CN111781719A - 一种大口径大视场望远镜系统内置测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种大口径大视场望远镜系统内置测量装置及其测量方法，包括：倾斜探测模块，用于产生多条激光光束并成像，将成的像进行对准，通过光点的偏移获取波前的角度信息并反馈至位姿调节模块；干涉测距模块，位于倾斜探测模块的一侧，用于测量光学桁架的距离信息并反馈至位姿调节模块；位姿调节模块，用于根据接收的角度信息和距离信息，驱动执行机构对光学元件的空间位姿进行调节。本申请通过角度测量和距离测量所得结果构成光学桁架的信息来源，可以有效监测光学元件之间的位移和姿态，从而保证望远镜在无法通过导星进行波前传感的情况下，对系统进行持续的校正命令，在望远镜运行的过程中实现实时标校与校正，大大提高了望远镜就位时间。

Description

一种大口径大视场望远镜系统内置测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及望远镜技术领域，特别是涉及一种大口径大视场望远镜系统内置测量装置及其测量方法。

背景技术

大口径大视场望远镜在近几十年来发展获得了飞速发展，为了获得更高的巡天效率与集光能力，其口径与视场都在不断扩大。主动光学作为大口径大视场望远镜的关键技术，已经获得了广泛的应用。国外已经研制并成功运行多台大口径大视场望远镜，八米级的LSST已经投入建设，而国内尚未开展两米以上的大视场望远镜研究。为了进一步发挥大口径大视场望远镜的探测能力，通过主动光学对望远镜中的各个主要部件进行独立、实时的面形校正与姿态控制，不仅可以降低对光学加工、系统装配精度的要求，还可以有效地放宽对大型跟踪架刚度的要求，降低系统运动惯量。相对于高分辨成像望远镜，大口径大视场望远镜观测任务更加紧张，更长的观测时间会直接影响结果为所面临的外部观测环境更加的恶劣。

由于大口径大视场望远镜需要在整个视场中均获得较高的成像质量，对于小视场望远镜影响较小的轴外像差，会大幅降低大视场望远镜的像质。大口径大视场望远镜对系统对准的要求高，需要同时保证轴外视场的像差，因此，需在大动态范围以及多视场下，实现大口径大视场望远镜的粗对准。传统上使用的粗对准方法为单台激光跟踪仪。激光跟踪仪作为一种广泛使用的坐标测量仪器在光学元件轮廓检测、主动光学粗对准以及光学系统准直装调中均发挥着重要的作用。LSST在观测开始前，会使用激光跟踪仪进行系统粗对准。但是，单台激光跟踪仪的精度有限，因此，在使用激光跟踪仪之后，还需要利用多种传感器进行检测，才可以保证望远镜可以正常工作。以上的方法，将严重制约大口径望远镜的粗对准速度，浪费宝贵的观测时间。

另外，传统的大口径主动光学望远镜需要定期进行校准，然后通过运动控制系统补偿已知的误差运动，实现对非动态和可重复的误差的补偿。但是，实际影响望远镜的误差源可能随时间变化，定期重复校准具有较高的频率选择性，无法适应动态性较高的环境变化，对主动光学望远镜性能的进一步提升产生限制。目前存在不同的技术，均无法同时兼顾大动态范围与高定位精度。同时，望远镜在“空载或准静态条件”下进行校准，与观测过程中的正常使用相比，可能表现出明显不同的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大口径大视场望远镜系统内置测量装置及其测量方法，可以在望远镜运行的过程中实现实时标校与校正，大大提高望远镜就位时间。其具体方案如下：

一种大口径大视场望远镜系统内置测量装置，包括：

倾斜探测模块，用于产生多条激光光束并成像，将成的像进行对准，通过光点的偏移获取波前的角度信息并反馈至位姿调节模块；

干涉测距模块，位于所述倾斜探测模块的一侧，用于测量光学桁架的距离信息并反馈至所述位姿调节模块；

所述位姿调节模块，分别与所述倾斜探测模块和所述干涉测距模块电性连接，用于根据接收的所述角度信息和所述距离信息，驱动执行机构对光学元件的空间位姿进行调节。

优选地，在本发明实施例提供的上述大口径大视场望远镜系统内置测量装置中，所述干涉测距模块包括角反射器，与所述角反射器相对而置的固定端、调节端和测距发射器；

所述固定端位于主镜周边的机架上；

所述调节端位于可移动的光学元件周边的机架上。

优选地，在本发明实施例提供的上述大口径大视场望远镜系统内置测量装置中，所述调节端采用四个柔性铰链固定在机架上，每两个相对的柔性铰链可在一个方向上进行平移。

优选地，在本发明实施例提供的上述大口径大视场望远镜系统内置测量装置中，所述倾斜探测模块包括用于发射所述激光光束的激光发射器，依次位于所述激光光束传输光路上的第一凸透镜、具有多个圆形子孔径且用于将所述激光光束分成多条的掩膜板、第二凸透镜、第三凸透镜和相机。

优选地，在本发明实施例提供的上述大口径大视场望远镜系统内置测量装置中，所述倾斜探测模块还包括用于支撑所述激光发射器的柔性杆。

优选地，在本发明实施例提供的上述大口径大视场望远镜系统内置测量装置中，所述位姿调节模块包括卡尔曼滤波控制器；

所述卡尔曼滤波控制器，用于对所述距离信息和所述角度信息进行融合与更新。

本发明实施例还提供了一种大口径大视场望远镜系统内置测量装置的测量方法，包括：

倾斜探测模块产生多条激光光束并成像，将成的像进行对准，通过光点的偏移获取波前的角度信息并反馈至位姿调节模块；

位于所述倾斜探测模块的一侧的干涉测距模块测量光学桁架的距离信息并反馈至所述位姿调节模块；

所述位姿调节模块根据接收的所述角度信息和所述距离信息，驱动执行机构对光学元件的空间位姿进行调节。

优选地，在本发明实施例提供的上述大口径大视场望远镜系统内置测量装置的测量方法中，还包括：

卡尔曼滤波控制器对所述距离信息和所述角度信息进行融合与更新。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种大口径大视场望远镜系统内置测量装置及其测量方法，包括：倾斜探测模块，用于产生多条激光光束并成像，将成的像进行对准，通过光点的偏移获取波前的角度信息并反馈至位姿调节模块；干涉测距模块，位于倾斜探测模块的一侧，用于测量光学桁架的距离信息并反馈至位姿调节模块；位姿调节模块，分别与倾斜探测模块和干涉测距模块电性连接，用于根据接收的角度信息和距离信息，驱动执行机构对光学元件的空间位姿进行调节。

本发明针对大口径主动光学望远镜中光学元件数量多、系统自由度大的特点，设计了一套内置测量装置，通过角度测量和距离测量所得结果构成光学桁架的信息来源，可以有效监测光学元件之间的位移和姿态，从而保证望远镜在无法通过导星进行波前传感的情况下(例如望远镜快速转动等)，对系统进行持续的校正命令，在望远镜运行的过程中实现实时标校与校正，大大提高了望远镜就位时间，无需望远镜停机，可在任意工况下实现望远镜元件的定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的大口径大视场望远镜系统内置测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的Stewart运动学模型示意图；

图3为本发明实施例提供的大口径大视场望远镜系统内置测量装置的具体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的干涉测距模块中固定端和调节端在机架上的结构示意图；

图5a和图5b分别为本发明实施例提供的调节端的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的大口径大视场望远镜系统内置测量装置的测量方法的流程图。

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。

本发明提供一种大口径大视场望远镜系统内置测量装置，如图1所示，包括：

倾斜探测模块1，用于产生多条激光光束并成像，将成的像进行对准，通过光点的偏移获取波前的角度信息并反馈至位姿调节模块3；

干涉测距模块2，位于倾斜探测模块的一侧，用于测量光学桁架的距离信息并反馈至位姿调节模块3；

位姿调节模块3，分别与倾斜探测模块1和干涉测距模块2电性连接，用于根据接收的角度信息和距离信息，驱动执行机构对光学元件的空间位姿进行调节。

在本发明实施例提供的上述大口径大视场望远镜系统内置测量装置中，包括基于图像的倾斜探测模块、基于干涉测距的干涉测距模块以及位姿调节模块，在激活这些模块后，通过角度测量和距离测量所得结果构成光学桁架的信息来源，可以有效监测光学元件之间的位移和姿态，从而保证望远镜在无法通过导星进行波前传感的情况下(例如望远镜快速转动等)，对系统进行持续的校正命令。

由于传统的对准方法取决于提前标校好的响应矩阵，而系统中的各种因素常引起系统波前(或对准)误差，因此在特定时间校准的模型在使用时，其精度已经难以保证，重新校准可以减少对准误差的影响，却不能消除，而本发明可在望远镜运行的过程中实现实时标校与校正，大大提高了望远镜就位时间，无需望远镜停机，可在任意工况下实现望远镜元件的定位。

需要说明的是，光学桁架指的是利用距离测量手段控制元件位置的方法，由于类似于杆件所组成的机械桁架，因此被成为“Optics Truss”，本发明基于光学桁架的概念，实现大口径大视场望眼镜实时粗对准，保证主动光学的顺利运行。本发明使用六个光学桁架组件，结合六组组件中的干涉测距模块，即可获得光学元件的位姿信息，实现光学元件的空间位置的确定并驱动执行机构实现补偿的方法。

本发明利用空间机构相关理论(如Stewart平台相关概念)，解算光学桁架的相对位置。图6示出了Stewart机构运动学模型，P₄～P₆平台为动平台(即可移动的光学元件)，P₁～P₃平台为定平台(即主镜)。

对于Stewart平台，其速度雅克比矩阵表示动平台的广义速度与光学桁架(即通过P₁～P₆获得的距离信息)的伸长速度之间的关系，具体表达式为：

其中，e_i为第i个光学桁架方向单位向量，r_i为从可移动的光学元件(如子镜)坐标原点到第i个铰点(观测点)的向量。

滚角α是子镜绕其轴线转动的角度，俯仰角β是子镜轴线与水平面的夹角，水平偏转角γ是子镜轴线与基准轴在水平方向的夹角，刚体的惯性矩张量有9个分量，其中6个是独立的，设6根光学桁架的长度变化向量为

平台的广义位移向量为

那么有：

上式被称为并联机构的运动学模型，由该式可知，雅克比矩阵的秩，直接与并联机构的自由度相关，如果对于某一位形雅克比矩阵的秩，那么该位形就为机构奇异位型(如死点、失稳点、运动不连续点等)；但是，对于雅克比矩阵的条件数，目前还没有建立从数学空间到机构空间的映射，只是笼统地认为是机构可操作性能的表征，称之为“灵巧度”。对于上式，在一个很小的时间段内，认为机构的位形没有发生变化，雅克比矩阵也为定值，可得支腿的长度变化量与子镜广义位移量的关系，同理，两者微分量也服从相同的传递关系。由于大口径大视场望远镜不可能出现奇异位形，因此机构雅克比矩阵可逆，故有：

δQ＝J^-1δq

其中光学桁架的长度变化向量为

子镜的广义位移向量为

其中，单点测量变化为：δq＝[δL₁,δL₂,δL₃,δL₄,δL₅,δL₆]。

这样在不借助额外测量设备的情况下，仅利用光学桁架距离信息反解就可以实现子镜姿态变化的测量，进而得到子镜的位置信息变化。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述大口径大视场望远镜系统内置测量装置中，如图3所示，倾斜探测模块1可以包括用于发射激光光束的激光发射器11，依次位于激光光束传输光路上的第一凸透镜12、具有多个圆形子孔径且用于将激光光束分成多条(如四条)的掩膜板13、第二凸透镜14、第三凸透镜15和相机16。

在实际应用中，大角度的光学元件姿态测量使用了基于几何传播原理的哈特曼测量方式，即通过在掩膜板(光瞳)上设置四个小的通光子孔径，从而模拟几何光学传播过程，通过准直光学系统在靶面所成图像，利用相机上四个光点的质心位置的偏移反解系统波前的倾斜，利用波前的角度信息，获取两者的相对偏移，即解得光学元件的两个方向偏摆与俯仰。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述大口径大视场望远镜系统内置测量装置中，倾斜探测模块1还可以包括用于支撑激光发射器11的柔性杆。使用该柔性杆支撑激光发射器，一端使用柔性平动机构调节激光发射杆(即测距元件的发射元件)角度，另一端利用柔性杆保持中心位置不变。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述大口径大视场望远镜系统内置测量装置中，如图3和图4所示，干涉测距模块2可以包括角反射器21，与角反射器21相对而置的固定端22、调节端23和测距发射器24；固定端22位于主镜周边的机架上；调节端23位于可移动的光学元件周边的机架上，这样可以保持基准稳定；角反射器21可以使光线沿原路返回，同时减少反射过程面对反射面对准精度的依赖。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述大口径大视场望远镜系统内置测量装置中，如图5a和图5b所示，调节端23采用四个柔性铰链固定在机架上，每两个相对的柔性铰链可在一个方向上进行平移。需要注意的是，进行干涉测距测量的前提是光线的倾角进行严格的控制，因此采用柔性机构进行光学干涉测距发射端设备的倾角控制，其结构具有运动惯性小，角分辨率高的优点。具体地，通过柔性铰链将支架固定在机架基座之上，其中，每两个柔性链负责一个方向上的平移。该调节端23的结构通过与测距发射器(如现有的激光发射结构)的融合，具有高精度、低摩擦、无沿光轴旋转的特点。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述大口径大视场望远镜系统内置测量装置中，位姿调节模块3可以包括卡尔曼滤波控制器；该卡尔曼滤波控制器用于对距离信息和角度信息进行融合与更新。

需要说明的是，光学桁架的信息来源主要有两个分别为角度测量与测距测量所得结果，在此，将基于卡曼滤波进行信息融合。卡尔曼滤波控制器基于预先确定扰动模型以及一组先前测量值，进行递归算法，预测扰动的最新状态。通过估计干扰的统计特征，演化模型以及所测残差的不确定性，以统计上的最佳方式计算控制命令。卡尔曼滤波的实质是由量测值重构系统的状态向量。它以“预测(基于图像)—实测(基于干涉)—修正(二者结合)”的顺序递推，根据系统的量测值来消除随机干扰，再现系统的状态，或根据系统的量测值从被污染的系统中恢复系统真实的租价失调。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种大口径大视场望远镜系统内置测量装置的测量方法，由于该大口径大视场望远镜系统内置测量装置的测量方法解决问题的原理与前述一种大口径大视场望远镜系统内置测量装置相似，因此该大口径大视场望远镜系统内置测量装置的测量方法的实施可以参见大口径大视场望远镜系统内置测量装置的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的大口径大视场望远镜系统内置测量装置的测量方法，如图6所示，具体包括以下步骤：

S601、倾斜探测模块产生多条激光光束并成像，将成的像进行对准，通过光点的偏移获取波前的角度信息并反馈至位姿调节模块；

S602、位于倾斜探测模块的一侧的干涉测距模块测量光学桁架的距离信息并反馈至位姿调节模块；

S603、位姿调节模块根据接收的角度信息和距离信息，驱动执行机构对光学元件的空间位姿进行调节。

在本发明实施例提供的上述大口径大视场望远镜系统内置测量装置的测量方法中，在激活各个模块后，可首先基于图像的倾斜探测模块中的测量仪器反馈结果，将激光调节至接收相机内，然后调节干涉测距模块初始的指向，使之可以准确连接中反射器，通过图像对准获得调节端和固定端之间的大量程角度信息，利用干涉测距模块获得距离信息，并基于空间机构学理论在小检查范围内获得高精度的光学元件角度位置，这样可以有效监测光学元件之间的位移和姿态，从而在望远镜运行的过程中实现实时标校与校正，大大提高了望远镜就位时间。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述大口径大视场望远镜系统内置测量装置的测量方法中，如图6所示，还可以包括以下步骤：

S604、卡尔曼滤波控制器对距离信息和角度信息进行融合与更新。

关于上述各个步骤更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。

综上，本发明实施例提供的一种大口径大视场望远镜系统内置测量装置及其测量方法，包括：倾斜探测模块，用于产生多条激光光束并成像，将成的像进行对准，通过光点的偏移获取波前的角度信息并反馈至位姿调节模块；干涉测距模块，位于倾斜探测模块的一侧，用于测量光学桁架的距离信息并反馈至位姿调节模块；位姿调节模块，分别与倾斜探测模块和干涉测距模块电性连接，用于根据接收的角度信息和距离信息，驱动执行机构对光学元件的空间位姿进行调节。这样通过角度测量和距离测量所得结果构成光学桁架的信息来源，可以有效监测光学元件之间的位移和姿态，从而保证望远镜在无法通过导星进行波前传感的情况下，对系统进行持续的校正命令，在望远镜运行的过程中实现实时标校与校正，大大提高了望远镜就位时间，无需望远镜停机，可在任意工况下实现望远镜元件的定位。

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。

以上对本发明所提供的大口径大视场望远镜系统内置测量装置及其测量方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种大口径大视场望远镜系统内置测量装置，其特征在于，包括：

倾斜探测模块，用于产生多条激光光束并成像，将成的像进行对准，通过光点的偏移获取波前的角度信息并反馈至位姿调节模块；

干涉测距模块，位于所述倾斜探测模块的一侧，用于测量光学桁架的距离信息并反馈至所述位姿调节模块；

所述位姿调节模块，分别与所述倾斜探测模块和所述干涉测距模块电性连接，用于根据接收的所述角度信息和所述距离信息，驱动执行机构对光学元件的空间位姿进行调节。

2.根据权利要求1所述的大口径大视场望远镜系统内置测量装置，其特征在于，所述干涉测距模块包括角反射器，与所述角反射器相对而置的固定端、调节端和测距发射器；

所述固定端位于主镜周边的机架上；

所述调节端位于可移动的光学元件周边的机架上。

3.根据权利要求2所述的大口径大视场望远镜系统内置测量装置，其特征在于，所述调节端采用四个柔性铰链固定在机架上，每两个相对的柔性铰链可在一个方向上进行平移。

4.根据权利要求1所述的大口径大视场望远镜系统内置测量装置，其特征在于，所述倾斜探测模块包括用于发射所述激光光束的激光发射器，依次位于所述激光光束传输光路上的第一凸透镜、具有多个圆形子孔径且用于将所述激光光束分成多条的掩膜板、第二凸透镜、第三凸透镜和相机。

5.根据权利要求4所述的大口径大视场望远镜系统内置测量装置，其特征在于，所述倾斜探测模块还包括用于支撑所述激光发射器的柔性杆。

6.根据权利要求1所述的大口径大视场望远镜系统内置测量装置，其特征在于，所述位姿调节模块包括卡尔曼滤波控制器；

所述卡尔曼滤波控制器，用于对所述距离信息和所述角度信息进行融合与更新。

7.一种如权利要求1至6任一项所述大口径大视场望远镜系统内置测量装置的测量方法，其特征在于，包括：

倾斜探测模块产生多条激光光束并成像，将成的像进行对准，通过光点的偏移获取波前的角度信息并反馈至位姿调节模块；

位于所述倾斜探测模块的一侧的干涉测距模块测量光学桁架的距离信息并反馈至所述位姿调节模块；

所述位姿调节模块根据接收的所述角度信息和所述距离信息，驱动执行机构对光学元件的空间位姿进行调节。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，还包括：

卡尔曼滤波控制器对所述距离信息和所述角度信息进行融合与更新。

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