CN109870828A - 一种实现星敏感器像面高精度正交性调整系统及调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实现星敏感器像面高精度正交性调整系统及调整方法。解决现有星敏感器的装调方式效率低、调整精度低的问题。该系统包括照明光源、目标测试靶组件、大视场平行光管、星敏感器和控制处理模块;目标测试靶组件包括一维平移台以及设置在一维平移台上的目标测试靶;目标测试靶上至少设置有中心星点、上星点、下星点、左星点和右星点,中心星点设置在目标测试靶的中心,上星点、下星点、左星点、右星点均布在以中心星点为圆心的圆周上;照明光源、目标测试靶组件、大视场平行光管、星敏感器依次设置;控制处理模块分别与一维平移台、安装调节架和星敏感器连接。同时,本发明还提供一种基于上述系统的星敏感器像面高精度正交性调整方法。

Description

一种实现星敏感器像面高精度正交性调整系统及调整方法
技术领域
本发明涉及光学装配领域,具体涉及一种实现星敏感器像面高精度正交性调整系统及调整方法。
背景技术
星敏感器是目前精度最高的姿态测量敏感器,在空间定位以及遥感测绘等方面具有广泛的应用。星敏感器具有焦距短、视场大、精度高、应用广泛等特点。星敏感器主要由光学镜头及探测器组成,整机装调需要调整光学镜头的光轴与探测器正交,保证光学像面与探测器像面的高精度重合。
传统的装调方式是通过平行光管和转台对光学系统轴外视场推扫成像,通过判读轴外视场的成像情况,从而调整光学镜头与探测器之间的连接垫片实现装调。此种装调方式依赖于中心光轴的定位精度以及转台的旋转精度,并且需要推扫成像测量判别。因此,此种方式效率较低、调整精度较低,严重影响了星敏感器的测量精度。
发明内容
本发明的目的是解决现有星敏感器的装调方式效率低、调整精度低的问题,提供一种实现星敏感器像面高精度正交性调整系统及调整方法。
本发明的技术解决方案如下:
一种实现星敏感器像面高精度正交性调整系统,包括照明光源、目标测试靶组件、大视场平行光管、星敏感器和控制处理模块;所述目标测试靶组件包括一维平移台以及设置在一维平移台上的目标测试靶;所述目标测试靶上至少设置有中心星点、上星点、下星点、左星点和右星点,所述中心星点设置在目标测试靶的中心,所述上星点、下星点、左星点、右星点均布在以中心星点为圆心的圆周上;所述照明光源、目标测试靶组件、大视场平行光管、星敏感器依次设置;所述照明光源对目标测试靶照明,所述目标测试靶设置在大视场平行光管的焦面上;所述星敏感器放置在大视场平行光管的出射光口径内;所述控制处理模块分别与一维平移台、安装调节架和星敏感器连接。
进一步地,所述照明光源、目标测试靶组件、大视场平行光管、星敏感器均设置在隔振平台上,隔振平台的作用是为测试提供稳定的环境,避免震动以及气流对测试精度的影响,提高测试重复性。
进一步地,所述照明光源采用卤钨灯与积分球组合的方式实现大面积均匀照明,所述积分球的入光口处放置卤钨灯,实现对大视场平行光管靶标的均匀照明
进一步地,所述星敏感器的下方设置有安装调节架,该安装调节架具有俯仰、方位以及旋转调节功能,由于大视场平行光管是静止不动的,所以为了微调星敏感器与大视场平行光管的位置,使得大视场平行光管出射光束完全充满被测星敏感器,需将星敏感器安装在需将星敏感器安装在调节架上。
进一步地,所述目标测试靶的中心星点与大视场平行光管的光轴重合。
同时,本发明还提供一种基于上述系统的星敏感器像面高精度正交性调整方法,包括以下步骤:
1)开启照明光源,对目标测试靶照明;
2)一维平移台前后移动,实现目标测试靶的前后离焦;
3)星敏感器实时采集目标测试靶的测试图像,通过质心判读算法计算不同离焦位置处各星点的弥散斑直径,找到各星点成像时弥散斑直径最小的图像,并提取该图像对应的一维平移台位置,该位置为各星点的最佳成像时的一维平移台的轴向位置d1~d5;d1为中心星点最佳成像时所对应的一维平移台位置,d2为上星点最佳成像时所对应的一维平移台位置,d3为下星点最佳成像时所对应的一维平移台位置,d4为左星点最佳成像时所对应的一维平移台位置;d5为右星点最佳成像时所对应的一维平移台位置;
4)根据各星点最佳成像时对应的一维平移台轴向位置得到星敏感器光学镜头光轴与探测器像面的俯仰倾斜角度α和方位调整角度β;
其中,Dx为上星点、下星点在目标测试靶上的距离;Dy为左星点、右星点在目标测试靶上的距离;f光管为大视场平行光管的焦距;f镜头为被测星敏感器4镜头的焦距;
5)根据得到的俯仰倾斜角度α和方位调整角度β对探测器的姿态进行调整,实现星敏感器光学镜头与探测器的正交调整。
此外,本发明还提供另一种基于上述系统的星敏感器像面高精度正交性调整方法,包括以下步骤:
1)开启照明光源,对目标测试靶照明;
2)一维平移台前后移动,实现目标测试靶的前后离焦;
3)星敏感器实时采集目标测试靶的测试图像,通过质心判读算法计算不同离焦位置处各星点的弥散斑直径,找到各星点成像时弥散斑直径最小的图像,并提取该图像对应的一维平移台位置,该位置为各星点的最佳成像时的一维平移台的轴向位置d1~d5;d1为中心星点最佳成像时所对应的一维平移台7位置,d2为上星点最佳成像时所对应的一维平移台位置,d3为下星点最佳成像时所对应的一维平移台位置,d4为左星点最佳成像时所对应的一维平移台位置;d5为右星点最佳成像时所对应的一维平移台位置;
4)根据各星点最佳成像时对应的一维平移台轴向位置,得到各个调整垫片的厚度,实现星敏感器光轴与探测器的正交调整;
4.1)根据各星点最佳成像时对应的一维平移台轴向位置,计算得到各星点的z坐标,各星点的x、y坐标已知,从而得知各星点的坐标(x、y、z);
4.2)根据各星点的坐标,求出平面方程;
4.3)将各调整垫片已知的x、y坐标值代入步骤4.2)得到的平面方程,得到各调整垫片的z坐标,该z坐标即为各垫片计算厚度,通过该计算厚度对各垫片进行调整,实现星敏感器光轴与探测器的正交调整。
进一步地,步骤1)和步骤2)之间还包括星敏感器调整步骤:将星敏感器整机放置在安装调节架上,微调星敏感器与大视场平行光管的位置,使得大视场平行光管3出射光束完全充满被测星敏感器。
本发明与现有技术相比,有益效果是:
本发明提供一种实现星敏感器像面高精度正交性调整系统及调整方法,该装调系统不要求星敏镜头光轴与平行光管的高精度同轴,因此节约了调整时间,而且该系统是通过平行光管焦面离焦推扫的方式确定星敏镜头的最佳像面,不需要使用三维转台实现星敏镜头的多状态图像采集,更加进一步缩短了装调测试周期,从而提高了星敏感器的装调效率。此外,通过该系统可以实现星敏感器镜头光轴与探测器像面的高精度正交对中调整,量化被测参数指标,提高光机组件装调质量。
附图说明
图1是本发明实现星敏感器像面高精度正交性调整系统的结构示意图;
图2本发明调整系统中目标测试靶示意图;
图3为目标测试靶在探测器上的成像位置与垫片相对位置分布图。
附图标记:1-照明光源,2-目标测试靶,3-大视场平行光管,4-星敏感器,5-隔振平台,6-控制处理模块,7-一维平移台,8-安装调节架。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
若星敏感器的探测器像面相对系统光轴发生倾斜,使得探测器像面中的各像元不在同一垂直焦面上,造成像面成像呈现焦前焦后状态,不同视场处的质心发生变化,影响星敏感器的测量精度,因此实现探测器与系统光轴的正交调整是至关重要的。本发明提供一种实现星敏感器像面高精度正交性调整系统和调整方法,通过该系统可以实现星敏感器的系统光轴与探测器像面的高精度正交对中调整,量化被测参数指标,提高光机组件装调质量和装调精度,缩短装调周期。
如图1所示,本发明提供的实现星敏感器像面高精度正交性调整系统包括照明光源1、目标测试靶组件、大视场平行光管3、星敏感器4、隔振平台5以及控制处理模块6。目标测试靶组件主要由目标测试靶2以及一维平移台7组成,目标测试靶2安装在一维平移台7上,一维平移台7实现目标测试靶2的前后离焦。
如图2所示,目标测试靶2的中心以及分布圆上设置有五个星点,具体为目标测试靶2上设置有中心星点、上星点、下星点、左星点和右星点,中心星点设置在目标测试靶2的中心,上星点、下星点、左星点、右星点均布在以中心星点为圆心的圆周上。
照明光源1、目标测试靶组件、大视场平行光管3、星敏感器4依次设置,照明光源1对目标测试靶2均匀照明,目标测试靶2设置在大视场平行光管3焦面上,且目标测试靶2装配时其中心星点与大视场平行光管3光轴重合;星敏感器4放置在大视场平行光管3的出射光口径内。由于大视场平行光管3视场大,导致目标测试靶2的靶面面积很大,达到150mm,通常的卤钨灯以及氙灯的照明口径只有30mm左右,因此本发明选用了卤钨灯与与积分球组合的方式实现大面积的均匀照明,积分球的入光口处放置卤钨灯,入光口直径为30mm,积分球出射口直径为160mm,卤钨灯光源经过积分球后形成出射光束直径为160mm的均匀光束,实现对大视场平行光管150mm靶标的均匀照明,所以卤钨灯与积分球组合使用能够提供大面积的均匀照明。
照明光源1、目标测试靶2、大视场平行光管3、星敏感器4均设置在隔振平台5上,隔振平台5的作用是为测试提供稳定的环境,避免震动以及气流对测试精度的影响,提高测试重复性。将星敏感器4整机放置在安装调节架8上,该调节架具有俯仰、方位以及旋转调节功能,由于大视场平行光管3是静止不动的,所以为了微调星敏感器4与大视场平行光管3的位置,使得大视场平行光管3出射光束完全充满被测星敏感器4,需将星敏感器4安装在调节架上。
控制处理模块6分别与一维平移台7、安装调节架8和星敏感器4连接,控制处理模块6包括控制模块以及图像处理模块,控制模块实现的功能是:控制一维平移台7的前后离焦并反馈一维平移台7的离焦位置坐标,星敏感器4实时采集目标测试靶2的测试图像,传输给图像处理模块;图像处理模块用来处理采集到的测试图像,计算目标测试靶2五个分布星点的弥散斑直径。
本发明提供的星敏感器高精度正交性调整方法包括以下步骤:
1)开启照明光源1,使其对目标测试靶2均匀照明;
2)将星敏感器4整机放置在安装调节架8上;
该安装调节架具有俯仰、方位以及旋转调节功能,从而可以微调星敏感器4与大视场平行光管3的位置,使得大视场平行光管3出射光束完全充满被测星敏感器4;
3)一维平移台7的前后移动,从而实现目标测试靶2的前后离焦;
4)星敏感器4实时采集目标测试靶2的测试图像,并将该图像传输至控制处理模块6,通过质心判读算法计算星点能量80%的直径范围,该直径即为弥散斑直径,根据光学成像原理,若光学镜头光轴与探测器正交,则成像像面四个方向所成的星点像的弥散斑直径相等;
目标测试靶的星点分布图如图2所示,通过质心判读算法计算得到各离焦位置处四个方向星点的弥散斑直径,获得各星点成像弥散斑直径最小的图像,并提取该图像对应的一维平移台7位置,即为各星点的最佳成像像面时一维平移台7的轴向位置d1~d5,d1为中心星点最佳成像时所对应的一维平移台7位置,d2为上星点最佳成像时所对应的一维平移台7位置,d3为下星点最佳成像时所对应的一维平移台7位置,d4为左星点最佳成像时所对应的一维平移台7位置;d5为右星点最佳成像时所对应的一维平移台7位置;
5)根据各星点最佳成像对应的一维平移台7轴向位置以及光学轴向放大公式和角放大公式推导得出光学镜头光轴与探测器像面俯仰倾斜角度α和方位调整角度β,计算公式如公式1及公式2所示,
其中,f光管为大视场平行光管的焦距,f镜头为被测星敏感器镜头的焦距,Dx为上、下星点在目标测试靶上的距离,Dy为左、右星点在目标测试靶上的距离;
6)根据得到的俯仰倾斜角度α和方位调整角度β对探测器的姿态进行调整,实现星敏感器光学镜头光轴与探测器的正交调整。
此外,本发明还提供另一种星敏感器像面高精度正交性调整方法,包括以下步骤:
1)开启照明光源1,使其对目标测试靶2均匀照明;
2)将星敏感器4整机放置在安装调节架8上;
该安装调节架具有俯仰、方位以及旋转调节功能,从而可以微调星敏感器4与大视场平行光管3的位置,使得大视场平行光管3出射光束完全充满被测星敏感器4;
3)一维平移台7的前后移动,从而实现目标测试靶2的前后离焦;
4)星敏感器4实时采集目标测试靶2的测试图像,并将该图像传输至控制处理模块6,通过质心判读算法计算星点能量80%的直径范围,该直径即为弥散斑直径,根据光学成像原理,若光学镜头光轴与探测器正交,则成像像面四个方向所成的星点像的弥散斑直径相等;
目标测试靶2星点分布图如图2所示,通过质心判读算法计算得到各离焦位置处四个方向星点的弥散斑直径,获得各星点成像弥散斑直径最小的图像,并提取该图像对应的一维平移台7位置,即为各星点的最佳成像像面时一维平移台7的轴向位置d1~d5,d1为中心星点最佳成像时所对应的一维平移台7位置,d2为上星点最佳成像时所对应的一维平移台7位置,d3为下星点最佳成像时所对应的一维平移台7位置,d4为左星点最佳成像时所对应的一维平移台7位置;d5为右星点最佳成像时所对应的一维平移台7位置;
5)根据几何计算公式求出各个调整垫片的厚度,从而实现星敏感器4光轴与探测器的正交调整。
图3为目标测试靶2在探测器上成像位置以及与四个调整垫片的对位置分布图,各星点在Φ1的分度圆上,经过大视场平行光管3以及星敏镜头后成像在探测器上Φ1’的分度圆上;根据星敏感器4整机设计输入,四个调整垫片位于Φ2的分度圆上。X1、X2、Y1、Y2、X1’、X2’、Y1’、Y2’在同一空间平面上;X1、X2、Y1、Y2的空间x、y坐标已知(公式3),空间z坐标通过推扫可以求解得出(公式3);
根据空间平面公式,已知四点即可求出平面方程(通过Matlab程序拟合计算)(公式4);
根据设计输入,X1’、X2’、Y1’、Y2’的x、y坐标已知(公式5),则根据平面方程(公式4)可以计算得到的Y2’、Y3’、Y4’的z坐标(z1’、z2’、z3’、z4’),z1’、z2’、z3’、z4’即为所要计算得出的四点垫片厚度。
Ax+By+Cz+D=0 (式4)

Claims (9)

1.一种实现星敏感器像面高精度正交性调整系统,其特征在于:包括照明光源(1)、目标测试靶组件、大视场平行光管(3)、星敏感器(4)和控制处理模块(6);
所述目标测试靶组件包括一维平移台(7)以及设置在一维平移台(7)上的目标测试靶(2);所述目标测试靶(2)上至少设置有中心星点、上星点、下星点、左星点和右星点,所述中心星点设置在目标测试靶(2)的中心,所述上星点、下星点、左星点、右星点均布在以中心星点为圆心的圆周上;
所述照明光源(1)、目标测试靶组件、大视场平行光管(3)、星敏感器(4)依次设置;所述照明光源(1)对目标测试靶(2)照明,所述目标测试靶(2)设置在大视场平行光管(3)的焦面上;所述星敏感器(4)放置在大视场平行光管(3)的出射光口径内;所述控制处理模块(6)分别与一维平移台(7)、安装调节架(8)和星敏感器(4)连接。
2.根据权利要求1所述的实现星敏感器像面高精度正交性调整系统,其特征在于:所述照明光源(1)、目标测试靶组件、大视场平行光管(3)、星敏感器(4)均设置在隔振平台(5)上。
3.根据权利要求2所述的实现星敏感器像面高精度正交性调整系统,其特征在于:所述照明光源(1)采用卤钨灯与积分球组合的方式实现大面积均匀照明,所述积分球的入光口处放置卤钨灯。
4.根据权利要求1或2或3所述的实现星敏感器像面高精度正交性调整系统,其特征在于:所述星敏感器(4)的下方设置有安装调节架(8)。
5.根据权利要求4所述的实现星敏感器像面高精度正交性调整系统,其特征在于:所述目标测试靶(2)的中心星点与大视场平行光管(3)的光轴重合。
6.一种基于权利要求1至5任一所述系统的星敏感器像面高精度正交性调整方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)开启照明光源,对目标测试靶照明;
2)一维平移台前后移动,实现目标测试靶的前后离焦;
3)星敏感器实时采集目标测试靶的测试图像,通过质心判读算法计算不同离焦处各星点的弥散斑直径,找到各星点成像时弥散斑直径最小的图像,并提取该图像对应的一维平移台位置,该位置为各星点的最佳成像时的一维平移台的轴向位置d1~d5;d1为中心星点最佳成像时所对应的一维平移台位置,d2为上星点最佳成像时所对应的一维平移台位置,d3为下星点最佳成像时所对应的一维平移台位置,d4为左星点最佳成像时所对应的一维平移台位置;d5为右星点最佳成像时所对应的一维平移台位置;
4)根据五个星点最佳成像时对应的一维平移台轴向位置,计算得出星敏感器光学镜头光轴与探测器像面的俯仰倾斜角度α和方位调整角度β;
其中,Dx为上星点、下星点在目标测试靶上的距离;Dy为左星点、右星点在目标测试靶上的距离;f光管为大视场平行光管的焦距;f镜头为被测星敏感器镜头的焦距;
5)根据得到的俯仰倾斜角度α和方位调整角度β对探测器的姿态进行调整,实现星敏感器光学镜头光轴与探测器的正交调整。
7.根据权利要求6所述的星敏感器像面高精度正交性调整方法,其特征在于,步骤1)和步骤2)之间还包括星敏感器调整步骤:将星敏感器整机放置在安装调节架上,微调星敏感器与大视场平行光管的位置,使得大视场平行光管出射光束完全充满被测星敏感器。
8.一种基于权利要求1至5任一所述系统的星敏感器像面高精度正交性调整方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)开启照明光源,对目标测试靶照明;
2)一维平移台前后移动,实现目标测试靶的前后离焦;
3)星敏感器实时采集目标测试靶的测试图像,通过质心判读算法计算不同离焦处各星点的弥散斑直径,找到各星点成像时弥散斑直径最小的图像,并提取该图像对应的一维平移台位置,该位置为各星点的最佳成像时的一维平移台的轴向位置d1~d5;d1为中心星点最佳成像时所对应的一维平移台位置,d2为上星点最佳成像时所对应的一维平移台位置,d3为下星点最佳成像时所对应的一维平移台位置,d4为左星点最佳成像时所对应的一维平移台位置;d5为右星点最佳成像时所对应的一维平移台位置;
4)根据各星点最佳成像时对应的一维平移台轴向位置,得到各调整垫片的厚度,实现星敏感器光学镜头光轴与探测器的正交调整;
4.1)根据各星点最佳成像时对应的一维平移台轴向位置,计算得到各星点的z坐标,各星点x、y坐标已知,从而得知各星点的坐标(x、y、z);
4.2)根据各星点的坐标,求出平面方程;
4.3)将各调整垫片已知的x、y坐标值代入步骤4.2)得到的平面方程,得到各调整垫片的z坐标,该z坐标即为各垫片的计算厚度,通过该计算厚度对各垫片进行调整,实现星敏感器光轴与探测器的正交调整。
9.根据权利要求8所述的星敏感器像面高精度正交性调整方法,其特征在于,步骤1)和步骤2)之间还包括星敏感器调整步骤:将星敏感器整机放置在安装调节架上,微调星敏感器与大视场平行光管的位置,使得大视场平行光管出射光束完全充满被测星敏感器。
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