CN114035313B - 用于稀疏孔径望远镜的子镜校正装置及其校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于稀疏孔径望远镜的子镜校正装置及其校正方法，其中，方法部分包括以下步骤：S1、聚焦型激光测距仪射出的聚焦激光束照射至靶球的表面产生反射，聚焦型激光测距仪根据返回激光得到能量信息；S2、通过处理器单元根据能量信息得到位姿偏差；S3、通过子镜调节单元根据位姿偏差将相邻两个子镜之间的相对位置校正为预设相对位置。本发明通过靶球替换现有技术中的平面标靶，得到多个维度的距离信息；本发明的聚焦型激光测距仪和靶球形成光学桁架结构，对稀疏孔径望远镜进行实时粗对准；本发明的聚焦型激光测距仪和靶球结合辅助测量单元进行交叉测量，提高测量结果准确度；本发明根据子镜的热膨胀量对子镜进行预校正。

Description

用于稀疏孔径望远镜的子镜校正装置及其校正方法
技术领域
本发明涉及稀疏孔径望远镜领域，特别涉及用于稀疏孔径望远镜的子镜校正装置及其校正方法。
背景技术
随着人类对太空和外界信息获取需求的不断增大，为了获得更大的集光面积和分辨能力，望远镜的口径需求不断增大。受限于大口径单镜的制造工艺、运输和成本，光学合成孔径技术逐步得到发展和重视。所谓光学合成孔径，就是通过一系列易于制造的小孔径系统组合拼接成大孔径光学系统。合成孔径按其技术实现方式可以分为独立子孔径结构和子孔径拼接主镜结构。子孔径拼接主镜结构中，所有子孔径共用一个副镜，由拼接主镜镜面是否接触拼接又可分为拼接主镜(segmented mirror)和稀疏孔径(sparse aperture)，KECK望远镜是拼接主镜望远镜，GMT(Giant Magellan Telescope)是稀疏孔径望远镜。
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。由于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，需要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干涉仪。激光干涉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，会使用激光干涉仪进行系统粗对准。但是，单台激光干涉仪的精度有限，因此，在使用激光干涉仪之后，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度准速度，浪费宝贵的观测时间。
发明内容
本发明为解决的问题，提供用于稀疏孔径望远镜的子镜校正装置及其校正方法。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
一种用于稀疏孔径望远镜的子镜校正装置，包括：聚焦型激光测距仪、靶球、处理器单元和子镜调节单元；子镜调节单元与子镜固定连接，聚焦型激光测距仪和靶球分别固定在相邻两个子镜的相对侧面上，聚焦型激光测距仪射出的聚焦激光束照射至靶球的表面产生反射，反射后的激光返回聚焦型激光测距仪，聚焦型激光测距仪根据返回激光得到能量信息；
相邻两个子镜对准时的相对位置为预设相对位置，此时的能量信息为预设能量信息，位姿偏差为相邻两个子镜之间的相对位置与预设相对位置之间的偏差；当存在位姿偏差时，处理器单元根据能量信息计算得到位姿偏差并传递至子镜调节单元，子镜调节单元根据位姿偏差将相邻两个子镜之间的相对位置校正为预设相对位置。
优选地，还包括用于进行辅助测量的辅助测量单元，辅助测量单元测量相邻两个子镜之间的侧向偏差，处理器单元根据侧向偏差对得到的位姿偏差进行修正。
优选地，辅助测量单元包括第一激光束发射器和光接收元件；第一激光束发射器和光接收元件分别固定在相邻两个子镜的相对侧面上，第一激光束发射器射出的激光束照射至光接收元件；
当存在位姿偏差时，激光束形成的光斑偏离光接收元件的中心，处理器单元根据光斑的位置，计算得到侧向偏差。
优选地，当子镜为反射镜时，辅助测量单元包括第二激光束发射器、分光元件、第一反射光接收元件和第二反射光接收元件；第二激光束发射器、第一反射光接收元件和第二反射光接收元件均与相邻两个子镜中的一个子镜的侧面固定连接，分光元件置于第二激光束发射器射出的激光束的光路中；
激光束通过分光元件分为第一测量光束和第二测量光束，第一测量光束和第二测量光束分别照射至相邻两个子镜中的另一个子镜的侧面产生反射，反射后的第一测量光束照射至第一反射光接收元件，反射后的第二测量光束照射至第二反射光接收元件；
当存在位姿偏差时，第一测量光束形成的光斑偏离第一反射光接收元件的中心，第二测量光束形成的光斑偏离第二反射光接收元件的中心，处理器单元根据光斑的位置，计算得到侧向偏差。
优选地，光接收元件为CCD相机或位置灵敏探测器。
优选地，分光元件为透射光栅或分光棱镜，第二反射光接收元件和第三反射光接收元件均为CCD相机或位置灵敏探测器。
优选地，还包括基准基座；基准基座与子镜固定连接，基准基座的材料为低热膨胀系数材料，通过基准基座作为光学基准计量子镜的热膨胀量。
一种用于稀疏孔径望远镜的子镜校正方法，应用于子镜校正装置，包括以下步骤：
S1、聚焦型激光测距仪射出的聚焦激光束照射至靶球的表面产生反射，反射后的激光返回聚焦型激光测距仪，聚焦型激光测距仪根据返回激光得到能量信息；
S2、通过处理器单元根据能量信息得到位姿偏差；
S3、通过处理器单元将位姿偏差传递至子镜调节单元，通过子镜调节单元根据位姿偏差将相邻两个子镜之间的相对位置校正为预设相对位置。
优选地，在步骤S2和步骤S3之间还包括以下步骤：
通过辅助测量单元计算得到两个相邻子镜之间的侧向偏差，通过处理器单元根据侧向偏差对步骤S2中得到的位姿偏差进行修正。
优选地，在步骤S1前还包括步骤S0：
S0、通过基准基座作为光学基准计量子镜的热膨胀量，处理器组件根据热膨胀量对子镜进行预校正。
优选地，步骤S2中得到位姿偏差的方法如下：
通过聚焦型激光测距仪得到相邻两个子镜之间的水平距离；
通过处理器单元根据能量信息计算得到相邻两个子镜之间的相对位置与预设相对位置之间的侧向位移。
优选地，得到侧向偏差的方法如下：
当辅助测量单元包括第一激光束发射器和光接收元件时，通过处理器单元计算在光接收元件上形成的光斑与光接收元件的中心之间的相对位置，该相对位置即为侧向偏差；
当辅助测量单元包括第二激光束发射器、分光元件、第一反射光接收元件和第二反射光接收元件时，通过处理器单元计算在第一反射光接收元件上形成的光斑与第一反射光接收元件的中心之间的第一相对位置和第二反射光接收元件上形成的光斑与第二反射光接收元件的中心之间的第二相对位置，并计算第一相对位置和第二相对位置的均值，该均值即为侧向偏差。
本发明能够取得以下技术效果：
(1)通过靶球替换现有技术中的平面标靶，在仅使用单台聚焦型激光测距仪的情况下得到多个维度的距离信息，简化结构并节约测量时间；
(2)聚焦型激光测距仪和靶球形成光学桁架结构，对稀疏孔径望远镜进行实时粗对准，保证稀疏孔径望远镜的顺利运行；
(3)聚焦型激光测距仪和靶球结合辅助测量单元进行交叉测量，提高测量结果准确度；
(4)低热膨胀率的基准基座与子镜固定连接，当温度发生变化时，以基准基座为尺寸基准计算子镜的热膨胀量，根据子镜的热膨胀量对子镜进行预校正。
附图说明
图1是根据本发明实施例1的用于稀疏孔径望远镜的子镜校正装置的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的用于稀疏孔径望远镜的子镜校正装置的工作原理示意图；
图3是根据本发明实施例的用于稀疏孔径望远镜的子镜校正装置的反射模型示意图；
图4是根据本发明实施例2的辅助测量单元2的结构示意图。
其中的附图标记包括：聚焦型激光测距仪1、靶球2、第一子镜3、第二子镜4、第一激光束发射器5、光接收元件6、分光元件7、第一反射光接收元件8、第二反射光接收元件9、激光束10、第一测量光束11、第二测量光束12。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了本发明实施例提供的用于稀疏孔径望远镜的子镜校正装置的结构，包括：聚焦型激光测距仪1、靶球2、处理器单元和子镜调节单元；子镜调节单元与子镜固定连接，聚焦型激光测距仪1和靶球2分别固定在相邻两个子镜的相对侧面上，在本实施例中，相邻两个子镜分别为第一子镜3和第二子镜4，聚焦型激光测距仪1与第一子镜3固定连接，靶球2与第二子镜4固定连接；聚焦型激光测距仪1射出的聚焦激光束照射至靶球2的表面产生反射，反射后的激光返回聚焦型激光测距仪1，聚焦型激光测距仪1根据返回激光得到能量信息。
图2示出了子镜校正装置的原理，相邻两个子镜对准时的相对位置为预设相对位置，处于预设相对位置时，聚焦型激光测距仪1射出的激光的焦点位于靶球2的表面，且靶球2的球心位于聚焦型激光测距仪1的主光轴上；此时的能量信息为预设能量信息，位姿偏差为相邻两个子镜之间的相对位置与预设相对位置之间的偏差；在本实施例中，以第一子镜3的中心为原点，第一子镜3的主光轴为Z轴，聚焦型激光测距仪1的主光轴为X轴，同时垂直于X轴和Z轴的方向为Y轴建立直角坐标系，位姿偏差为靶球2与处于预设相对位置时的靶球2位置的坐标差。
当存在位姿偏差时，聚焦型激光测距仪1射出的聚焦激光束经过靶球2反射后，返回激光的能量信息产生变化，处理器单元根据能量信息计算得到位姿偏差并传递至子镜调节单元，子镜调节单元根据位姿偏差将相邻两个子镜之间的相对位置校正为预设相对位置。
在本发明的一个实施例中，还包括用于进行辅助测量的辅助测量单元，辅助测量单元测量相邻两个子镜之间的侧向偏差，处理器单元根据侧向偏差对得到的位姿偏差进行修正，在本实施例中，将侧向偏差和位姿偏差的对应项进行取均值运算，提高结果的准确度。
图1示出了本发明实施例1中的辅助测量单元的结构，辅助测量单元包括第一激光束发射器5和光接收元件6；第一激光束发射器5和光接收元件6分别固定在相邻两个子镜的相对侧面上，第一激光束发射器5射出的激光束照射至光接收元件6，在本实施例中，光接收元件6与第一子镜3固定连接，第一激光束发射器5与第二子镜4固定连接。
相邻两个子镜处于预设相对位置时，第一激光束发射器5的主光轴与光接收元件6的主光轴重合，使第一激光束发射器5射出的激光束形成的光斑位于光接收元件6的中心；当存在位姿偏差时，激光束形成的光斑偏离光接收元件6的中心，处理器单元根据光斑的位置，计算得到侧向偏差；得到侧向偏差的坐标系与得到位姿偏差的坐标系为同一坐标系，侧向偏差为光斑与光接收元件6的中心分别投影至YZ平面上的对应点的坐标偏差。
当子镜为反射镜时，可采用本发明实施例2，图4示出了本发明实施例2的辅助测量单元的结构，辅助测量单元包括第二激光束发射器、分光元件7、第一反射光接收元件8和第二反射光接收元件9；第二激光束发射器、第一反射光接收元件8和第二反射光接收元件9均与相邻两个子镜中的一个子镜的侧面固定连接，分光元件7置于第二激光束发射器射出的激光束10的光路中，在本实施例中，第二激光束发射器、第一反射光接收元件8和第二反射光接收元件9均与第一子镜3的侧面固定连接。
激光束10通过分光元件7分为第一测量光束11和第二测量光束12，第一测量光束11和第二测量光束12分别照射至相邻两个子镜中的另一个子镜的侧面产生反射，反射后的第一测量光束11照射至第一反射光接收元件8，反射后的第二测量光束12照射至第二反射光接收元件9。
相邻两个子镜处于预设相对位置时，第一测量光束11形成的光斑位于第一反射光接收元件8的中心，第二测量光束12形成的光斑位于第二反射光接收元件9的中心；当存在位姿偏差时，第一测量光束11形成的光斑偏离第一反射光接收元件8的中心，第二测量光束12形成的光斑偏离第二反射光接收元件9的中心，处理器单元根据光斑的位置，计算得到侧向偏差；第一测量光束11形成的光斑与第一反射光接收元件8的中心分别投影至YZ平面上的对应点的坐标偏差和第二测量光束12形成的光斑与第二反射光接收元件9的中心分别投影至YZ平面上的对应点的坐标偏差的均值即为侧向偏差，通过取均值得到更准确的侧向偏差。
在本发明的一个实施例中，光接收元件6为CCD相机或位置灵敏探测器，CCD相机和位置灵敏探测器均可得到激光束形成的光斑的位置变化。
在本发明的一个实施例中，分光元件7为透射光栅或分光棱镜，第一反射光接收元件8和第二反射光接收元件9均为CCD相机或位置灵敏探测器，CCD相机和位置灵敏探测器均可得到测量光束形成的光斑的位置变化。
在本发明的一个实施例中，还包括基准基座；基准基座与子镜固定连接，基准基座的材料为低膨胀材料，例如殷钢，通过基准基座作为光学基准计量子镜的热膨胀量；低膨胀材料的热膨胀系数极小，可认为在所有温度下的尺寸无变化，再进行校正前，通过测量子镜与基准基座之间的尺寸差值得到子镜相对于上一次校正时的热膨胀量来进行预校正；在本实施例中，测量子镜边缘与基准基座边缘之间的距离作为尺寸差值。
上述内容详细说明了本发明提供的用于稀疏孔径望远镜的子镜校正装置的结构，与该校正装置相对应，本发明还提供一种利用校正装置对子镜进行校正的方法。
本发明实施例提供的用于稀疏孔径望远镜的子镜校正方法包括以下步骤：
S1、聚焦型激光测距仪1射出的聚焦激光束照射至靶球2的表面产生反射，反射后的激光返回聚焦型激光测距仪1，聚焦型激光测距仪1根据返回激光得到能量信息和干涉图像。
S2、通过处理器单元根据能量信息得到位姿偏差。
S3、通过处理器单元将位姿偏差传递至子镜调节单元，通过子镜调节单元根据位姿偏差将相邻两个子镜之间的相对位置校正为预设相对位置。
在本发明的一个实施例中，在步骤S2和步骤S3之间还包括以下步骤：
通过辅助测量单元计算得到两个相邻子镜之间的侧向偏差，通过处理器单元根据侧向偏差对步骤S2中得到的位姿偏差进行修正。
将侧向偏差和位姿偏差的对应项进行取均值运算，提高结果的准确度。
在本发明的一个实施例中，在步骤S1前还包括步骤S0：
S0、通过基准基座作为光学基准计量子镜的热膨胀量，处理器组件根据热膨胀量对子镜进行预校正。
在进行预校正时，可以根据已得到的温度与子镜的热膨胀量之间的关系对子镜进行预校正来代替实际测量，减少校正时间；当校正时温度为T时，选取最接近T的温度T1和T2时的热膨胀量数据(T1<T<T2)，根据T1和T2时的热膨胀量数据建立热膨胀量与温度之间的一次函数，温度T对应的函数值即为预校正时的校正量。
在本发明的一个实施例中，步骤S2中得到位姿偏差的方法如下：
通过聚焦型激光测距仪1得到相邻两个子镜之间的水平距离，水平距离在坐标系中即为在X轴方向上的偏差，得到在X轴方向上的偏差的具体原理为聚焦型激光测距仪1的工作原理，此处不做赘述。
通过处理器单元根据能量信息计算得到相邻两个子镜之间的相对位置与预设相对位置之间的侧向位移。
图3示出了根据能量信息得到侧向位移的原理，其中，δ为靶球2与处于预设相对位置时的靶球2位置分别投影到YZ平面上后的距离，即侧向位移，l为聚焦型激光测距仪1接收到激光的能量分布区域的长度，L为聚焦型激光测距仪1的光学窗口的长度，r为靶球2的半径，γ为聚焦型激光测距仪1的竖直发散角，θ为反射激光的分布角；根据几何计算得到δ与l满足公式(1)：
Figure BDA0003361629190000091
根据激光的能量分布区域得到靶球2相对于处于预设相对位置时的靶球2位置的偏移方向，根据偏移方向和侧向位移进一步求出靶球2分别在Y轴方向和Z轴方向上的偏差。
在本发明的实施例1中，辅助测量单元包括第一激光束发射器5和光接收元件6时，处于预设相对位置时，在光接收元件6上形成的光斑位于光接收元件6的中心；通过处理器单元计算在光接收元件6上形成的光斑与光接收元件6的中心之间的相对位置，该相对位置即为侧向偏差。
在本发明的实施例2中，子镜为反射镜，辅助测量单元包括第二激光束发射器、分光元件7、第一反射光接收元件8和第二反射光接收元件9时，处于预设相对位置时，在第一反射光接收元件8和第二反射光接收元件9上形成的光斑分别位于第一反射光接收元件8和第二反射光接收元件9的中心；通过处理器单元计算在第一反射光接收元件8上形成的光斑与第一反射光接收元件8的中心之间的第一相对位置和第二反射光接收元件9上形成的光斑与第二反射光接收元件9的中心之间的第二相对位置，并计算第一相对位置和第二相对位置的均值，该均值即为侧向偏差。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于稀疏孔径望远镜的子镜校正装置，其特征在于，包括：聚焦型激光测距仪、靶球、处理器单元和子镜调节单元；所述子镜调节单元与子镜固定连接，所述聚焦型激光测距仪和所述靶球分别固定在相邻两个子镜的相对侧面上，所述聚焦型激光测距仪射出的聚焦激光束照射至所述靶球的表面产生反射，反射后的激光返回所述聚焦型激光测距仪，所述聚焦型激光测距仪根据返回激光得到能量信息；
所述相邻两个子镜对准时的相对位置为预设相对位置，此时的所述能量信息为预设能量信息，位姿偏差为所述相邻两个子镜之间的相对位置与所述预设相对位置之间的偏差；当存在位姿偏差时，所述处理器单元根据所述能量信息计算得到所述位姿偏差并传递至所述子镜调节单元，所述子镜调节单元根据所述位姿偏差将所述相邻两个子镜之间的相对位置校正为所述预设相对位置；
还包括用于进行辅助测量的辅助测量单元，所述辅助测量单元测量所述相邻两个子镜之间的侧向偏差，所述处理器单元根据所述侧向偏差对得到的所述位姿偏差进行修正。
2.如权利要求1所述的子镜校正装置，其特征在于，所述辅助测量单元包括第一激光束发射器和光接收元件；所述第一激光束发射器和所述光接收元件分别固定在所述相邻两个子镜的相对侧面上，所述第一激光束发射器射出的激光束照射至所述光接收元件；
当存在位姿偏差时，所述激光束形成的光斑偏离所述光接收元件的中心，所述处理器单元根据所述光斑的位置，计算得到所述侧向偏差。
3.如权利要求1所述的子镜校正装置，其特征在于，当子镜为反射镜时，所述辅助测量单元包括第二激光束发射器、分光元件、第一反射光接收元件和第二反射光接收元件；所述第二激光束发射器、所述第一反射光接收元件和所述第二反射光接收元件均与所述相邻两个子镜中的一个子镜的侧面固定连接，所述分光元件置于所述第二激光束发射器射出的激光束的光路中；
所述激光束通过所述分光元件分为第一测量光束和第二测量光束，所述第一测量光束和所述第二测量光束分别照射至所述相邻两个子镜中的另一个子镜的侧面产生反射，反射后的所述第一测量光束照射至所述第一反射光接收元件，反射后的所述第二测量光束照射至所述第二反射光接收元件；
当存在位姿偏差时，所述第一测量光束形成的光斑偏离所述第一反射光接收元件的中心，所述第二测量光束形成的光斑偏离所述第二反射光接收元件的中心，所述处理器单元根据所述光斑的位置，计算得到所述侧向偏差。
4.如权利要求2所述的子镜校正装置，其特征在于，所述光接收元件为CCD相机或位置灵敏探测器。
5.如权利要求3所述的子镜校正装置，其特征在于，所述分光元件为透射光栅或分光棱镜，所述第一反射光接收元件和所述第二反射光接收元件均为CCD相机或位置灵敏探测器。
6.如权利要求1所述的子镜校正装置，其特征在于，还包括基准基座；所述基准基座与子镜固定连接，所述基准基座的材料为低热膨胀系数材料，通过所述基准基座作为光学基准计量所述子镜的热膨胀量。
7.一种用于稀疏孔径望远镜的子镜校正方法，应用于如权利要求1-6中任一项所述的子镜校正装置，其特征在于，包括以下步骤：
S0、通过基准基座作为光学基准计量子镜的热膨胀量，所述处理器组件根据所述热膨胀量对所述子镜进行预校正；
S1、所述聚焦型激光测距仪射出的聚焦激光束照射至所述靶球的表面产生反射，反射后的激光返回所述聚焦型激光测距仪，所述聚焦型激光测距仪根据返回激光得到能量信息；
S2、通过所述处理器单元根据所述能量信息得到所述位姿偏差；
S3、通过所述处理器单元将所述位姿偏差传递至所述子镜调节单元，通过所述子镜调节单元根据所述位姿偏差将所述相邻两个子镜之间的相对位置校正为所述预设相对位置。
8.如权利要求7所述的子镜校正方法，其特征在于，在步骤S2和步骤S3之间还包括以下步骤：
通过辅助测量单元计算得到两个相邻子镜之间的侧向偏差，通过所述处理器单元根据所述侧向偏差对步骤S2中得到的所述位姿偏差进行修正。
9.如权利要求7所述的子镜校正方法，其特征在于，步骤S2中得到所述位姿偏差的方法如下：
通过所述聚焦型激光测距仪得到所述相邻两个子镜之间的水平距离；
通过所述处理器单元根据所述能量信息计算得到所述相邻两个子镜之间的相对位置与所述预设相对位置之间的侧向位移。
10.如权利要求8所述的子镜校正方法，其特征在于，得到所述侧向偏差的方法如下：
当所述辅助测量单元包括第一激光束发射器和光接收元件时，通过所述处理器单元计算在所述光接收元件上形成的光斑与所述光接收元件的中心之间的相对位置，该相对位置即为所述侧向偏差；
当所述辅助测量单元包括第二激光束发射器、分光元件、第一反射光接收元件和第二反射光接收元件时，通过所述处理器单元计算在所述第一反射光接收元件上形成的光斑与所述第一反射光接收元件的中心之间的第一相对位置和所述第二反射光接收元件上形成的光斑与所述第二反射光接收元件的中心之间的第二相对位置，并计算所述第一相对位置和所述第二相对位置的均值，该均值即为所述侧向偏差。
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