组件(5)的探测器的尺寸，来确定X向和Y向的调整量；

S5、通过调整顶丝(16)，使聚焦的光斑位于前放组件(5)的探测器的中心；

S6、调整板(15)和镜筒(3)之间的螺钉紧固，并将调整板(15)和前放组件(5)之间的螺钉紧固，并使用粘接胶固封所述螺钉，然后拆除顶丝(16)，在顶丝(16)的位置安装螺丝，并使用粘接胶固封所述螺丝。

9.根据权利要求8所述的X射线脉冲星导航敏感器在线装调方法，其特征在于，在步骤S5中，首先调整X向的两个顶丝(16)，X向的两个顶丝(16)同时旋动，使顶丝(16)的端部始终与镜筒(3)的侧面接触，X向调整完成后，同时旋动Y向的两个顶丝(16)，使顶丝(16)的端部始终与前放组件(5)的侧面接触。