CN117347013A - 大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置及方法，属于空间光学望远镜技术领域。针对现有技术中子镜镜面位姿偏差计算问题，本发明中的测量装置包括七个姿态可调的子镜调整机构和测量机构，每个子镜调整机构上均安装有姿态可调的子镜镜面，且七个子镜调整机构以其中一个为中心，另外六个拼接在周围形成多边形镜面结构；测量机构包括垂直安装在子镜镜面上的激光发射装置，以及位于子镜调整机构上方的圆环状结构的折射棱镜，折射棱镜的上方还安装有感光平面；位于中间位置的子镜镜面上还安装有双目相机系统。本发明既可以通过地面模拟调整来保证空间望远镜的光学性能和准确度，又可以验证空间望远镜在轨调整的可靠性。

Description

大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置及方法

技术领域

本发明涉及空间光学望远镜技术领域，尤其涉及大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置及方法。

背景技术

大口径空间光学望远镜具有较高的分辨率和灵敏度，能够获取高质量的图像，用于观测天体和收集宇宙信息，推动我国空间技术和天体物理学发展。受火箭运载能力和镜面加工工艺的影响，采用子镜拼接方式实现大口径的空间望远镜是当前发展的必然趋势。然而，太空环境存在较高未知性，因此，为确保空间望远镜的光学性能和准确度，应用地面模拟调整测量装置对大口径空间光学望远镜进行调整和测试至关重要。

大口径空间光学望远镜地面模拟调整测量装置能帮助确定光学元件的位置和姿态，并通过高精度的测量技术进行定位和校准。该装置还能够测量望远镜的形变，以便及时进行调整和修正，确保望远镜的光学性能达到设计要求。模拟测量装置通过模拟真实的在轨工作条件，帮助科学家和工程师评估和优化空间望远镜的光学性能，确保其在太空中的正常运行和科学探索的成功。

公开号为CN 113589517 B的发明专利中公开了一种大型太空望远镜可分离模块化子镜结构与在轨更换方法，子镜支撑体与子镜支撑体基座之间通过子镜支撑体锁紧机构达到锁紧的目的，子镜支撑体锁紧机构解锁，子镜支撑体与子镜支撑体基座脱离，可实现单独更换子镜镜面、主动光学调整机构和子镜支撑体的目的。公开号为CN 115561004 B的发明专利中公开了一种空间多分支机器人地面试验平台及试验方法，空间多分支机器人、工业机器人系统A、六维力/力矩传感器A、工业机器人系统B、六维力/力矩传感器B、操作模块、空间设施功能模块、桁架、控制台、全局相机、天车等，上述设备中桁架、空间设施功能模块为可选项，可根据试验需求灵活组合，如桁架攀爬地面试验中，为获取更大的空间，可将空间设施功能模块暂时拆除，在空间设施功能模块装配地面试验中，再将空间设施功能模块重新安装。然而，这两个已公开的现有技术中都没有涉及到对子镜镜面位姿偏差的准确计算。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置及方法，可以对大口径空间光学望远镜进行地面模拟调整测量，快速精确计算子镜镜面的角度偏差，保证空间望远镜的光学性能和准确度，验证空间望远镜在轨调整的可靠性。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置，包括七个姿态可调的子镜调整机构和一组测量机构，每个子镜调整机构上均安装有子镜镜面，且七个子镜调整机构以其中一个为中心，另外六个拼接在周围形成多边形镜面结构；测量机构设置在七个子镜调整机构的上方。

进一步的，子镜调整机构包括六棱柱桁架，六棱柱桁架内安装有调整平台，调整平台的顶部贯穿六棱柱桁架；七个六棱柱桁架之间还设有对接机构。

进一步的，调整平台包括上平台和下平台，上平台与下平台之间活动连接有多个伸缩支腿，且上平台位于六棱柱桁架的上方，上平台的顶部安装有镜面支撑架，子镜镜面放置在镜面支撑架上。

进一步的，对接机构包括安装在位于中心位置的六棱柱桁架上的六个主动对接机构，外围六个六棱柱桁架与中间的六棱柱桁架的对接侧均安装有被动对接机构，且外围六个六棱柱桁架之间也通过主动对接机构和被动对接机构连接。

进一步的，测量机构包括垂直安装在子镜镜面上的激光发射装置，以及位于七个子镜调整机构上方的折射棱镜，折射棱镜的上方还安装有感光平面。

进一步的，位于中间位置的子镜镜面上还安装有双目相机系统，双目相机系统的两个相机对称分布在对应的激光发射装置两侧；折射棱镜为圆环状结构。

进一步的，测量装置还包括控制模块，控制模块包括工控机、调整平台控制器和单片机，双目相机系统与工控机连接，伸缩支腿与调整平台控制器连接，主动对接机构与单片机连接。

进一步的，测量装置还包括电源模块，电源模块为测量装置供电。

进一步的，本发明还包括如前所述的大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置的测量方法，包括以下步骤，

S1：组装七个子镜调整机构、子镜镜面和测量机构；

S2：固定位于中间的子镜调整机构，使位于中间的子镜镜面的焦点作为整个拼接望远镜系统的焦点；

S3：通过外围六个子镜调整机构调整相互对应的六个子镜镜面的姿势，使七个子镜镜面共焦；

S4：使用测量机构测量并推算子镜镜面的位姿偏差。

进一步的，步骤S4的具体操作包括以下步骤，

S401：令位于中间位置的子镜镜面上激光发射装置发出的激光穿过折射棱镜后在感光平面上形成的激光落点为O，待测子镜镜面上激光发射装置发出的激光穿过折射棱镜后在感光平面上形成的激光落点为P，测量OP之间的距离为x；

S402： 基于光的折射定理，计算待测子镜镜面的角度偏差与x之间关系为；

式中，H为中间位置的子镜镜面与感光平面之间的距离，d为激光发射装置距离对应子镜镜面边缘的距离；λ为折射棱镜的折射率，h为折射棱镜距离感光平面的垂直距离。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的改进之处在于，

1、本发明中大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置，既能实现拼接望远镜子镜镜面的调整，也可以通过双目相机系统测量子镜镜面姿态偏差，实现对镜面位姿的动态闭环调整，保证空间望远镜的光学性能和准确度。通过地面模拟调整测量装置，可适当验证空间望远镜在轨调整的可靠性，并提升整个系统性能。

2、本发明中的大口径空间光学望远镜地面模拟调整测量装置在地面布置成本相对较低，可以一定程度上模拟空间光学望远镜在轨调整测量的整个过程；同时，该调整测量装置可以进行一定比例的缩放，能放置在真空罐中，通过真空罐模拟太空环境，以达到模拟整个光学系统在轨调整测量的效果。

3、本发明中的大口径空间光学望远镜地面模拟调整测量装置可以通过模拟真实的在轨工作条件，帮助科学家和工程师评估和优化空间望远镜的光学性能，确保其在太空中的正常运行和科学探索的成功。该装置利用高精度的光学元件和精密的机械结构来模拟真实的空间环境，并借助其他设备模拟望远镜在不同温度、压力和湿度等条件下的工作状态，能够对其光学性能进行精确测量和调整。通过不同的环境模拟装置，科学家和工程师可以模拟各种工作环境，包括真空、低温和微弱引力等，以验证望远镜的性能和可靠性。通过这种模拟装置还可以不断地优化设计思路改进设计方案，达到在地面模拟空间光学望远镜在轨测量调整工况的效果。

附图说明

图1为本发明大口径空间光学望远镜地面模拟调整测量装置结构示意图。

图2为本发明七个子镜调整机构整体结构俯视图。

图3为本发明子镜调整机构整体结构示意图。

图4为本发明调整平台整体结构示意图。

图5为本发明相邻两个六棱柱桁架之间连接结构示意图。

图6为本发明控制模块电连接示意图。

图7为本发明中子镜镜面上激光发射装置光学原理示意图。

其中：1-子镜调整机构，101-六棱柱桁架，102-调整平台，1021-上平台，1022-下平台，1023-伸缩支腿，1024-镜面支撑架，103-主动对接机构，1031-导向瓣，104-被动对接机构，2-子镜镜面，3-激光发射装置，4-折射棱镜，5-感光平面，6-双目相机系统，7-控制模块，701-工控机，702-调整平台控制器，703-单片机，8-电源模块。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

实施例一

参照附图1-6所示的大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置，包括七个姿态可调的子镜调整机构1和一组测量机构，每个所述子镜调整机构1上均安装有子镜镜面2，且七个所述子镜调整机构1以其中一个为中心，另外六个拼接在周围形成多边形镜面结构；所述测量机构设置在七个所述子镜调整机构1的上方。

具体的，所述子镜调整机构1包括六棱柱桁架101，所述六棱柱桁架101的外周为正六边形结构，且除底板以外中间为空心结构，所述六棱柱桁架101内安装有调整平台102，所述调整平台102包括上平台1021和下平台1022，所述上平台1021与所述下平台1022之间活动连接有六个伸缩支腿1023，所述下平台1022固定安装在所述六棱柱桁架101的底板上，所述伸缩支腿1023贯穿所述六棱柱桁架101，使得所述上平台1021位于所述六棱柱桁架101的上方，所述上平台1021的顶部安装有镜面支撑架1024，所述子镜镜面2放置在所述镜面支撑架1024上。整个调整平台102采用Stewart平台结构，通过多个伸缩支腿1023的伸缩可以调整上平台1021的倾斜角度，从而调整对应的子镜镜面2姿态，由于子镜镜面2高于六棱柱桁架101，因此，子镜镜面2在调整过程中不会与六棱柱桁架101发生碰撞。

七个所述六棱柱桁架101之间还设有对接机构，以其中一个六棱柱桁架101为中心，另外六个六棱柱桁架101通过对接机构拼接在其周围，构成整个多边形镜面结构，其中，中间的六棱柱桁架101是固定的标准调整机构，该子镜镜面2的焦点即为整个拼接望远镜系统的焦点，周围六个调整平台102调整对应的子镜镜面2姿态来使七个子镜镜面2共焦。

所述对接机构包括安装在位于中心位置的六棱柱桁架101上的六个主动对接机构103，外围六个六棱柱桁架101与中间六棱柱桁架101的对接侧均安装有被动对接机构104，外围的六个六棱柱桁架101之间，彼此相邻的两个六棱柱桁架101相互对接的一侧分别设有主动对接机构103和被动对接机构104，使得相邻的两个六棱柱桁架101之间也能够连接在一起。所述主动对接机构103和被动对接机构104的对接口都设有四个导向瓣1031，导向瓣1031可以保证主动对接机构103和被动对接机构104以较高的精度对接到一起，且主动对接机构103内设有驱动装置（如电机），当主动对接机构103和被动对接机构104对接完成后，主动对接机构103内的驱动装置使主动对接机构103和被动对接机构104之间完成锁紧。

所述测量机构包括垂直安装在所述子镜镜面2上中心位置的激光发射装置3，以及位于七个所述子镜调整机构1上方的折射棱镜4，所述折射棱镜4的上方还安装有感光平面5。折射棱镜4通过外部支撑装置悬于子镜调整机构1的正上方，感光平面5水平悬于折射棱镜4的正上方，位于中间位置的子镜镜面2上还安装有双目相机系统6，所述双目相机系统6的两个相机对称分布在对应的激光发射装置3两侧；所述折射棱镜4为圆环状结构，可以将外围六个子镜镜面2上固定的激光发射装置3发出的光折射到感光平面5，双目相机系统6可以透过折射棱镜4的中间孔拍摄透射于感光平面5上的激光光点，折射棱镜4不会对双目相机系统6的拍摄和测量产生影响，通过拍摄并计算感光平面5上激光光点的距离，可以推算出子镜镜面2的位姿偏差。

所述测量装置还包括控制模块7和电源模块8，所述控制模块7包括工控机701、调整平台控制器702和单片机703，工控机701分别电连接调整平台控制器702、单片机703和双目相机系统6，调整平台控制器702电连接调整平台102的六个伸缩支腿1023，单片机703电连接主动对接机构103的电机。工控机701连接双目相机系统6，直接应用拍摄感光平面5上的激光光点图像，进行图像处理并计算子镜镜面2的位姿偏差，根据测量结果给调整平台控制器702发送指令调整上平台1021位姿，实现整个镜面调整测量系统的闭环调整。所述电源模块8为控制模块7、双目相机系统6、伸缩支腿1023和主动对接机构103的电机供电。

本发明中大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置的测量方法，包括以下步骤，

S1：组装七个子镜调整机构1、子镜镜面2和测量机构；

S2：固定中间的六棱柱桁架101为标准调整机构，该子镜镜面2的焦点即为整个拼接望远镜系统的焦点；

S3：通过外围六个子镜调整机构1调整相互对应的六个子镜镜面2的姿势，使七个子镜镜面2共焦；

S4：使用测量机构测量并推算子镜镜面2的位姿偏差，具体是通过双目相机系统6拍摄激光发射装置3发出的激光折射到感光平面5上形成的激光光点的距离，从而推算出子镜镜面2的位姿偏差。

本发明中的测量装置，既能实现拼接望远镜子镜镜面2的调整，也可以通过双目相机系统6测量子镜镜面2姿态偏差，实现对镜面位姿的动态闭环调整，保证空间望远镜的光学性能和准确度。通过地面模拟调整测量装置，可适当验证空间望远镜在轨调整的可靠性，并提升整个系统性能；此外，该调整测量装置可以进行一定比例的缩放，能放置在真空罐中，通过真空罐模拟太空环境，以达到模拟整个光学系统在轨调整测量的效果。

实施例二

实施例二在实施例一的基础上，子镜镜面2的位姿偏差推算过程包括以下步骤，

如附图7所示，已知激光发射装置3距离对应子镜镜面2边缘的距离为，中间位置的子镜镜面2与感光平面5之间的距离为/>，圆环型的折射棱镜4折射率为λ，折射棱镜4距离感光平面5的垂直距离为/>。令位于中间位置的子镜镜面2上激光发射装置3发出的激光穿过折射棱镜4后在感光平面5上形成的激光落点为O，待测子镜镜面2上激光发射装置3发出的激光穿过折射棱镜4后在感光平面5上形成的激光落点为/>，利用双目相机测量/>之间距离为/>；

设外围的子镜镜面2与中间位置的子镜镜面2所呈角度为，根据相似三角形定理可知，外围的子镜镜面2上的激光发射装置3在折射棱镜4处入射角也为/>。设折射后光路角度为/>，根据光学折射定理可知/>，得/>。至此根据前述已知条件可推算角度偏差/>与测量值/>之间关系：。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置，其特征在于：包括七个姿态可调的子镜调整机构（1）和一组测量机构，每个子镜调整机构（1）上均安装有子镜镜面（2），且七个子镜调整机构（1）以其中一个为中心，另外六个拼接在周围形成多边形镜面结构；测量机构设置在七个子镜调整机构（1）的上方；

子镜调整机构（1）包括六棱柱桁架（101），六棱柱桁架（101）内安装有调整平台（102），调整平台（102）的顶部贯穿六棱柱桁架（101）；七个六棱柱桁架（101）之间还设有对接机构；

调整平台（102）包括上平台（1021）和下平台（1022），上平台（1021）与下平台（1022）之间活动连接有多个伸缩支腿（1023），且上平台（1021）位于六棱柱桁架（101）的上方，上平台（1021）的顶部安装有镜面支撑架（1024），子镜镜面（2）放置在镜面支撑架（1024）上；

对接机构包括安装在位于中心位置的六棱柱桁架（101）上的六个主动对接机构（103），外围六个六棱柱桁架（101）与中间的六棱柱桁架（101）的对接侧均安装有被动对接机构（104），且外围六个六棱柱桁架（101）之间也通过主动对接机构（103）和被动对接机构（104）连接；

测量机构包括垂直安装在子镜镜面（2）上的激光发射装置（3），以及位于七个子镜调整机构（1）上方的折射棱镜（4），折射棱镜（4）的上方还安装有感光平面（5）。

2.根据权利要求1所述的大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置，其特征在于：位于中间位置的子镜镜面（2）上还安装有双目相机系统（6），双目相机系统（6）的两个相机对称分布在对应的激光发射装置（3）两侧；折射棱镜（4）为圆环状结构。

3.根据权利要求2所述的大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置，其特征在于：测量装置还包括控制模块（7），控制模块（7）包括工控机（701）、调整平台控制器（702）和单片机（703），双目相机系统（6）与工控机（701）连接，伸缩支腿（1023）与调整平台控制器（702）连接，主动对接机构（103）与单片机（703）连接。

4.根据权利要求3所述的大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置，其特征在于：测量装置还包括电源模块（8），电源模块（8）为测量装置供电。

5.如权利要求2所述的大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：组装七个子镜调整机构（1）、子镜镜面（2）和测量机构；

S2：固定位于中间的子镜调整机构（1），使位于中间的子镜镜面（2）的焦点作为整个拼接望远镜系统的焦点；

S3：通过外围六个子镜调整机构（1）调整相互对应的六个子镜镜面（2）的姿势，使七个子镜镜面（2）共焦；

S4：使用测量机构测量并推算子镜镜面（2）的位姿偏差。

6.根据权利要求5所述的大口径空间光学望远镜的地面模拟调整测量装置的测量方法，其特征在于，步骤S4的具体操作包括以下步骤，

S401：令位于中间位置的子镜镜面（2）上激光发射装置（3）发出的激光穿过折射棱镜（4）后在感光平面（5）上形成的激光落点为O，待测子镜镜面（2）上激光发射装置（3）发出的激光穿过折射棱镜（4）后在感光平面（5）上形成的激光落点为P，测量之间的距离为x；

S402： 基于光的折射定理，计算待测子镜镜面（2）的角度偏差与x之间关系为；

式中，H为中间位置的子镜镜面（2）与感光平面（5）之间的距离，d为激光发射装置（3）距离对应子镜镜面（2）边缘的距离；λ为折射棱镜（4）的折射率，h为折射棱镜（4）距离感光平面（5）的垂直距离。