CN111397634B - 星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测装置及方法 - Google Patents

星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111397634B
CN111397634B CN202010229696.0A CN202010229696A CN111397634B CN 111397634 B CN111397634 B CN 111397634B CN 202010229696 A CN202010229696 A CN 202010229696A CN 111397634 B CN111397634 B CN 111397634B
Authority
CN
China
Prior art keywords
starlight
star sensor
star
face
thermal deformation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010229696.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111397634A (zh
Inventor
李金鹏
毕勇
潘森
高婧婧
朱庆生
郑锋华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Astronomical Instruments Co Ltd
Original Assignee
Nanjing Astronomical Instruments Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Astronomical Instruments Co Ltd filed Critical Nanjing Astronomical Instruments Co Ltd
Priority to CN202010229696.0A priority Critical patent/CN111397634B/zh
Publication of CN111397634A publication Critical patent/CN111397634A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111397634B publication Critical patent/CN111397634B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/161—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by interferometric means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测装置及方法。该装置包括星光模拟光源、分光镜、星模拟平行光管、星敏感器固定支架、星敏感器、单色滤光片、针孔式点衍射板、CCD、一维平移台、计算机，所述单色滤光片、针孔式点衍射板和CCD依次安装于一维平移台上，所述一维平移台的前端设置有分光镜，所述分光镜的下方设置有星光模拟光源，所述分光镜的上方设置有星模拟平行光管，所述星模拟平行光管内设置有星敏感器固定支架，所述星敏感器固定支架上安装有星敏感器，所述计算机与CCD连接。本发明采用了干涉测量的方法实现了整个固定端面热变形测量，提升了端面热变形的精度与测量分辨率，进而提升星敏感器工作精度。

Description

星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测装置及方法
技术领域
本发明属于航天光学检测领域，一种用于实时表征星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测法，用于星敏感器热稳定性分析。
背景技术
星敏感器以天空中的恒星为测量基准，是目前精度最高的姿态敏感器，但是作为高精度的测量仪器，环境温度对星敏感器的测量精度会产生较大影响。在光学检测领域内已达成共识，为保证星敏感器在空间中的测量精度，通常在将星敏感器发送至空间前，需要在地面对星敏感器自身热形变进行分析，并且在星敏感器工作时将自身热变形量扣除。然而在星敏感器热稳定实验过程中，模拟环境温度的变化不仅造成星敏感器自身发生热形变，还将导致固定星敏感器的支架端面产生热形变。这使得星敏感器自身形变与固定支架的热形变耦合在一起，导致星敏感器热形变测量误差偏大。为此有一些研究者通过在端面上固定棱镜的方式，并且测量棱镜转向来表征星敏端面形变。然而这种方法仅能表征星敏支架上某些分立的测量点，因此分辨率与精度较低。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种用于实时表征星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测法，用于提升星敏感器热稳定性实验分析精度，进而提升星敏感器在空间运行时的工作精度。
实现本发明目的的技术方案为：
星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测装置，包括星光模拟光源、分光镜、星模拟平行光管、星敏感器固定支架、星敏感器、单色滤光片、针孔式点衍射板、CCD、一维平移台、计算机，所述单色滤光片、针孔式点衍射板和CCD依次安装于一维平移台上，所述一维平移台的前端设置有分光镜，所述分光镜的下方设置有星光模拟光源，所述分光镜的上方设置有星模拟平行光管，所述星模拟平行光管内设置有星敏感器固定支架，所述星敏感器固定支架上安装有星敏感器，所述计算机与CCD连接。
更进一步的，所述星敏感器固定支架的端面经过抛光处理。
更进一步的，光束从所述星光模拟光源出发经过分光镜反射后入射到星模拟平行光管，星模拟平行光管将星点发散光准直形成平行光，平行光中间部分入射到星敏感器中，外围平行光入射到星敏感器固定支架的端面，经过星敏感器固定支架的端面反射的光束自准直返回，由星模拟平行光管会聚，经过分光镜透射到单色滤光片与针孔式点衍射板上，单色滤光片、针孔式点衍射板与CCD固定在一维平移台上，单色滤波片将光束滤波形成单色光，通过移动一维平移台移动将针孔式点衍射板移动至光束焦点附近，将干涉图呈现在CCD上，由计算机采集处理。
星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测方法，包括：
CCD获取环形孔径干涉条纹图；
采用一维平移台上移动的方式改变环形孔径内条纹的载频；
环形孔径范围内的干涉图相位变化实时表征星敏感器固定支架端面的热形变；
使用单帧干涉图相位解调方法计算干涉图中的实时相位，进而实时检测星敏感器固定支架端面的热形变云图；
将热形变云图进行最小二乘平面拟合，计算整个端面的倾斜、俯仰角度，获得固定端面的热变形刚体位移。
更进一步的，在常温状态下，通过调节一维平移台使得CCD监测到环形孔径内条纹的载频，通过使用单帧干涉图相位解调方法计算出常温状态下干涉图中的相位；
提高系统环境温度到某一值后，保持温度不再改变；通过CCD检测到此时环形孔径内条纹的载频，使用单帧干涉图相位解调方法计算得到升高温度后干涉图中的相位；
将温度升高后得到的相位与常温状态下干涉图的相位相减，然后对相位差值利用最小二乘法进行平面拟合，计算得到星敏感器安装支架端面的倾斜、俯仰角度，获得固定端面的热变形刚体位移。
更进一步的，在星敏感器进行地面标定时，将温度升高引入的形变误差从标定结果中剔除。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
相比采用棱镜表征星敏感器固定端面热变形的方案，本发明采用了干涉测量的方法实现了整个固定端面热变形测量，提升了端面热变形的精度与测量分辨率，进而提升星敏感器工作精度。
附图说明
图1是星敏感器固定端面热变形实时高分辨干涉检测系统图。
图2是星敏感器安装支架。
图3是热变形干涉数据采集系统。
图4是系统采集的干涉条纹。
图中标记：1、星光模拟光源；2、分光镜；3、星模拟平行光管；4、星敏感器；5、星敏感器；6、单色滤光片；7、针孔式点衍射板；8、CCD；9、一维平移台；10、计算机；11、反射面；12、星敏感器安装孔位。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测装置如图1所示，包括星光模拟光源1、分光镜2、星模拟平行光管3、星敏感器固定支架4(如图2所示)、星敏感器5、单色滤光片6、针孔式点衍射板7、CCD8、一维平移台9(如图3所示)、计算机10。单色滤光片6、针孔式点衍射板7和CCD8依次安装于一维平移台9上，一维平移台9的前端设置有分光镜2，分光镜2的下方设置有星光模拟光源1，分光镜2的上方设置有星模拟平行光管3，星模拟平行光管3内设置有星敏感器固定支架4，星敏感器固定支架4上安装有星敏感器5，计算机10与CCD8连接。
首先点亮星光模拟光源1，星光模拟光源出射的光线在分光镜2反射作用下入射到星模拟平行光管3。星模拟平行光管3将星点发散光准直形成平行光，平行光中间部分入射到星敏感器5中，给星敏感器5提供用来地面标定的模拟星光，平行光外围部分入射到经过抛光处理的星敏感器固定支架4端面，其中固定支架安装了4个星敏感器安装孔位，安装支架端面通过抛光后作为系统自准直反射面。平行光外围部分光束在星敏感器固定支架4端面反射作用下自准直返回，返回光束经过星模拟平行光管3后会聚，会聚光束经过分光镜2透射到单色滤光片6与针孔式点衍射板7上。其中，单色滤光片6、针孔式点衍射板7与CCD[8]固定在一维平移台上9。单色滤波片6将光束滤波形成单色光，通过移动一维平移台9移动将针孔式点衍射板7移动至光束焦点附近，使得干涉图呈现到CCD8探测面上，由计算机10对CCD8探测面的数据采集处理。
本发明星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测方法为：CCD获取环形孔径干涉条纹图(如图4所示)；采用一维平移台上移动的方式改变环形孔径内条纹的载频；环形孔径范围内的干涉图相位变化实时表征星敏感器固定支架端面的热形变；使用单帧干涉图相位解调方法计算干涉图中的实时相位，进而实时检测星敏感器固定支架端面的热形变云图；将热形变云图进行最小二乘平面拟合，计算整个端面的倾斜、俯仰角度，获得固定端面的热变形刚体位移。
在常温状态下，通过调节一维平移台9使得CCD8监测到环形孔径内条纹的载频，通过使用单帧干涉图相位解调方法计算出常温状态下干涉图中的相位。
提高系统环境温度到某一值后，保持温度不再改变。通过CCD检测到此时环形孔径内条纹的载频，使用单帧干涉图相位解调方法计算得到升高温度后干涉图中的相位。
将温度升高后得到的相位与常温状态下干涉图的相位相减，然后对相位差值利用最小二乘法进行平面拟合，计算得到星敏感器安装支架4端面的倾斜、俯仰角度，获得固定端面的热变形刚体位移。
在星敏感器进行地面标定时，将温度升高引入的形变误差从标定结果中剔除，有效地提高了星敏感器对地面标定的精度。
综上所述，为了减小星敏感器因自身安装支架热形变对星敏感器系统地面标定精度的影响，本发明提出了一种用于实时监测星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉装置。该装置主要由星光模拟光源、分光镜、星模拟平行光管、星敏感器固定支架、星敏感器、单色滤光片、针孔式点衍射板、CCD、一维平移台以及计算机组成。首先，CCD实现对星敏感器安装支架端面自准直返回光束形成的干涉条纹实时检测，得到不同温度下干涉条纹的相位分布。其次，计算不同温度下干涉图的相位差值，结合最小二乘法进行平面拟合，得到星敏感器安装支架端面的倾斜、俯仰角度，完成对固定端面热变形刚体位移的求解。最后，当星敏感器进行地面标定时，将该装置因温度升高引入的形变误差从标定结果中剔除，从而有效地提高了星敏感器对地面标定的精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测装置，其特征在于：包括星光模拟光源(1)、分光镜(2)、星模拟平行光管(3)、星敏感器固定支架(4)、星敏感器(5)、单色滤光片(6)、针孔式点衍射板(7)、CCD(8)、一维平移台(9)、计算机(10)，所述单色滤光片(6)、针孔式点衍射板(7)和CCD(8)依次安装于一维平移台(9)上，所述一维平移台(9)的前端设置有分光镜(2)，所述分光镜(2)的下方设置有星光模拟光源(1)，所述分光镜(2)的上方设置有星模拟平行光管(3)，所述星模拟平行光管(3)内设置有星敏感器固定支架(4)，所述星敏感器固定支架(4)上安装有星敏感器(5)，所述计算机(10)与CCD(8)连接；光束从所述星光模拟光源(1)出发经过分光镜(2)反射后入射到星模拟平行光管(3)，星模拟平行光管(3)将星点发散光准直形成平行光，平行光中间部分入射到星敏感器(5)中，外围平行光入射到星敏感器固定支架(4)的端面，经过星敏感器固定支架(4)的端面反射的光束自准直返回，由星模拟平行光管(3)会聚，经过分光镜(2)透射到单色滤光片(6)与针孔式点衍射板(7)上，单色滤光片(6)、针孔式点衍射板(7)与CCD(8)固定在一维平移台(9)上，单色滤波片(6)将光束滤波形成单色光，通过移动一维平移台(9)移动将针孔式点衍射板(7)移动至光束焦点附近，将干涉图呈现在CCD(8)上，由计算机(10)采集处理。
2.根据权利要求1所述的星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测装置，其特征在于：所述星敏感器固定支架(4)的端面经过抛光处理。
3.星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测方法，所述方法基于权利要求1或2所述的装置，所述方法包括：
CCD(8)获取环形孔径干涉条纹图；
采用一维平移台(9)上移动的方式改变环形孔径内条纹的载频；
环形孔径范围内的干涉图相位变化实时表征星敏感器固定支架(4)端面的热形变；
使用单帧干涉图相位解调方法计算干涉图中的实时相位，进而实时检测星敏感器固定支架(4)端面的热形变云图；
将热形变云图进行最小二乘平面拟合，计算整个端面的倾斜、俯仰角度，获得固定端面的热变形刚体位移；
在常温状态下，通过调节一维平移台(9)使得CCD(8)监测到环形孔径内条纹的载频，通过使用单帧干涉图相位解调方法计算出常温状态下干涉图中的相位；
提高系统环境温度到某一值后，保持温度不再改变；通过CCD(8)检测到此时环形孔径内条纹的载频，使用单帧干涉图相位解调方法计算得到升高温度后干涉图中的相位；
将温度升高后得到的相位与常温状态下干涉图的相位相减，然后对相位差值利用最小二乘法进行平面拟合，计算得到星敏感器固定支架(4)端面的倾斜、俯仰角度，获得固定端面的热变形刚体位移。
4.根据权利要求3所述的星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测方法，其特征在于：在星敏感器进行地面标定时，将温度升高引入的形变误差从标定结果中剔除。
CN202010229696.0A 2020-03-27 2020-03-27 星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测装置及方法 Active CN111397634B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010229696.0A CN111397634B (zh) 2020-03-27 2020-03-27 星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010229696.0A CN111397634B (zh) 2020-03-27 2020-03-27 星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111397634A CN111397634A (zh) 2020-07-10
CN111397634B true CN111397634B (zh) 2023-06-09

Family

ID=71436750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010229696.0A Active CN111397634B (zh) 2020-03-27 2020-03-27 星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111397634B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112747738A (zh) * 2020-09-27 2021-05-04 长春理工大学 平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器
CN114562991B (zh) * 2021-12-27 2024-02-09 北京控制工程研究所 基于星敏感器辅助的相对论天文效应导航仪及其导航方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3040140B2 (ja) * 1990-07-12 2000-05-08 株式会社リコー 色収差測定方法及び測定装置
JP2000088547A (ja) * 1998-09-14 2000-03-31 Nikon Corp 形状測定装置
CN102620680B (zh) * 2012-03-29 2014-05-28 中国科学院光电技术研究所 一种三平面绝对测量光学面形的检测装置及方法
CN104443435B (zh) * 2014-11-21 2016-06-29 上海卫星工程研究所 用于热变形隔离与控制的星敏感器安装结构
CN108759869A (zh) * 2018-06-20 2018-11-06 上海卫星工程研究所 高精度星敏感器支架热变形试验系统
CN109459058B (zh) * 2018-11-16 2022-10-21 北京航天计量测试技术研究所 一种基于三轴转台的多视场星敏感器的标定方法
CN109990709B (zh) * 2019-04-19 2020-04-17 北京理工大学 双边错位差动共焦干涉靶丸形貌轮廓参数测量方法与装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN111397634A (zh) 2020-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104006765B (zh) 单幅载频干涉条纹相位提取方法及检测装置
CN101949691A (zh) 非零位补偿浅度光学非球面面形检测方法
US4387994A (en) Optical system for surface topography measurement
CN108061639A (zh) 一种结合自适应光学技术的大动态范围、高精度相位差法波前测量仪
CN112525070B (zh) 基于非均匀采样校正的抗振动白光干涉测量方法
US10267617B2 (en) Method and apparatus for optimizing the optical performance of interferometers
CN109163672A (zh) 一种基于白光干涉零光程差位置拾取算法的微观形貌测量方法
CN111397634B (zh) 星敏感器固定端面热变形的高分辨干涉检测装置及方法
CN104913732B (zh) 基于复合激光干涉的法线跟踪式非球面测量方法与系统
CN110763159B (zh) 一种光学偏折显微表面测量装置及方法
CN106595529B (zh) 基于虚拟牛顿环的大曲率半径非零位干涉测量方法及装置
EP3845857A1 (en) Surface shape measurement device and surface shape measurement method
CN109724532B (zh) 一种复杂光学曲面几何参量的精确测试装置及方法
CN101086442A (zh) 光学非接触式三维形状测量仪
CN103344209B (zh) 一种反射镜零重力面形测试方法
CN105674875B (zh) 一种全视场低频外差点衍射干涉仪
CN101504276A (zh) 大口径光学镜面Ronchi光栅定量检测仪
CN205003080U (zh) 基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量系统
CN101986097A (zh) 在球面面形干涉检测中高精度消除离焦误差及倾斜误差的方法
WO2020135891A1 (zh) 激光平行度检测仪
CN104634275A (zh) 一种基于牛顿环的非球面实时干涉测量装置及方法
TWI434021B (zh) Non - contact optical composite measurement method and system
CN112577433B (zh) 一种氢同位素结晶生长高度实时测量装置及方法
CN110793465B (zh) 一种微透射元件多面形大动态范围同步测量方法
CN112781727A (zh) 一种基于棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪及成像方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant