CN115790410A - 航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测系统及方法：测量架：负责固定所有的传感器；传感器：共有多个安置于测量架的下方，分别对准测量架所覆盖的中心镜和子镜的顶面；回转机构：负责带动整个测量架转动，实现对整个光学系统的所有子镜和中心镜的高度进行检测；电缆：为集束电缆，沿测量架进行走线，连至控制器；控制器：控制回转机构转动并读取所有传感器的数据，对获得的数据进行处理；校准系统：修正和补偿测量架的变形与传感器的安装误差；底座：固定回转机构的平台，为校准系统提供安装空间；本发明的技术方案可以显著缩小一次性测量范围，有效解决了大范围与高精度的矛盾。

Description

航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测系统及方法

技术领域

本发明涉及航天领域，具体地，涉及一种航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测系统及方法。

背景技术

随着航天在轨组装技术的不断发展，越来越多的大型在轨组装式光学系统开始得到实际应用。这些大型组装时光学系统常常有多个子镜组成，光学系统尺寸越大，构成系统的子镜数目也随之成绩和级数速度增大(如图1所示)。因此，如何保证这些数目众多的子镜能够处在光学设计所要求的平面或者曲面之上，成为在轨拼接式光学系统能否成功实现的关键所在。为此，在轨调整将成为唯一的选项和技术路径，而如何在轨检测所有子镜的共面度成为核心关键环节。

经过检索，专利文献CN103759922A公开了一种航天遥感器二维指向镜指向精度测量方法,建立了二维指向镜分别绕滚动轴和俯仰轴转动时镜面法线空间运动轨迹的数学模型；利用经纬仪对镜面法线的空间轨迹进行测量；结合数学模型和测量数据,利用特征根最小二乘法对数据进行处理；将数据处理结果作为依据反馈二维指向镜控制器。

专利文献CN10714424A公开了一种基于景深补偿的双目视觉高精度测量方法属于计算机视觉测量技术领域,涉及一种基于景深补偿的双目视觉高精度测量方法。该方法首先对两个相机进行初始位置的标定,然后将二维靶标与左右相机平面进行调平,求解该位置的畸变系数,并求解左右相机间的结构参数；然后,将平面靶标向左右相机平面方向进行平移,进行参数标定；建立景深方向的径向畸变补偿模型,对不同深度信息的测量结果进行测量精度补偿,实现双目相机在景深方向的高精度测量。

专利文献CN108344360A一种视觉测量系统的激光扫描式全局校准装置及方法公开了一种视觉测量系统的激光扫描式全局校准装置及方法,包括：将两个线激光器固定安装在一个多自由度转台上,控制转台旋转,将激光平面投射到待校准的摄像机视野中,借助平面特征点靶标标定在此摄像机坐标系下的激光平面方程,多次旋转转台使激光平面在此摄像机视野中变换位置,并继续标定激光平面。旋转转台使激光平面投射到另一个待校准的摄像机视野中标定激光平面。通过转台实时输出的转动数据,及标定出的激光平面分别在摄像机坐标系下和转台坐标下的激光平面方程,以激光平面为媒介,求解出两个待校准的摄像机之间的位置参数,即旋转矩阵和平移矢量。

然而，实现众多子镜共面度的检测非常困难，主要难点如下：其一，各个子镜的高度注定参差不齐，因此整个光学系统的子镜共面度属于大尺寸、多目标、三维位置与姿态测量问题，难度极大；其二，检测系统本身的刚度、稳固性和稳定性将不可避免地将直接影响最终的共面度的测量精度，这也是最大的障碍；其三，检测系统如何标定与校准，实现精度的溯源，是保证在轨检测精度与可信度的保证，也是一个不可回避的难题；其四，在轨检测面临的大幅度温差变化，检测系统的热稳定性难于保证检测精度的要求。

上述问题成为实现光学系统在轨检测到关键所在，也是目前行业内尚无法解决的技术难题之一。

专利文献CN109813240A(申请号：CN201910160359.8)公开了一种电连接器的共面度检测装置，包括：基准平台，基准平台上设有将电连接器移动至检测孔处的定位调整器；二维激光位移传感器，由激光发射端射出的扇形激光面可被位于检测孔处的电连接器反射至激光接收端；控制器，分析在电连接器待测区域内焊接脚部最低处的位置信息和底座部底面的位置信息、并且计算焊接脚部最低处和底座部底面的高度差，判断所述高度差是否超过共面度阈值；显示器，显示器用于显示由轮廓线信息转化而成的轮廓线图像、以及电连接器的共面度是否合格的检测结果。但该发明不是用于航天领域。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测系统及方法。

根据本发明提供的一种航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测系统，包括：

测量架：位于子镜上方预设距离处，能够覆盖一个中心镜和预设数值数量的子镜，负责固定所有的传感器，保持所有传感器的位置准确和稳定；

传感器：共有多个安置于测量架的下方，分别对准测量架所覆盖的中心镜和子镜的顶面；

回转机构：为中心回转系统，顶部与测量架连接；负责带动整个测量架转动，实现对整个光学系统的所有子镜和中心镜的高度进行检测；

电缆：为集束电缆，为测量架上传感器以及回转机构的电缆合成一束，沿测量架进行走线，连至控制器；

控制器：控制回转机构转动并读取所有传感器的数据，对获得的数据进行处理，得到共面度检测结果；

校准系统：布置于检测系统一旁，修正和补偿测量架的变形与传感器的安装误差；

底座：固定回转机构的平台，为校准系统提供安装空间；

优选地，所述的测量架为轻质高刚性结构；

优选地，所述的传感器为激光位移传感器，采用激光三角测距原理实现子镜顶面高度的非接触测量。

优选地，所述的传感器的数量应保证中心镜和每个子镜测量时至少有3个传感器能够工作。

优选地，所述的回转机构每次转过一定角度后开始测量，其转动的角度保证传感器能够测量下一组子镜的顶面高度，该角度称之为分度角。

根据本发明的一种航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测方法，采用所述的航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测系统，执行包括：

步骤S1：将测量架置于校准系统之上，记录所有传感器的测量值，并保存作为基准值；

步骤S2：将测量架安置于被测光学系统之上，记录所有传感器的测量值，并与之前保存的基准值相减，得到每个传感器的测量偏差值；

步骤S3：分别针对中心镜和每个子镜所对应的三个传感器进行平均处理，得到中心镜和各个子镜的高度值；

步骤S4：将每个子镜的高度值与中心镜的高度值相减，得到该子镜相对于中心镜的共面度偏差值；

步骤S5：在控制器的控制下，驱动回转机构转动预设角度，使得测量架对转下一组子镜；

重复步骤S2至步骤S5，完成剩余所有子镜的测量，得到所有子镜相对于中心镜的共面度偏差值。

优选地，所述的测量架为轻质高刚性结构；

优选地，所述的传感器为激光位移传感器，采用激光三角测距原理实现子镜顶面高度的非接触测量。

优选地，所述的传感器的数量应保证中心镜和每个子镜测量时至少有3个传感器能够工作。

优选地，所述的回转机构每次转过一定角度后开始测量，其转动的角度保证传感器能够测量下一组子镜的顶面高度，该角度称之为分度角。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的技术方案可以显著缩小一次性测量范围，不仅保证了测量的高精度，还可以兼顾整个光学系统的覆盖面，有效解决了大范围与高精度的矛盾；

2、本发明的技术方案的检测系统在转动过程中始终有一个中心镜作为基准，每次测量只需关注几个子镜框与该中心镜的相对高度信息，而各次测量之间互不干涉和影响，大大降低了对检测系统机械单元的刚性与稳定性要求，大幅度降低了实现难度；

3、本发明的技术方案的检测系统可适应大幅度的温度缓慢变化，满足在轨检测到实际需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为典型的在轨拼接式光学系统示意图；

图2为本发明的多子镜共面度在轨检测系统的组成示意图；

图3为本发明的多子镜共面度在轨检测系统的传感器布局示意图；

图4为本发明的多子镜共面度在轨检测系统的分度角示意图。

其中，1为测量架，2为传感器，3为回转机构，4为电缆，5为控制器，6为校准系统，7为底座，8为子镜，9为中心镜。

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

本发明公开提出一种航天薄膜拼接式多子镜共面度在轨检测系统，由测量架、传感器、回转机构、电缆、控制器和校准系统组成，测量架覆盖一个中心镜和几个子镜，每个子镜测量时至少有3个激光位移传感器。回转机构每次测量子镜与中心镜的相对共面度信息，转动一定角度后可以保证测量下一组子镜的顶面高度。

本发明针对现有的在轨拼接式光学系统检测方法的不足与缺陷，提出一种“局部测量+全域回转”的在轨检测方法，检测系统每次仅测量局部几个子镜的共面度进行快速测量，然后检测系统回转移动，逐步覆盖整个光学系统，从而实现全部子镜的共面度检测。本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多子镜共面度在轨检测系统，如图1-图4所示，其特征在于：

所述的检测系统由测量架1、传感器2、回转机构3、电缆4、控制器5和校准系统6组成，其中：

所述的测量架1为轻质高刚性结构，位于子镜8上方一段距离，可以覆盖一个中心镜9和几个子镜8，同时负责固定所有的传感器2，并保持所有传感器2的位置准确和稳定；

所述的传感器2共有多个，安置于测量架1的下方，分别对准测量架所覆盖的中心镜9和子镜8的顶面，获取顶部各点的距离信息；

所述的回转机构3为中心回转系统，负责带动整个测量架1转动，实现对整个光学系统的所有子镜8和中心镜9的高度进行检测；回转机构3底部与底座7连接，顶部与测量架1连接；

所述的电缆4为集束电缆，负责将所有的传感器2以及回转机构3连接到控制器5；电缆4为测量架1上传感器2以及回转机构3的电缆合成一束，沿测量架1进行走线，连至控制器5。

所述的控制器5为高性能工业控制计算机，内置的数据处理软件，不仅可以控制回转机构3转动并读取所有传感器2的数据，而且可以对获得的数据进行处理，最终得到共面度检测结果；

所述的校准系统6布置于检测系统一旁，负责对整个检测系统进行校准，以修正和补偿测量架1的变形与传感器2的安装误差。

测量系统包括检测系统和校准系统两个部分，检测系统正常工作时不需要校准系统6，只有当检测系统精度需要校准时，才会使用校准系统6进行校准。所以，校准系统6不使用时就放置在检测系统一旁，使用时把校准系统6放置在底座7上，校准结束后，从底座7上取下。

底座7是固定回转机构3的平台；并为校准系统6提供安装空间；

所述的传感器2为激光位移传感器，采用激光三角测距原理实现实现子镜顶面高度的非接触高精度测量。

所述的传感器2的数量应保证中心镜9和每个子镜8测量时至少有3个传感器可以工作，以便准确获取该镜的高度信息。

所述的回转机构3每次转过一定角度后开始测量，其转动的角度可以保证传感器2可以测量下一组子镜8的顶面高度，该角度可以称之为分度角。

一种采用所述的一种多子镜共面度在轨检测系统的处理方法，其特征在于所述处理步骤如下：

(1)将测量架1置于校准系统6之上，待稳定之后，记录所有传感器2的测量值，并保存作为基准值；

(2)将测量架1安置于被测光学系统之上，待稳定之后，记录所有传感器2的测量值，并与之前保存的基准值相减，即可得到每个传感器2的测量偏差值；

(3)分别针对中心镜9和每个子镜8所对应的三个传感器2进行平均处理，可以分别得到中心镜9和各个子镜8的高度值；

(4)将每个子镜8的高度值与中心镜9的高度值相减，可以得到该子镜8相对于中心镜9的共面度偏差值；

(5)在控制器5的控制下，驱动回转机构3转动一定角度，一般等于分度角，使得测量架1对转下一组子镜；

(6)重复上述(2)～(5)步骤，完成剩余所有子镜8的测量，得到所有子镜8相对于中心镜9的共面度偏差值；

实施例2：

实施例2为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的多子镜共面度在轨检测系统的特殊之处在于，所述的检测系统由测量架1、传感器2、回转机构3、电缆4、控制器5和校准系统6组成，如图2所示，其中：

所述的测量架1为轻质高刚性结构，例如可以采用铝合金或碳纤维材料制作；测量架1位于子镜8的上方一段距离，该距离一般有传感器2的工作距离和安装高度决定；测量架1可以覆盖一个中心镜9和几个子镜7，例如图2中测量架1可以同覆盖中心镜和两个相邻的子镜；测量架1同时负责固定所有的传感器2，并保持所有传感器2的位置准确和稳定；

所述的传感器2共有多个，安置于测量架1的下方，分别对准测量架1所覆盖的中心镜9和子镜7的顶面，获取顶部各点的距离信息；例如图2中的传感器1共有9个，其中3个传感器2对准中心镜，其余6个传感器2分别对准相邻的两个子镜；

所述的回转机构3为中心回转系统，负责带动整个测量架1转动，实现对整个光学系统的所有子镜7和中心镜9的高度进行检测；

所述的电缆4为集束电缆，负责将所有的传感器2以及回转机构3连接到控制器5；例如图2中的电缆包括9根传感器电缆和一根回转机构的控制电缆；

所述的控制器5为高性能工业控制计算机，内置的数据处理软件，不仅可以控制回转机构3转动并读取所有传感器2的数据，而且可以对获得的数据进行处理，最终得到共面度检测结果；

所述的校准系统6布置于检测系统一旁，负责对整个检测系统进行校准，以修正和补偿测量架1的变形与传感器2的安装误差。

本发明的多子镜共面度在轨检测系统的工作流程如下：首先，将测量架1置于校准系统6之上，对所有传感器2进行校准；然后将测量架1置于回转机构3之上，在控制器5的统一控制下，获取所有传感器2的读数；接下来控制器5控制回转机构3转动，并带动测量架1转动，依次对其他子镜7进行测量，从而实现所有子镜7的共面度测量。

本发明的多子镜共面度在轨检测系统的特殊之处还在于，所述的传感器2为激光位移传感器，采用激光三角测距原理实现目标距离的绝对测量，可实现子镜7顶面高度的非接触高精度测量。

本发明的多子镜共面度在轨检测系统的特殊之处还在于，所述的传感器2的数量应保证中心镜和每个子镜7和中心镜测量时至少有3个传感器2可以工作，以便准确获取该镜的高度信息，如图3所示。

本发明的多子镜共面度在轨检测系统的特殊之处还在于，所述的回转机构3每次转过一定角度后开始测量，其转动的角度可以保证传感器2可以测量下一组子镜7的顶面高度，该角度可以称之为分度角；如图3所示，光学系统共有8个子镜，而且均匀分布，因此该分度角为45°。

本发明提出一种基于上述的多子镜共面度在轨检测系统的处理方法，其具体处理过程如下：

(1)将测量架1置于校准系统6之上，待稳定之后，记录所有传感器2的测量值，并保存作为基准值；以图2为例，9个传感器2的测量值为Li(i＝1,2,…9)，保存的基准值L0i(i＝1,2,…9)；

(2)将测量架1安置于被测光学系统之上，待稳定之后，记录所有传感器2的测量值，并与之前保存的基准值相减，即可得到每个传感器2的测量偏差值；以图2为例，每个传感器2的测量偏差值为：ΔLi＝Li-L0i(i＝1,2,…9)；

(3)分别针对中心镜9和每个子镜7所对应的三个传感器2的测量偏差值进行平均处理，可以分别得到中心镜9和各个子镜7的高度值；以图2为例，中心镜9的高度值为：HC＝(ΔL1+ΔL2+ΔL3)/3，子镜7-1的高度值为：H1＝(ΔL4+ΔL5+ΔL6)/3，与7-2的高度值为：H2＝(ΔL7+ΔL8+ΔL9)/3；

(4)将每个子镜7的高度值与中心镜9的高度值相减，可以得到该子镜7相对于中心镜9的共面度偏差值；以图2为例，子镜7-1的共面度偏差值为：P1＝H1-HC，与7-2的高度值为：P2＝H2-HC；

(5)在控制器5的控制下，驱动回转机构3转动一定角度，一般等于分度角，使得测量架1对准下一组子镜；以图2为例，转动分度角为45°，测量架1就由测量子镜7-1和7-2过渡到测量子镜7-2和7-3；

(6)重复上述(2)～(5)步骤，完成剩余所有子镜7的测量，得到所有子镜7相对于中心镜9的共面度偏差值.

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

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 (10)

1.一种航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测系统，其特征在于，包括：

测量架(1)：位于子镜(8)上方预设距离处，能够覆盖一个中心镜(9)和预设数值数量的子镜(8)，负责固定所有的传感器(2)，保持所有传感器(2)的位置准确和稳定；

传感器(2)：共有多个，安置于测量架(1)的下方，分别对准测量架所覆盖的中心镜(9)和子镜(8)的顶面；

回转机构(3)：为中心回转系统，顶部与测量架(1)连接；负责带动整个测量架(1)转动，实现对整个光学系统的所有子镜(8)和中心镜(9)的高度进行检测；

电缆(4)：为集束电缆，为测量架(1)上传感器(2)以及回转机构(3)的电缆合成一束，沿测量架(1)进行走线，连至控制器(5)；

控制器(5)：控制回转机构(3)转动并读取所有传感器(2)的数据，对获得的数据进行处理，得到共面度检测结果；

校准系统(6)：布置于检测系统一旁，修正和补偿测量架(1)的变形与传感器(2)的安装误差；

底座(7)：固定回转机构(3)的平台，为校准系统(6)提供安装空间。

2.根据权利要求1所述的航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测系统，其特征在于：

所述的测量架(1)为轻质高刚性结构。

3.根据权利要求1所述的航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测系统，其特征在于：

所述的传感器(2)为激光位移传感器，采用激光三角测距原理实现子镜顶面高度的非接触测量。

4.根据权利要求1所述的航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测系统，其特征在于：

所述的传感器(2)的数量应保证中心镜(9)和每个子镜(8)测量时至少有3个传感器能够工作。

5.根据权利要求1所述的航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测系统，其特征在于：

所述的回转机构(3)每次转过一定角度后开始测量，其转动的角度保证传感器(2)能够测量下一组子镜(8)的顶面高度，该角度称之为分度角。

6.一种航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测方法，其特征在于，采用权利要求1所述的航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测系统，执行包括：

步骤S1：将测量架(1)置于校准系统(6)之上，记录所有传感器(2)的测量值，并保存作为基准值；

步骤S2：将测量架(1)安置于被测光学系统之上，记录所有传感器(2)的测量值，并与之前保存的基准值相减，得到每个传感器(2)的测量偏差值；

步骤S3：分别针对中心镜(9)和每个子镜(8)所对应的三个传感器(2)进行平均处理，得到中心镜(9)和各个子镜(8)的高度值；

步骤S4：将每个子镜(8)的高度值与中心镜(9)的高度值相减，得到该子镜(8)相对于中心镜(9)的共面度偏差值；

步骤S5：在控制器(5)的控制下，驱动回转机构(3)转动预设角度，使得测量架(1)对转下一组子镜；

重复步骤S2至步骤S5，完成剩余所有子镜(8)的测量，得到所有子镜(8)相对于中心镜(9)的共面度偏差值。

7.根据权利要求6所述的航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测方法，其特征在于：

所述的测量架(1)为轻质高刚性结构。

8.根据权利要求6所述的航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测方法，其特征在于：

所述的传感器(2)为激光位移传感器，采用激光三角测距原理实现子镜顶面高度的非接触测量。

9.根据权利要求6所述的航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测方法，其特征在于：

所述的传感器(2)的数量应保证中心镜(9)和每个子镜(8)测量时至少有3个传感器能够工作。

10.根据权利要求6所述的航天薄膜拼接式多子镜系统共面度在轨检测方法，其特征在于：

所述的回转机构(3)每次转过一定角度后开始测量，其转动的角度保证传感器(2) 能够测量下一组子镜(8)的顶面高度，该角度称之为分度角。

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