CN112213836B - 星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法。将待对准的光栅分别安装在前、后光栅阵列平面上，光栅的对准分为两步进行：首先将前后光栅安装在阵列平面上，在近距离下，利用坐标测量仪采集光栅几个特定区域的狭缝图像并将狭缝对准，记录每一个光栅与阵列平面上的基准平台的位置关系；其次，将前、后光栅阵列平面安装在承力框架的两端，对准阵列平面上的基准平台，以此来表征安装在其上的各个光栅的对准；最后，将两步对准产生的误差映射到每个具体位置的光栅，在实现双光栅的远距离对准的同时也标定出了每一组前后光栅的对准精度。

Description

星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法

技术领域

本发明涉及光学对准技术领域，具体涉及一种星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法。

背景技术

星载双光栅调制型成像仪器主要用于太阳耀斑探测，对于帮助解释太阳爆发活动的能量释放机制具有重要意义。该设备是基于傅里叶变换的调制成像技术对太阳耀斑进行观测，原理是通过前后布置的双光栅阵列组成光学准直器，将太阳耀斑的不同空间尺度的图像进行合成成像。双光栅准直器是将多种周期的光栅以不同的角度摆放在两个平面内，并排列为m×n的阵列形式，两平面内的相同位置配置相同周期和角度的光栅。为了保证成像分辨率，成像时前、后光栅阵列平面沿光轴拉开较远距离放置(米量级)；为了成像质量，需要保证前后光栅阵列平面内对应位置的光栅狭缝高精度对准(微米量级)。

根据成像原理，准直器光栅的对准精度直接影响到成像精度。目前的远距离光学对准方法有基于Talbot理论的对准方法、基于干涉仪的对准方法、基于机器视觉的对准方法。

基于Talbot理论的对准方法需要保证对前、后光栅阵列面的间距满足Talbot距离才能够实现像的复制，从而实现对准，因此不具备普适性；

基于干涉仪的对准方法精度高，但是其工作距离受限，无法适应本设备在远距离对准的需求；

基于机器视觉的对准方法对准精度较低，很难在米级的间距下，实现前、后光栅狭缝以微米量级对准。

发明内容

为了解决背景技术中现有的对准方法无法满足星载双光栅调制型成像仪器的前、后光栅间距为米量级时，前、后光栅的对准精度要求为微米量级的问题，本发明提出了一种星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法。

本发明的基本思路是：

将待对准的光栅分别安装在前后光栅阵列平面上，光栅的对准分为两步进行：首先将前后光栅安装在阵列平面上，在近距离下，利用坐标测量仪采集光栅几个特定区域的狭缝图像并将狭缝对准，记录每一个光栅与阵列平面上的基准平台的位置关系；其次，将前、后光栅阵列平面安装在承力框架的两端，对准阵列平面上的基准平台，以此来表征安装在其上的各个光栅的对准；最后，将两步对准产生的误差映射到每个具体位置的光栅，在实现双光栅的远距离对准的同时也标定出了每一组前后光栅的对准精度。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法，具体实现步骤如下：

步骤1：近距离对准；

步骤1.1：将前、后光栅阵列平面上、下叠放为一个组合体，粗调两者相对位置，使前光栅阵列平面和后光栅阵列平面，以及前光栅阵列平面的基准平台和后光栅阵列平面的基准平台都基本对齐；在此基础上，将前、后光栅阵列平面的所有基准平台进行组合加工，从而为前、后光栅阵列中所有光栅建立共有的基准；

所述基准平台为前、后光栅阵列平面自身所携带；每个光栅阵列平面均有四个基准平台，且两个位于光栅阵列平面的第一外表面，另外两个位于光栅阵列平面的第二外表面；所述第一外表面和第二外表面相互垂直；

步骤1.2：将组合体水平放置于坐标测量仪的工作平台上，调整坐标测量仪的光轴与组合体保持垂直，然后测量组合体四个角以及中心点位置的X轴坐标值，再通过向组合体底部四个角与所述工作平台之间增加调整垫块进行调整，确保最终测量的五个点的X轴坐标值偏差小于0.02mm；X轴方向为垂直于坐标测量仪的工作平台的法线方向；

步骤1.3：将所有后光栅均安装在后光栅阵列平面上；通过坐标测量仪测量出第一外表面或第二外表面上两个基准平台的坐标值，记为

和

计算出基准平台连线的方向向量

步骤1.4：通过坐标测量仪测量出任意一个后光栅A中心狭缝中四个顶角的坐标

和

并计算该光栅中心狭缝的方向向量为：

或

步骤1.5：计算与光栅中心狭缝方向

垂直的向量为：

并计算该向量与基准平台连线方向向量

的夹角β_pitch，具体公式为：

其中，

相对于

逆时针旋转时夹角为正值，顺时针旋转时夹角为负值。

步骤1.6：计算后光栅A中心狭缝的几何中心坐标

并以此作为光栅的基准位置：

或

进而获得该后光栅A相距步骤1.3中任意一个基准平台的向量

或

步骤1.7：在后光栅A上选择i个特定区域，i≥3，通过坐标测量仪拍摄任意一个特定区域获得亮暗相间的条纹图像，在条纹图像中选取一条亮条纹的两个亮暗交界线拟合出该亮条纹的中心线，定义该中心线为狭缝中心线，采用同样的方法再采集其他特定区域的狭缝中心线，从而获得后光栅A上i条狭缝中心线，记为L_Ai；

其中，i个特定区域需满足至少有三个特定区域采集到后光栅A中的中心狭缝的中心线上，且三个特定区域中有两个特定区域位于该中心狭缝的两端；

步骤1.8：在前光栅阵列平面上，且与后光栅A对应的位置安装一个前光栅B，采用步骤1.7的方法获取前光栅B上与后光栅A位置一致的i个特定区域内的i条狭缝中心线，记为L_Bi；

坐标测量仪拍摄前光栅B的每个特定区域时，与拍摄后光栅A的每个特定区域时坐标测量仪的坐标值保持一致；

通过坐标测量仪读取后光栅A和前光栅B上每个相对应特定区域的狭缝中心线L_Ai和L_Bi的距离，得到i组平移偏差值；通过求取i组平移偏差值的平均值来描述近距离对准时前光栅B和后光栅A的平移偏差，具体表达式为：

其中，d_i为狭缝中心线L_Bi与狭缝中心线L_Ai的平移偏差值；定义后光栅A的狭缝中心线相对于前光栅B的狭缝中心线的偏移方向与向量

相同时，偏差值d_i为正，反之与向量

相反时，定义为负；

步骤1.9：求取近距离对准时前光栅B和后光栅A的相对旋转偏差，具体表达式为：

α_pitch＝arctan[(d_iR-d_iL)/L_pitch]；

其中，d_iR和d_iL分别为前光栅B位于中心狭缝两端的两个特定区域的狭缝中心线和与之对应的后光栅A位于中心狭缝两端的两个特定区域的狭缝中心线之间的平移偏差；定义后光栅A的狭缝相对于前光栅B的狭缝逆时针旋转时，偏差角α_pitch为正，反之则为负；

位于中心狭缝两端的两个特定区域之间的距离为L_pitch；

步骤1.10：根据步骤1.8和步骤1.9的结果对前光栅B进行调整，实现两个光栅的近距离对准；

步骤1.11：重复步骤1.7-1.10完成所有前光栅的安装，并完成前、后光栅阵列近距离的对准；

步骤2：装配星载双光栅调制型成像仪器

将承力框架放置于工作平台上，将近距离对准后的前、后光栅阵列从组合状态进行拆分，再将两者分别安装在承力框架前后两端的平面上，并使前光栅阵列平面的基准平台与后光栅阵列平面的基准平台依旧对齐；

步骤3：远距离对准

步骤3.1：建立成像仪器的参考坐标系；

定义参考坐标系的Z轴为工作平台表面的法线，定义前光栅阵列或后光栅阵列的法线为X轴；Y轴为同时垂直于Z轴和X轴；

步骤3.2：获得前光栅阵列平面和后光栅阵列平面在YOZ面内的相对旋转角；

利用激光跟踪仪的接触式测量靶标测量后光栅阵列平面上第一外表面或第二外表面上两个基准平台的坐标值，记为(y₁,z₁)，(y₂,z₂)，以及前光栅阵列平面上第一外表面或第二外表面上两个基准平台的坐标值，记为(y′₁,z′₁)，(y′₂,z′₂)；

前光栅阵列平面和后光栅阵列平面上相对应的四个基准平台之间的偏移向量为：

向量

和

的中垂线交于一点P₀:(y₀,z₀)，该点P₀满足方程：

根据几何关系，将后光栅阵列平面沿X轴投影到前光栅阵列平面内，则两个平面的位置关系可以表征为后光栅阵列平面相对于前光栅阵列平面绕旋转中心旋转过一个角度α_array，其中旋转中心点就是P₀点，且旋转角为α_array：

其中，定义逆时针旋转为正，顺时针旋转为负；

步骤3.3：获取后光栅A由旋转角α_array引起的在YOZ面内的偏移向量；

步骤3.3.1：结合步骤3.2中测量的后光栅阵列平面一个基准平台的坐标(y₁,z₁)以及步骤1.6中后光栅相对于基准平台的向量

求取后光栅A的坐标值P_pitch为：

步骤3.3.2：求取后光栅阵列平面绕旋转中心P₀旋转α_array后，引起后光栅A发生的偏移向量

将旋转中心P₀假设为YOZ平面内一个临时的旋转坐标系的原点，此时后光栅A在此旋转坐标系下的坐标为：

偏移向量

为：

P′_pitch可通过下式计算：

其中

[R]^-1为矩阵[R]的逆，P′_pitch代表在旋转坐标系下，后光栅阵列平面未发生旋转时后光栅A的坐标值；

步骤3.4：计算在远距离放置时，后光栅A的狭缝在YOZ面内的方向；

求取在远距离放置状态下后光栅A的狭缝垂直向量

与参考坐标系Y轴的夹角；具体公式为：

β′＝β_array+β_pitch；

其中，

β_array表示后光栅阵列平面基准平台连线的向量

在远距离放置状态下与参考坐标系Y轴的夹角；此时后光栅A的狭缝垂直向量的表达式为：

步骤3.5：在YOZ面内，将后光栅A由旋转引起的偏移向量

投影到其光栅狭缝垂直向量

上，得到后光栅A在远距离对准的状态下增加的平移偏差D_array，具体表达式为：

步骤3.6：结合步骤3.5中后光栅A在远距离对准时增加的平移偏差D_array，以及步骤1.8中近距离对准时的平移偏差，得到后光栅A相对于前光栅B的远距离对准的平移偏差，具体表达式为：

D＝D_array+d_pitch；

步骤3.7：结合步骤3.2的前光栅阵列平面和后光栅阵列平面之间的旋转角α_array，以及步骤1.9中近距离对准的相对旋转偏差α_pitch，得到后光栅A相对于前光栅B的远距离对准的旋转偏差，具体表达式为：

α＝α_array+α_pitch；

步骤3.8：重复步骤3.3至步骤3.7获得前光栅阵列平面和后光栅阵列平面中所有对应的前光栅、后光栅之间的远距离对准时的平移偏差和旋转偏差，并依据所有的平移偏差和旋转偏差对前光栅阵列平面和后光栅阵列平面进行调整，实现双光栅阵列的远距离对准。

进一步地，上述步骤3.1中Z轴方向的具体获取方法为：

在放置承力框架的工作平台上定义8个测量基准点；

利用激光跟踪仪的接触式测量靶标触碰放置承力框架的工作平台的八个测量基准点，获得为每个测量基准点的坐标值；

根据八个测量基准点的坐标值拟合平面，并将该平面的法线作为参考坐标系的Z轴。

进一步地，上述步骤1.9中狭缝两端的特定区域之间的距离L_pitch通过以下方式获得：

狭缝两端的特定区域位置坐标值通过坐标测量仪读取，通过两个坐标值做差的向量取模，即为L_pitch。

进一步地，上述坐标测量仪为影像式三坐标测量仪。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过近、远距离分离对准的方式，将数量较多的多组双光栅高效率实现对准，精度较高，并且在此过程中也完成了前光栅和前光栅阵列平面的装配，后光栅和后光栅阵列平面的装配，以及前光栅阵列、后光栅阵列与承力框架的高精度装配。

2、本发明的实施过程仅依靠了三坐标测量仪和激光跟踪平台这样两台常规设备，即可实现双光栅的远距离高精度对准，无需搭建复杂光路，操作方便。

附图说明

图1为本发明星载双光栅调制型成像仪器的结构示意图；

图2为本发明实施例近距离对准过程示意图；

图3为本发明实施例近距离对准时后光栅放置位置和角度示意图；

图4为本发明实施例近距离对准时光栅狭缝的中心线获取过程示意图；

图5为本发明实施例远距离对准时参考坐标系建立过程示意图；

图6为本发明实施例远距离对准偏差解析示意图。

附图标记如下：

1-前光栅阵列平面、2-后光栅阵列平面、3-承力框架、4-前光栅、5-后光栅、6-影像式三坐标测量仪、7-调整垫块、8-中心狭缝、9-狭缝的四个角、10-亮条纹的中心线、11-激光跟踪仪平台、12-激光跟踪仪、13-接触式测量靶标。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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有没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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

星载双光栅调制型成像仪器是由前光栅阵列平面1、后光栅阵列平面2、承力框架3、前光栅4和后光栅5组成；承力框架3用以支撑前、后光栅阵列平面；

前光栅阵列平面1、后光栅阵列平面2用以分别放置多个前光栅4和后光栅5，前光栅阵列平面1、后光栅阵列平面2的两个相邻且垂直的外表面上对应位置有四组共计八个基准平台(如图1中A、B、C、D、E、F、G)，用以对准时使用；根据成像需求，前、后光栅阵列平面上安装的前光栅、后光栅满足对应关系：相同位置的前光栅、后光栅有具相同的光栅周期和摆放角度。

为了明确对准的实际意义，需明确对准的指标具体为前、后光栅的平移偏差以及旋转偏差，具体来说：

1、光栅的平移偏差指前、后两光栅的狭缝沿着垂直于狭缝方向的偏差，由于狭缝的长宽比很大，平行于狭缝方向的偏差不予考虑；

2、光栅的旋转偏差指前、后两光栅的狭缝相对旋转的角度；

本实施例提供一种星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法的具体实施过程，如图1至图6所示：

步骤1：近距离对准

步骤1.1：先将前光栅阵列平面1和后光栅阵列平面2上下叠放为一个如图2所示的组合体，粗调两者相对位置，使前光栅阵列平面1和后光栅阵列平面2，以及前光栅阵列平面的基准平台和后光栅阵列平面的基准平台都基本对齐(即将基准平台A与E、B与F、C与G、D与H对齐)；在此基础上，将前、后光栅阵列平面的所有基准平台进行组合加工，从而为前、后光栅阵列中所有光栅建立共有的基准；

步骤1.2，将组合体水平放置于坐标测量仪的工作平台上，调整坐标测量仪的光轴与组合体保持垂直，然后测量组合体四个角以及中心点位置的X轴坐标值，再通过向组合体底部四个角与所述工作平台之间增加调整垫块7进行调整，确保最终测量的上述五个点的X轴坐标值偏差小于0.02mm；X轴方向为垂直于坐标测量仪的工作平台的法线方向；本实施例中使用坐标测量仪为影像式三坐标测量仪6；工作时，影像式三坐标测量仪6需要垂直于其工作平台拍摄图像进行坐标测量，因此前、后光栅阵列平面组合后实现近距离对准时，应保证组合平面与拍摄光轴的垂直，否则测量时的数据难以表征狭缝真实的对准情况；

步骤1.3：将所有后光栅5均安装在后光栅阵列平面2上；通过影像式三坐标测量仪6测量如图2中基准平台E和F的坐标值(当然此处也可选基准平台G和H)分别为

和

其连线的方向向量通过式(1)计算：

步骤1.4：如图3所示，通过影像式三坐标测量仪测量出任意一个后光栅5的中心狭缝8中的四个顶角9的坐标分别为

和

并计算狭缝的方向向量为：

光栅中所有狭缝方向均与中心狭缝的方向一致；

步骤1.5：计算步骤1.4中与后光栅5中心狭缝8的方向

垂直的向量为：

并计算该向量与基准平台连线方向向量

的夹角β_pitch，具体公式为：

其中，

相对于

逆时针旋转时夹角为正值，顺时针旋转时夹角为负值。

步骤1.6：计算后光栅5的中心狭缝8的几何中心坐标

进而获得该后光栅5相距步骤1.3中基准平台A或E的向量

步骤1.7：如图4所示，针对于单个安装好的后光栅5而言，影像式三坐标测量镜头拍摄其五个特定区域K1、K2、K3、K4、K5，任意一个特定区域形成如图4示意的亮暗相间的条纹图像，在条纹图像中选取一条亮条纹的两个亮暗交界线拟合出该亮条纹的中心线10，定义该中心线为狭缝中心线，采用同样的方法再采集其他4个特定区域的中心线，一共能得到五条中心线(当然特定区域的数量根据实际情况选择，需满足的条件为至少有三个特定区域能够采集到后光栅5的中心狭缝8的中心线，且三个特定区域中有两个特定区域位于该中心狭缝8两端，例如图4中特定区域K2、K5和K4能够采集中心狭缝8的中心线，且特定区域K2和K4位于中心狭缝8两端)；

步骤1.8：在前光栅阵列平面上，且与后光栅5对应的位置安装一个前光栅4，同样方法采集前光栅4上与后光栅5位置一致的五个特定区域内的五条中心线；

影像坐标测量仪拍摄前光栅4的每个特定区域时，与拍摄后光栅5的每个特定区域时坐标测量仪的坐标值保持一致；

通过影像式三坐标测量仪读取后光栅5和前光栅4每个相对应特定区域的狭缝中心线之间的距离，从而得到五组狭缝中心线的平移偏差为d_i(i＝1…5)；由于光栅存在加工误差，导致光栅的每条狭缝本就存在微量的位置不确定度，因此测量是无法得到5组完全一致的平移偏差值的，通过定义五个平移偏差值的均值来表征近距离对准时前光栅4和后光栅5的平移偏差，具体如式(6)：

后光栅5的狭缝中心线相对于前光栅4的狭缝中心线的偏移方向与向量

相同时，偏差值d_i为正，反之与向量

相反时，定义为负。

步骤1.9：通过前光栅4的两个特定区域K2和K4的狭缝中心线与后光栅5的两个特定区域K2和K4的狭缝中心线之间的平移偏差值，以及两个特定区域K2和K4之间的距离，得出近距离对准时前光栅4和后光栅5的相对旋转偏差：

α_pitch＝arctan[(d_iR-d_iL)/L_pitch] (7)

d_iR和d_iL分别为前光栅4位于中心狭缝8两端的两个特定区域K2和K4的狭缝中心线和与之对应的后光栅5位于中心狭缝8两端的两个特定区域K2和K4的狭缝中心线之间的平移偏差值；定义后光栅5的狭缝相对于前光栅4的狭缝逆时针旋转时，偏差角α_pitch为正，反之则为负；

K2和K4之间的距离为L_pitch，该值的获取方式为：通过影像式三坐标测量仪读取两个特定区域K2和K4位置坐标值，通过两个坐标值做差的向量取模，即得到L_pitch；由于中心狭缝是光栅所有狭缝中最长的，这样能使得前、后光栅近距离对准时的旋转对准精度提升；

步骤1.10：根据步骤1.8和步骤1.9的结果对前光栅4进行调整，实现两个光栅的近距离对准；

步骤1.11：重复步骤1.7-1.10完成所有前光栅4的安装，并完成前、后光栅阵列近距离的对准；

步骤2：装配星载双光栅调制型成像仪器

将承力框架3放置于工作平台11上(本实施例中该工作平台为平面度高的大理石平台)，将近距离对准后的前、后光栅阵列从组合状态进行拆分，再将两者分别安装在承力框架3前后两端面上，并使前光栅阵列平面1的基准平台与后光栅阵列平面2的基准平台一一对齐(即就是A与E对齐，B与F对齐，C与G对齐，D与H对齐)；

步骤3：远距离对准

步骤3.1：建立成像仪器的参考坐标系；

定义参考坐标系的Z轴为工作平台11表面的法线；为了确保精度，Z轴方向的具体获取方法为：

如图5所示，使用激光跟踪仪12的进行测量，利用激光跟踪仪12的接触式测量靶标13触碰工作平台11的八个特定测量基准点T，拟合平面，并将该平面的法线作为参考坐标系的Z轴；定义前光栅阵列或后光栅阵列的法线为X轴；Y轴同时垂直于Z轴和X轴；选取八个测量基准T中任意一个点作为参考坐标系原点；此方法建立设备坐标系的优点是：坐标系Z轴为设备安装平面法线，坐标系X轴表示设备入射光轴，因此测量得到的基准平台的偏差能够表征设备在真实工作状态时双光栅的对准偏差，对于设备精度的定量标定有益；

步骤3.2：获得前光栅阵列平面1和后光栅阵列平面2在YOZ面内的相对旋转角；

利用激光跟踪仪12测量后光栅阵列平面2和前光栅阵列平面1上的四个基准平台的坐标值；方式1是可以测量出基准平台E为(y₁,z₁)，基准平台F为(y₂,z₂)，基准平台A为(y′₁,z′₁)，基准平台B为(y′₂,z′₂)；方式2为测量出基准平台G为(y₁,z₁)，基准平台H为(y₂,z₂)，基准平台C为(y′₁,z′₁)，基准平台D为(y′₂,z′₂)；

计算四个基准平台之间的偏移向量，基准平台E和A的偏移向量为：

基准平台F和B的偏移向量为：

向量

和

的中垂线交于一点P₀:(y₀,z₀)，该点满足式(10)的方程：

如图6所示，根据几何关系，将后光栅阵列平面2沿X轴投影到前光栅阵列平面1内，其位置关系可以等效为后光栅阵列平面2相对于前光栅阵列平面1绕旋转中心P₀旋转一个角度，旋转角α_array可通过式(11)得到：

或

其中，定义逆时针旋转为正，顺时针旋转为负；

同理，也可以利用方式2测量的四个基准平台坐标值来求解旋转角α_array。

再计算由旋转偏差引起的每个光栅的平移偏差，具体为：

步骤3.3：获取后光栅5由旋转角α_array引起的在YOZ面内的偏移向量；

步骤3.3.1：结合步骤3.2中测量的后光栅阵列平面一个基准平台的坐标(y₁,z₁)以及步骤1.6中后光栅相对于基准平台的向量

求取后光栅5的坐标值P_pitch为(图6中标记5所指位置)：

步骤3.3.2：求取后光栅阵列平面2绕旋转中心P₀旋转α_array后，引起后光栅5发生的偏移向量

为了能通过旋转矩阵进行坐标变换，将旋转中心P₀假设为YOZ平面内一个临时的旋转坐标系的原点，此时后光栅5在此旋转坐标系下的坐标为：

偏移向量

为：

P′_pitch可通过式(15)计算：

其中

[R]^-1为矩阵[R]的逆，P′_pitch代表在旋转坐标系下，后光栅阵列平面未发生旋转时后光栅5的坐标值(图6中标记5′所指位置)；

步骤3.4：计算在远距离放置时，后光栅5的狭缝在YOZ面内的方向；

求取在远距离放置状态下后光栅5的狭缝垂直向量

与参考坐标系Y轴的夹角；具体公式为：

β′＝β_array+β_pitch (16)

其中，

β_array表示后光栅阵列平面2的基准平台E与F(或G与H)连线的向量

在远距离放置状态下与参考坐标系Y轴的夹角；此时后光栅5的狭缝垂直向量的表达式为：

步骤3.5：在YOZ面内，将后光栅5由旋转引起的偏移向量

投影到其光栅狭缝垂直向量

上，得到后光栅5在远距离对准的状态下增加的平移偏差D_array，具体表达式为：

步骤3.6：结合步骤3.5中后光栅5在远距离对准时增加的平移偏差D_array，以及步骤1.8中近距离对准时的平移偏差，得到后光栅5相对于前光栅4的远距离对准的平移偏差，具体表达式为：

D＝D_array+d_pitch (20)

步骤3.7：结合步骤3.2的前光栅阵列平面1和后光栅阵列平面2之间的旋转角α_array，以及步骤1.9中近距离对准的相对旋转偏差α_pitch，得到后光栅5相对于前光栅4的远距离对准的旋转偏差，具体表达式为：

α＝α_array+α_pitch (21)

步骤3.8：重复步骤3.3至步骤3.7获得前光栅阵列平面和后光栅阵列平面中所有对应的前光栅、后光栅之间的远距离对准时的平移偏差和旋转偏差，并依据所有的平移偏差和旋转偏差对前光栅阵列平面1和后光栅阵列平面2进行调整，至此就实现了双光栅阵列的远距离对准，且定量描述了对准精度。

Claims (4)

1.一种星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法，其特征在于，具体实现步骤如下：

步骤1：近距离对准；

步骤1.1：将前、后光栅阵列平面上、下叠放为一个组合体，粗调两者相对位置，使前光栅阵列平面和后光栅阵列平面，以及前光栅阵列平面的基准平台和后光栅阵列平面的基准平台都基本对齐；在此基础上，将前、后光栅阵列平面的所有基准平台进行组合加工，从而为前、后光栅阵列中所有光栅建立共有的基准；

所述基准平台为前、后光栅阵列平面自身所携带；每个光栅阵列平面均有四个基准平台，且两个位于光栅阵列平面的第一外表面，另外两个位于光栅阵列平面的第二外表面；所述第一外表面和第二外表面相互垂直；

步骤1.2：将组合体水平放置于坐标测量仪的工作平台上，调整坐标测量仪的光轴与组合体保持垂直，然后测量组合体四个角以及中心点位置的X轴坐标值，再通过向组合体底部四个角与所述工作平台之间增加调整垫块进行调整，确保最终测量的五个点的X轴坐标值偏差小于0.02mm；X轴方向为垂直于坐标测量仪的工作平台的法线方向；

步骤1.3：将所有后光栅均安装在后光栅阵列平面上；通过坐标测量仪测量出第一外表面或第二外表面上两个基准平台的坐标值，记为

和

计算出基准平台连线的方向向量

步骤1.4：通过坐标测量仪测量出任意一个后光栅A中心狭缝中四个顶角的坐标

和

并计算该光栅中心狭缝的方向向量为：

或

步骤1.5：计算与光栅中心狭缝方向

垂直的向量为：

并计算该向量与基准平台连线方向向量

的夹角β_pitch，具体公式为：

其中，

相对于

逆时针旋转时夹角为正值，顺时针旋转时夹角为负值；

步骤1.6：计算后光栅A中心狭缝的几何中心坐标

并以此作为光栅的基准位置：

或

进而获得该后光栅A相距步骤1.3中任意一个基准平台的向量

或

步骤1.7：在后光栅A上选择i个特定区域，i≥3，通过坐标测量仪拍摄任意一个特定区域获得亮暗相间的条纹图像，在条纹图像中选取一条亮条纹的两个亮暗交界线拟合出该亮条纹的中心线，定义该中心线为狭缝中心线，采用同样的方法再采集其他特定区域的狭缝中心线，从而获得后光栅A上i条狭缝中心线，记为L_Ai；

其中，i个特定区域需满足至少有三个特定区域采集到后光栅A中的中心狭缝的中心线上，且三个特定区域中有两个特定区域位于该中心狭缝的两端；

步骤1.8：在前光栅阵列平面上，且与后光栅A对应的位置安装一个前光栅B，采用步骤1.7的方法获取前光栅B上与后光栅A位置一致的i个特定区域内的i条狭缝中心线，记为L_Bi；

坐标测量仪拍摄前光栅B的每个特定区域时，与拍摄后光栅A的每个特定区域时坐标测量仪的坐标值保持一致；

通过坐标测量仪读取后光栅A和前光栅B上每个相对应特定区域的狭缝中心线L_Ai和L_Bi的距离，得到i组平移偏差值；通过求取i组平移偏差值的平均值来描述近距离对准时前光栅B和后光栅A的平移偏差，具体表达式为：

其中，d_i为狭缝中心线L_Bi与狭缝中心线L_Ai的平移偏差值；定义后光栅A的狭缝中心线相对于前光栅B的狭缝中心线的偏移方向与向量

相同时，偏差值d_i为正，反之与向量

相反时，定义为负；

步骤1.9：求取近距离对准时前光栅B和后光栅A的相对旋转偏差，具体表达式为：

α_pitch＝arctan[(d_iR-d_iL)/L_pitch]；

其中，d_iR和d_iL分别为前光栅B位于中心狭缝两端的两个特定区域的狭缝中心线和与之对应的后光栅A位于中心狭缝两端的两个特定区域的狭缝中心线之间的平移偏差；定义后光栅A的狭缝相对于前光栅B的狭缝逆时针旋转时，偏差角α_pitch为正，反之则为负；

位于中心狭缝两端的两个特定区域之间的距离为L_pitch；

步骤1.10：根据步骤1.8和步骤1.9的结果对前光栅B进行调整，实现两个光栅的近距离对准；

步骤1.11：重复步骤1.7-1.10完成所有前光栅的安装，并完成前、后光栅阵列近距离的对准；

步骤2：装配星载双光栅调制型成像仪器

将承力框架放置于工作平台上，将近距离对准后的前、后光栅阵列从组合状态进行拆分，再将两者分别安装在承力框架前后两端的平面上，并使前光栅阵列平面的基准平台与后光栅阵列平面的基准平台依旧对齐；

步骤3：远距离对准

步骤3.1：建立成像仪器的参考坐标系；

定义参考坐标系的Z轴为工作平台表面的法线，定义前光栅阵列或后光栅阵列的法线为X轴；Y轴为同时垂直于Z轴和X轴；

步骤3.2：获得前光栅阵列平面和后光栅阵列平面在YOZ面内的相对旋转角；

利用激光跟踪仪的接触式测量靶标测量后光栅阵列平面上第一外表面或第二外表面上两个基准平台的坐标值，记为(y₁,z₁)，(y₂,z₂)，以及前光栅阵列平面上第一外表面或第二外表面上两个基准平台的坐标值，记为(y′₁,z′₁)，(y′₂,z′₂)；

前光栅阵列平面和后光栅阵列平面上相对应的四个基准平台之间的偏移向量为：

向量

和

的中垂线交于一点P₀:(y₀,z₀)，该点P₀满足方程：

根据几何关系，将后光栅阵列平面沿X轴投影到前光栅阵列平面内，则两个平面的位置关系可以表征为后光栅阵列平面相对于前光栅阵列平面绕旋转中心旋转过一个角度α_array，其中旋转中心点就是P₀点，且旋转角为α_array：

其中，定义逆时针旋转为正，顺时针旋转为负；

步骤3.3：获取后光栅A由旋转角α_array引起的在YOZ面内的偏移向量；

步骤3.3.1：结合步骤3.2中测量的后光栅阵列平面一个基准平台的坐标(y₁,z₁)以及步骤1.6中后光栅相对于基准平台的向量

求取后光栅A的坐标值P_pitch为：

步骤3.3.2：求取后光栅阵列平面绕旋转中心P₀旋转α_array后，引起后光栅A发生的偏移向量

将旋转中心P₀假设为YOZ平面内一个临时的旋转坐标系的原点，此时后光栅A在此旋转坐标系下的坐标为：

偏移向量

为：

P_p′_itch可通过下式计算：

其中

[R]^-1为矩阵[R]的逆，P′_pitch代表在旋转坐标系下，后光栅阵列平面未发生旋转时后光栅A的坐标值；

步骤3.4：计算在远距离放置时，后光栅A的狭缝在YOZ面内的方向；

求取在远距离放置状态下后光栅A的狭缝垂直向量

与参考坐标系Y轴的夹角；具体公式为：

β′＝β_array+β_pitch；

其中，

β_array表示后光栅阵列平面基准平台连线的向量

在远距离放置状态下与参考坐标系Y轴的夹角；此时后光栅A的狭缝垂直向量的表达式为：

步骤3.5：在YOZ面内，将后光栅A由旋转引起的偏移向量

投影到其光栅狭缝垂直向量

上，得到后光栅A在远距离对准的状态下增加的平移偏差D_array，具体表达式为：

步骤3.6：结合步骤3.5中后光栅A在远距离对准时增加的平移偏差D_array，以及步骤1.8中近距离对准时的平移偏差，得到后光栅A相对于前光栅B的远距离对准的平移偏差，具体表达式为：

D＝D_array+d_pitch；

步骤3.7：结合步骤3.2的前光栅阵列平面和后光栅阵列平面之间的旋转角α_array，以及步骤1.9中近距离对准的相对旋转偏差α_pitch，得到后光栅A相对于前光栅B的远距离对准的旋转偏差，具体表达式为：

α＝α_array+α_pitch；

步骤3.8：重复步骤3.3至步骤3.7获得前光栅阵列平面和后光栅阵列平面中所有对应的前光栅、后光栅之间的远距离对准时的平移偏差和旋转偏差，并依据所有的平移偏差和旋转偏差对前光栅阵列平面和后光栅阵列平面进行调整，实现双光栅阵列的远距离对准。

2.根据权利要求1所述的星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法，其特征在于：步骤3.1中Z轴方向的具体获取方法为：

在放置承力框架的工作平台上定义8个测量基准点；

利用激光跟踪仪的接触式测量靶标触碰放置承力框架的工作平台的八个测量基准点，获得为每个测量基准点的坐标值；

根据八个测量基准点的坐标值拟合平面，并将该平面的法线作为参考坐标系的Z轴。

3.根据权利要求2所述的星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法，其特征在于：所述步骤1.9中狭缝两端的特定区域之间的距离L_pitch通过以下方式获得：

狭缝两端的特定区域位置坐标值通过坐标测量仪读取，通过两个坐标值做差的向量取模，即为L_pitch。

4.根据权利要求3所述的星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法，其特征在于：所述坐标测量仪为影像式三坐标测量仪。

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