CN109900225B - 一种超高精度角度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高精度角度测量系统，包括防震平台、高精度转台、激光发射器、角反射器和激光接收板，所述高精度转台、角反射器分别通过转台安装座、角反射器安装座对称安装在防震平台的上顶面上，所述高精度转台上方同一高度安装有一激光发射器和一激光接收板，所述激光发射器和一激光接收板与所述角反射器相配合布置。本发明在传统的精度检测系统基础上新增一种工作模式—光学系统+超高精度转台，目的是利用光学系统检测到的微小光斑变化来检测转角精度。该发明在于创新机械结构和光学原理，以测量出转角精度，速度快、精度高、实现简单，尤其满足未来的一体化、高精度化发展要求。

Description

一种超高精度角度测量系统

技术领域

本发明涉及角度测量领域，具体涉及一种超高精度角度测量系统。

背景技术

星敏感器以精度高、功耗低、体积小等优点成为目前航天器最具竞争力的姿态敏感器件。目前，星敏感器的定姿精度已经可以达到10″，某些型号的星敏感器精度甚至可以达到1″水平，高精度是星敏感器得以迅速发展和广泛应用的关键因素。随着星敏感器精度越来越高，对精度测量方法也提出了更高的要求。传统的测试方法主要基于星模拟器及精密转台，需要转台的位置精度比星敏感器的测量精度再高一个数量级，即达到亚角秒的量级水平，这种设备价格昂贵，操作过程复杂。

因此，找到一个易实现的、能满足精度要求的星敏感器精度测量系统就显得十分重要和迫切。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种超高精度角度测量系统，利用激光和高精度角反射器检测星敏感器精度，检测精度可达到0.1角秒。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种超高精度角度测量系统，包括防震平台、高精度转台、激光发射器、角反射器和激光接收板，所述高精度转台、角反射器分别通过转台安装座、角反射器安装座对称安装在防震平台的上顶面上，所述高精度转台上方同一高度安装有一激光发射器和一激光接收板，所述激光发射器和一激光接收板与所述角反射器相配合布置。

进一步地，所述高精度转台上方垂直安装有一矩形板，所述激光发射器和一激光接收板分别安装在矩形板的内侧面上。

进一步地，所述激光发射器的激光发射端上安装有一准直镜。

进一步地，所述激光接收板的型号为CMV4000 v3的COMS光电接收器，所述激光发射器的型号为LWIRL808-W。

进一步地，所述角反射器与高精度转台2之间的距离为5米。

本发明具有以下有益效果：

在传统的精度检测系统基础上新增一种工作模式—光学系统+超高精度转台，目的是利用光学系统检测到的微小光斑变化来检测转角精度。该发明在于创新机械结构和光学原理，以测量出转角精度，速度快、精度高、实现简单，尤其满足未来的一体化、高精度化发展要求。

附图说明

图1为本发明实施例一种超高精度角度测量系统的正视图。

图2为本发明实施例一种超高精度角度测量系统的结构示意图。

图3为初始理想光路图。

图4为初始实际光路图。

图5为偏转后光路图。

图6为CMV4000 v3亮度响应效率曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-图2所示，本发明实施例提供了一种超高精度角度测量系统，包括防震平台1、高精度转台2、激光发射器3、角反射器4和激光接收板5，所述高精度转台2、角反射器4分别通过转台安装座6、角反射器安装座7对称安装在防震平台1的上顶面上，所述高精度转台2上方垂直安装有一矩形板，所述激光发射器3和一激光接收板5分别安装在矩形板的内侧面上的同一高度位置，所述激光发射器3和一激光接收板5与所述角反射器4相配合布置。

本实施例中，所述激光发射器的激光发射端上安装有一准直镜。

本实施例中，所述激光接收板的型号为CMV4000 v3的COMS光电接收器，其亮度响应效率曲线，如图6，有效波段在400-900nm较为可靠，而避免可见光干扰最好在800nm以上。

所述激光发射器的型号为LWIRL808-W，其波长为808nm符合接收器亮度响应效率，发散角小于3mrad＜0.17°，线宽小于2nm。

本发明的光学系统原理是由激光发射器发射激光到平台另一端的角反射器，在经角反射器将光线返回到激光接收板上，激光接收板最小可检测出1/20像元尺寸的变化量，每个像元尺寸是5.5μm，所以最小可检测变化量为0.275μm。

由上述最小可检测变化量，设计光学系统算法反解系统所需要的工作距离，其算法过程如下：

S1、由激光发射器、角反射器和激光接收板的位置关系建立光路图，如图3。在其初始位置时，记录并结算数据关系，具体如下：

当在理想的初始位置时，角反射器法线与初射、反射光线平行，激光由M点射出，N点为接收器接收点，角反射器中点位置A，光线与角反射第一次反射点为C,第二次反射点为D，最长工作距离为L。设定初射点M到角反射器法线的垂直距离为a，则在此情况下接收器接收点N到角反射器法线的垂直距离也同样为a。

S2、可知a为已知值，在初始位置记录b的值，则此时在实际初始状态光路会存在两个变量—初射、反射光线与角反射器法线的偏角β，角反射器中心点A与量位置在设置方向的偏移量m，所以a、c、m和β之间有如下关系：

（1）

（2）

（3）

即：

（4）

可得：

（5）

S3、由上述初始位置结算处函数关系后，将高精度转台转动微小角度后，如图5会增加新的变量α，作A与出射光线垂线于E，则可建立如下函数关系：

（6）

（7）

（8）

（9）

则

（10）

（11）

由公式（11）可知偏角α与总工作距L之间的关系。由于激光接收器可最小可检测出1/20像元尺寸的，每个像元尺寸是5.5μm，所以最小可检测变化量为0.275μm，激光接收器可最小可检测出变化量即c-b的值c-b=0.275μm。α设定为最小精度即0.1″角秒，由S2记录的a、b的值和S3中记录c的值，可经MATLAB计算可知工作距离L的值。

有上述可知工作距离为3.6m，将距离留有30％余量，则可知，本装置在工作距离为5m以内时可实现小于0.1角秒的角度的测量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种超高精度角度测量系统，其特征在于：包括防震平台（1）、高精度转台（2）、激光发射器（3）、角反射器（4）和激光接收板（5），所述高精度转台（2）、角反射器（4）分别通过转台安装座（6）、角反射器安装座（7）对称安装在防震平台（1）的上顶面上，所述高精度转台（2）上方同一高度安装有一激光发射器（3）和一激光接收板（5），所述激光发射器（3）和一激光接收板（5）与所述角反射器（4）相配合布置；该测量装置通过最小可检测变化量，设计光学系统算法反解系统所需要的工作距离，其算法过程如下：

S1、由激光发射器、角反射器和激光接收板的位置关系建立光路图，在其初始位置时，记录并结算数据关系，具体如下：

当在理想的初始位置时，角反射器法线与初射、反射光线平行，激光由M点射出，N点为接收器接收点，角反射器中点位置A，光线与角反射第一次反射点为C,第二次反射点为D，最长工作距离为L；

设定初射点M到角反射器法线的垂直距离为a，则在此情况下接收器接收点N到角反射器法线的垂直距离也同样为a；

S2、可知a为已知值，在初始位置记录b的值，则此时在实际初始状态光路会存在两个变量—初射、反射光线与角反射器法线的偏角β，角反射器中心点A与量位置在设置方向的偏移量m，所以a、c、m和β之间有如下关系：

（1）

（2）

（3）

即：

（4）

可得：

（5）

S3、由上述初始位置结算处函数关系后，将高精度转台转动微小角度后，会增加新的变量α，作A与出射光线垂线于E，则可建立如下函数关系：

（6）

（7）

（8）

（9）

则

（10）

（11）

由公式（11）可知偏角α与总工作距L之间的关系；由于激光接收器可最小可检测出1/20像元尺寸的，每个像元尺寸是5.5μm，所以最小可检测变化量为0.275μm，激光接收器可最小可检测出变化量即c-b的值c-b=0.275μm；α设定为最小精度即0.1″角秒，由S2记录的a、b的值和S3中记录c的值，可经MATLAB计算可知工作距离L的值。

2.如权利要求1所述的一种超高精度角度测量系统，其特征在于：所述高精度转台（2）上方垂直安装有一矩形板，所述激光发射器（3）和一激光接收板（5）分别安装在矩形板的内侧面上。

3.如权利要求1所述的一种超高精度角度测量系统，其特征在于：所述激光发射器的激光发射端上安装有一准直镜。

4.如权利要求1所述的一种超高精度角度测量系统，其特征在于：所述激光接收板的型号为CMV4000 v3的COMS光电接收器，所述激光发射器的型号为LWIRL808-W。

5.如权利要求1所述的一种超高精度角度测量系统，其特征在于：所述角反射器（4）与高精度转台（2）之间的距离为5米。

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