CN108120989B - 焦距测量和焦面位置校准的装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焦距测量和焦面位置校准的装置、系统及方法，该系统包括装置及热真空试验设备，装置包括：激光测距装置、分束镜、目标靶板、照明光源、电控平移台、驱动控制器和控制器。当进行焦距测量和焦面位置校准时，利用激光测距技术和等光程分光手段，在模拟太空的低温和低气压条件下，实时对牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量，并计算得到相对应的目标焦面位置，根据当前焦面位置和目标焦面位置的差值计算得到电控平移台的移动距离，并通过数据接口将移动距离作为驱动指令发送至驱动控制器，通过驱动控制器控制电控平移，在牛顿式反射式准直系统的焦面移动至目标焦面位置，实现对当前焦面位置的校准。

Description

焦距测量和焦面位置校准的装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，更具体的说，涉及一种焦距测量和焦面位置校准的装置、系统及方法。

背景技术

空间光学遥感器作为空间飞行器所搭载的一种光学有效载荷，主要对地成像并将图像数据传输给指控中心。但是，由于空间为低温低气压环境，因此使得空间光学遥感器在空间的成像质量和地面成像质量不一致，所以需要在地面条件下通过热光学试验对空间光学遥感器的成像质量进行测试。目前，一般采用热真空试验设备和牛顿式反射式准直系统配合的方式对空间光学遥感器的成像质量进行测试。

空间光学遥感器测试所需的牛顿式反射式准直系统与普通准直系统(也称平行光管)有较大区别。牛顿式反射式准直系统整体拥有较好的框架外壳，但在光学试验条件下，该框架外壳会由于压力、温度等一系列原因而产生形变，加上牛顿式反射式准直系统的框架外壳相对较长，由此引起的形变被放大，导致在光学试验条件下，牛顿式反射式准直系统的焦距和焦面位置与理论有很大的差别，这种差别会导致对空间光学遥感器的成像质量测试存在较大误差。因此，如何在试验过程中获取牛顿式反射式准直系统的焦距和焦面位置成为空间光学遥感器地面热光学试验过程的主要任务之一。

目前，牛顿式反射式准直系统的焦距测量和焦面位置校验是在常温状态下进行的，然后再通过理论计算，利用调焦系统获得低温和低气压下的清晰成像，实现对牛顿式反射式准直系统的焦距和焦面位置的测试。这种方式虽然简单易行，但通过理论计算获得的试验数据和实际情况存在差别，这种差别在牛顿式反射式准直系统焦距较短的情况下不明显，但随着空间光学遥感器功能的不断提升，所需的牛顿式反射式准直系统的焦距越来越长，使得传统方案测得的理论数据和实际数据的差别越来越明显。

发明内容

有鉴于此，本发明公开一种焦距测量和焦面位置校准的装置、系统及方法，以实现在模拟太空的低温和低气压条件下对牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量以及对焦面位置进行校验。

一种焦距测量和焦面位置校准的装置，用于对被测牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量以及对焦面位置进行校准，所述被测牛顿式反射式准直系统包括：牛顿式反射式准直系统外框架、牛顿式反射式准直系统次境和牛顿式反射式准直系统主镜，所述装置包括：激光测距装置、分束镜、目标靶板、照明光源、电控平移台、驱动控制器和控制器；

所述激光测距装置用于测量等效焦面位置到所述牛顿式反射式准直系统主镜的距离；

所述分束镜具有第一接口、第二接口和第三接口，所述第三接口的位置分别与所述第一接口的位置、所述第三接口的位置成90度正交；所述第一接口用于与所述牛顿式反射式准直系统外框架连接，所述第二接口与所述激光测距装置连接，所述第三接口与所述电控平移台的底板相连接；

所述目标靶板和所述照明光源均设置在所述电控平移台的可移动部分，且所述照明光源放置在能够将所述目标靶板全部照亮且各个位置受光均匀的位置，所述目标靶板用于为所述被测牛顿式反射式准直系统的焦面提供测试所用图案；

所述控制器分别与所述激光测距装置和所述驱动控制器连接，所述驱动控制器与所述电控平移台连接，所述控制器用于采集在低温和低气压条件下，所述激光测距装置测量等效焦面位置到所述牛顿式反射式准直系统主镜的测距数据，根据所述测距数据计算所述被测牛顿式反射式准直系统的当前焦距值；根据所述当前焦距值计算得到对应目标焦面位置；根据所述被测牛顿式反射式准直系统的当前焦面位置和所述目标焦面位置的差值计算得到所述电控平移台的移动距离，并将所述移动距离作为驱动指令发送至所述驱动控制器；通过所述驱动控制器控制所述电控平移台在所述被测牛顿式反射式准直系统的焦面移动至所述目标焦面位置。

一种焦距测量和焦面位置校准的系统，包括上述所述的装置以及热真空试验设备，所述热真空试验设备与被测牛顿式反射式准直系统相连接，用于为所述被测牛顿式反射式准直系统测试提供模拟太空的低温和低气压条件。

一种焦距测量和焦面位置校准的方法，所述方法应用于上述焦距测量和焦面位置校准的装置中的控制器，所述方法包括：

采集在低温和低气压条件下，激光测距装置测量等效焦面位置到牛顿式反射式准直系统主镜的测距数据；

根据所述测距数据计算被测牛顿式反射式准直系统在环境发生变化前的第一焦距值和在环境发生变化后的第二焦距值；

根据所述第一焦距值和所述第二焦距值，计算得到目标靶板的位置变化量；

根据所述目标靶板的位置变化量计算得到电控平移台的驱动信号脉冲数；

将所述驱动信号脉冲数发送至驱动控制器，通过所述驱动控制器控制所述电控平移台在所述被测牛顿式反射式准直系统的焦面移动至目标焦面位置。

优选的，根据所述测距数据计算被测牛顿式反射式准直系统在环境发生变化前的第一焦距值和在环境发生变化后的第二焦距值，具体包括：

根据公式(1)计算所述被测牛顿式反射式准直系统的第一焦距值f_col，公式(1)如下：

式中，x_i为环境变化前测距数据的测量值，n为合计数据组数，υ为分束镜自身产生的光程残差，为已知；

根据公式(2)计算所述被测牛顿式反射式准直系统的第二焦距值f′_col，公式(2)如下：

式中，y_i为环境变化后测距数据的测量值，m为合计数据组数，υ为分束镜自身产生的光程残差，为已知。

优选的，根据所述第一焦距值和所述第二焦距值，计算得到目标靶板的位置变化量，具体包括：

根据公式(3)计算得到目标靶板的位置变化量ΔT，公式(3)如下：

优选的，根据所述目标靶板的位置变化量计算得到电控平移台的驱动信号脉冲数，具体包括：

根据公式(4)计算得到电控平移台的驱动信号脉冲数s，公式(4)如下：

式中，a为所述电控平移台电机转动一圈带动轴移动距离，b为所述驱动控制器的驱动细分值。

从上述的技术方案可知，本发明提供了一种焦距测量和焦面位置校准的装置、系统及方法，该系统包括装置及热真空试验设备，装置包括：激光测距装置、分束镜、目标靶板、照明光源、电控平移台、驱动控制器和控制器。当进行焦距测量和焦面位置校准时，利用激光测距技术和等光程分光手段，在模拟太空的低温和低气压条件下，实时对牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量，并计算得到相对应的目标焦面位置，根据当前焦面位置和目标焦面位置的差值计算得到电控平移台的移动距离，并通过数据接口将移动距离作为驱动指令发送至驱动控制器，通过驱动控制器控制电控平移，在牛顿式反射式准直系统的焦面移动至目标焦面位置，实现对当前焦面位置的校准。由于本发明是在模拟太空的低温和低气压条件下对牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量以及对焦面位置进行校验，因此，具有实时性和准确性的特点，相对于传统方案而言，可为空间光学遥感器热光学试验过程及成像质量的测试提供准确的测量基准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据公开的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种焦距测量和焦面位置校准的装置结构图；

图2为本发明实施例公开的一种焦距测量和焦面位置校准的系统结构图；

图3为本发明实施例公开的一种焦距测量和焦面位置校准的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种焦距测量和焦面位置校准的装置、系统及方法，以实现在模拟太空的低温和低气压条件下对牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量以及对焦面位置进行校验。

参见图1，本发明一实施例公开的一种焦距测量和焦面位置校准的装置结构图，用于对被测牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量以及对焦面位置进行校准，如图1所示，被测牛顿式反射式准直系统包括：牛顿式反射式准直系统外框架a、牛顿式反射式准直系统次境b和牛顿式反射式准直系统主镜c；

测量装置包括：

激光测距装置1、分束镜2、目标靶板3、照明光源4、电控平移台5、驱动控制器6和控制器7。

测量装置各组成部分的连接关系如下：

分束镜2具有三个接口，分别为：第一接口、第二接口和第三接口，第三接口的位置分别与第一接口的位置和第二接口的位置成90度正交；

第一接口用于与牛顿式反射式准直系统外框架a相连接；第二接口用于与激光测距装置1连接；第三接口与电控平移台5的底板相连接，也即第三接口与电控平移台5不能平移的部分连接。

目标靶板3和照明光源4均设置在电控平移台5的可移动部分，并且，照明光源4放置在能够将目标靶板3全部照亮且各个位置受光均匀的位置。

驱动控制器6与电控平移台5的控制接口连接并提供驱动。

控制器7分别与激光测距装置1和驱动控制器6相连接。

测量装置各组成部分的功能如下：

激光测距装置1用于实时测量等效焦面位置到牛顿式反射式准直系统主镜c的距离。

分束镜2用于将被测牛顿式反射式准直系统汇聚的光束分成两路，并可同时进行激光测距和焦面目标投射。

目标靶板3用于为被测牛顿式反射式准直系统的焦面提供测试所用图案。

照明光源4用于为目标靶板3照明。

电控平移台5用于承载目标靶板3和照明光源4，并根据校准结果移动。

驱动控制器6用于接受控制器7的驱动指令为电控平移台5提供驱动。

控制器7采用Windows操作系统运行程序。

本发明公开的装置的工作原理为：

1、光路对准与装调，当对牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量并对焦面位置进行校准时，将激光测距装置1、分束镜2和目标靶板3通过电控平移台5与被测牛顿式反射式准直系统的相对位置调整好，使得目标靶板3所在的位置与激光测距装置1出/入射口所在的位置恰好处于焦面位置，将被测牛顿式反射式准直系统与能够产生低温和低气压的热真空试验设备相连接，以通过热真空试验设备模拟太空的低温和低气压条件。

2、开始热光学试验，待被测牛顿式反射式准直系统稳定后，开启照明光源4照亮目标靶板3，并通过分束镜2射入被测牛顿式反射式准直系统次境b和牛顿式反射式准直系统主镜c；

3、实时数据测量，将激光测距装置1调整至与牛顿式反射式准直系统主镜c的中心面垂直，启动激光测距装置1，按照预设测试流程对牛顿式反射式准直系统主镜c的中心位置和近轴上、下、左和右四个位置进行若干次测量，并将各个位置若干次测量结果的平均值作为结果。

4、测量结果的处理与校准，控制器7采集在低温和低气压条件下，激光测距装置1测量该激光测距装置1到牛顿式反射式准直系统主镜c的测距数据，通过数据线将该数据传输至控制器7并显示，根据当前焦距值计算对应的目标焦面位置，该目标焦面位置即为目标靶板3所在的位置；根据被测牛顿式反射式准直系统的当前焦面位置和目标焦面位置的差值计算得到电控平移台5的移动距离，并通过控制器7的数据接口将移动距离作为驱动指令发送至驱动控制器6；通过驱动控制器6控制电控平移台5在牛顿式反射式准直系统的焦面移动至目标焦面位置，实现对当前焦面位置的校准。

综上可知，本发明提供的牛顿式反射式准直系统的焦距测量和焦面位置校准的装置，利用激光测距技术和等光程分光手段，在模拟太空的低温和低气压条件下，实时对牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量，并计算得到相对应的目标焦面位置，根据当前焦面位置和目标焦面位置的差值计算得到电控平移台5的移动距离，并通过数据接口将移动距离作为驱动指令发送至驱动控制器6，通过驱动控制器6控制电控平移，5在牛顿式反射式准直系统的焦面移动至目标焦面位置，实现对当前焦面位置的校准。由于本发明是在模拟太空的低温和低气压条件下对牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量以及对焦面位置进行校验，因此，具有实时性和准确性的特点，相对于传统方案而言，可为空间光学遥感器热光学试验过程及成像质量的测试提供准确的测量基准。

参见图2，本发明一实施例公开的一种焦距测量和焦面位置校准的系统结构图，该系统包括图1所示的焦距测量和焦面位置校准的装置以及热真空试验设备d，热真空试验设备d与被测牛顿式反射式准直系统相连接，用于为被测牛顿式反射式准直系统测试提供模拟太空的低温和低气压条件。

其中，焦距测量和焦面位置校准的系统的工作原理请参见上述实施例，此次不再赘述。

综上可知，本发明提供的牛顿式反射式准直系统的焦距测量和焦面位置校准的系统，利用激光测距技术和等光程分光手段，在模拟太空的低温和低气压条件下，实时对牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量，并计算得到相对应的目标焦面位置，根据当前焦面位置和目标焦面位置的差值计算得到电控平移台5的移动距离，并通过数据接口将移动距离作为驱动指令发送至驱动控制器6，通过驱动控制器6控制电控平移5在牛顿式反射式准直系统的焦面移动至目标焦面位置，实现对当前焦面位置的校准。由于本发明是在模拟太空的低温和低气压条件下对牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量以及对焦面位置进行校验，因此，具有实时性和准确性的特点，相对于传统方案而言，可为空间光学遥感器热光学试验过程及成像质量的测试提供准确的测量基准。

与上述装置和系统实施例相对应，本发明还公开了一种焦距测量和焦面位置校准的方法。

参见图3，本发明一实施例公开的一种焦距测量和焦面位置校准的方法流程图，该方法应用于上述实施例中的控制器7，该方法包括步骤：

步骤S101、采集在低温和低气压条件下，激光测距装置测量等效焦面位置到牛顿式反射式准直系统主镜的测距数据；

步骤S102、根据测距数据计算被测牛顿式反射式准直系统在环境发生变化前的第一焦距值和在环境发生变化后的第二焦距值；

具体的，激光测距装置的示值为环境变化前测距数据测量值，记为x_i，合计n组数据；分束镜自身产生的光程残差为υ，该值经过标定为已知；因此可以根据公式(1)得到环境发生变化前牛顿式反射式准直系统的第一焦距值f_col；公式(1)如下：

当环境发生变化后,激光测距装置的示值为测距数据测量值，记为y_i，合计m组数据；分束镜自身产生的光程残差为υ，该值经过标定为已知；因此，可以根据公式(2)得到环境发生变化后牛顿式反射式准直系统的第二焦距值f′_col；公式(2)如下：

步骤S103、根据所述第一焦距值f_col和所述第二焦距值f′_col，计算得到目标靶板的位置变化量；

具体的，目标靶板的位置变化量为ΔT；计算公式(3)如下：

步骤S104、根据所述目标靶板的位置变化量计算得到电控平移台的驱动信号脉冲数；

具体的，电控平移台电机转动一圈带动轴移动距离为a；驱动控制器的驱动细分值为b；目标靶板的位置变化量为ΔT；根据公式(4)计算得到驱动信号脉冲数为s；；公式(4)如下：

步骤S105、将驱动信号脉冲数发送至驱动控制器，通过驱动控制器控制电控平移台在被测牛顿式反射式准直系统的焦面移动至目标焦面位置。

综上可知，本发明提供的牛顿式反射式准直系统的焦距测量和焦面位置校准的方法，利用激光测距技术和等光程分光手段，在模拟太空的低温和低气压条件下，实时对牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量，并计算得到相对应的目标焦面位置，根据当前焦面位置和目标焦面位置的差值计算得到电控平移台的移动距离，并通过数据接口将移动距离作为驱动指令发送至驱动控制器，通过驱动控制器控制电控平移在牛顿式反射式准直系统的焦面移动至目标焦面位置，实现对当前焦面位置的校准。由于本发明是在模拟太空的低温和低气压条件下对牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量以及对焦面位置进行校验，因此，具有实时性和准确性的特点，相对于传统方案而言，可为空间光学遥感器热光学试验过程及成像质量的测试提供准确的测量基准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种焦距测量和焦面位置校准的装置，用于对被测牛顿式反射式准直系统的焦距进行测量以及对焦面位置进行校准，所述被测牛顿式反射式准直系统包括：牛顿式反射式准直系统外框架、牛顿式反射式准直系统次境和牛顿式反射式准直系统主镜，其特征在于，所述装置包括：激光测距装置、分束镜、目标靶板、照明光源、电控平移台、驱动控制器和控制器；

所述激光测距装置用于测量等效焦面位置到所述牛顿式反射式准直系统主镜的距离；

所述分束镜具有第一接口、第二接口和第三接口，所述第三接口的位置分别与所述第一接口的位置、所述第二接口的位置成90度正交；所述第一接口用于与所述牛顿式反射式准直系统外框架连接，所述第二接口与所述激光测距装置连接，所述第三接口与所述电控平移台的底板相连接；

所述目标靶板和所述照明光源均设置在所述电控平移台的可移动部分，且所述照明光源放置在能够将所述目标靶板全部照亮且各个位置受光均匀的位置，所述目标靶板用于为所述被测牛顿式反射式准直系统的焦面提供测试所用图案；

所述控制器分别与所述激光测距装置和所述驱动控制器连接，所述驱动控制器与所述电控平移台连接，所述控制器用于采集在低温和低气压条件下，所述激光测距装置测量等效焦面位置到所述牛顿式反射式准直系统主镜的测距数据，根据所述测距数据计算所述被测牛顿式反射式准直系统的当前焦距值；根据所述当前焦距值计算得到对应目标焦面位置；根据所述被测牛顿式反射式准直系统的当前焦面位置和所述目标焦面位置的差值计算得到所述电控平移台的移动距离，并将所述移动距离作为驱动指令发送至所述驱动控制器；通过所述驱动控制器控制所述电控平移台在所述被测牛顿式反射式准直系统的焦面移动至所述目标焦面位置。

2.一种焦距测量和焦面位置校准的系统，其特征在于，包括权利要求1所述的装置以及热真空试验设备，所述热真空试验设备与被测牛顿式反射式准直系统相连接，用于为所述被测牛顿式反射式准直系统测试提供模拟太空的低温和低气压条件。

3.一种焦距测量和焦面位置校准的方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1中焦距测量和焦面位置校准的装置中的控制器，所述方法包括：

采集在低温和低气压条件下，激光测距装置测量等效焦面位置到牛顿式反射式准直系统主镜的测距数据；

根据所述测距数据计算被测牛顿式反射式准直系统在环境发生变化前的第一焦距值和在环境发生变化后的第二焦距值；

根据所述第一焦距值和所述第二焦距值，计算得到目标靶板的位置变化量；

根据所述目标靶板的位置变化量计算得到电控平移台的驱动信号脉冲数；

将所述驱动信号脉冲数发送至驱动控制器，通过所述驱动控制器控制所述电控平移台在所述被测牛顿式反射式准直系统的焦面移动至目标焦面位置。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述测距数据计算被测牛顿式反射式准直系统在环境发生变化前的第一焦距值和在环境发生变化后的第二焦距值，具体包括：

根据公式(1)计算所述被测牛顿式反射式准直系统的第一焦距值fcol，公式(1)如下：

式中，xi为环境变化前测距数据的测量值，n为合计数据组数，υ为分束镜自身产生的光程残差，为已知；

根据公式(2)计算所述被测牛顿式反射式准直系统的第二焦距值f′col，公式(2)如下：

式中，yi为环境变化后测距数据的测量值，m为合计数据组数，υ为分束镜自身产生的光程残差，为已知。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述第一焦距值和所述第二焦距值，计算得到目标靶板的位置变化量，具体包括：

根据公式(3)计算得到目标靶板的位置变化量ΔT，公式(3)如下：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述目标靶板的位置变化量计算得到电控平移台的驱动信号脉冲数，具体包括：

根据公式(4)计算得到电控平移台的驱动信号脉冲数s，公式(4)如下：

式中，a为所述电控平移台电机转动一圈带动轴移动距离，b为所述驱动控制器的驱动细分值。

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