基于激光跟踪测量的空间反射镜检测光路快速调整方法

技术领域

本发明涉及基于激光跟踪测量的空间反射镜检测光路快速调整方法，属于导弹系统总体技术领域。

背景技术

随着商业化高密度遥感星座逐步成为当前空间遥感领域的一大主流，对于遥感相机的制造效率提出了更高的要求，当前精雕细琢的研发试制模式已经不能满足产能需求。反射镜面形检测作为遥感相机制造过程中开展频次较高的检测环节，其检测效率直接影响相机的研制周期。

当前，国内外面向反射镜面型检测环节，采用人工观测判别，依赖人工经验进行光路调整，调整精度差，调整效率低。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出基于激光跟踪测量的空间反射镜检测光路快速调整方法，实现反射镜检测光路失调量的迅速收敛，在提升反射镜面形检测效率的同时，也提升了测试数据的准确性。

本发明解决技术的方案是：

基于激光跟踪测量的空间反射镜检测光路快速调整方法，包括：构建补偿器的坐标系，确定补偿器表面随机位置确定的跟踪仪靶球固定点位的第一初始坐标参数；

构建待测非球面反射镜的坐标系，确定待测非球面反射镜外圆柱表面随机位置确定跟踪仪靶球固定点位的第二初始坐标参数；

搭建面形检测光路：根据待测反射镜面形检测光路的长度选择检测塔架，将检测塔架固定在气浮隔震平台上，在检测塔架上开口，将干涉仪、补偿器、折转镜依次置于检测塔架顶面上，折转镜位于开口中心，干涉仪、补偿器底部分别放置第一调整台、第二调整台；将待测非球面反射镜底部设置第三调整台，第三调整台连带待测非球面反射镜置于检测塔架内部、气浮隔震平台上，位于检测塔架开口中心正下方；

调整面形检测光路：使用激光跟踪仪测量均匀分布于折转镜镜面的点位，测量点位数量不少于4个，得到镜面点集；根据镜面点集拟合镜面平面并确定其与大地水平面的夹角，依据该夹角，调整折转镜的镜面倾斜角度，使镜面与大地水平面夹角为45°±0.01°；使用激光跟踪仪测量待测非球面反射镜上的跟踪仪靶球固定点，得到固定点位的第二当前坐标参数，结合固定点位的第一初始坐标参数，重建待测非球面反射镜坐标系XOY，根据重建的待测非球面反射镜坐标系XOY平面与大地水平面夹角，通过第三调整台调节待测非球面反射镜的倾斜角度，使重建的待测非球面反射镜坐标系XOY平面与大地水平；使用激光跟踪仪测量补偿器上的跟踪仪靶球固定点，得到固定点位的第一当前坐标参数，结合第一初始坐标参数重建补偿器坐标系，根据补偿器坐标系位置与理论位置的偏差量，通过第二调整台调节补偿器的倾斜与平移，使得补偿器位于理论位置；通过第一调整台调节干涉仪倾斜角度，使干涉仪出射光线与大地水平，在干涉仪出射光线的汇聚点处放置跟踪仪靶球，将球形表面朝向干涉仪，调节跟踪仪靶球位置，使其中心点与干涉仪出射光线的汇聚点重合，获取干涉仪条纹，使用激光跟踪仪测量跟踪仪靶球此时的位置，得到干涉仪出射光线的汇聚点位置，并平移干涉仪，使干涉仪出射光线的汇聚点位置为理论位置，完成空间反射镜面形检测光路调整。

进一步的，构建补偿器的坐标系方法为：在补偿器表面随机位置确定跟踪仪靶球固定点位并进行编号，固定点位数量不少于4个；使用激光跟踪仪对补偿器外圆柱表面均匀分布的点位进行测量，测量点位数量不少于20个，得到外圆柱点集；使用激光跟踪仪对补偿器端面均匀分布的点位进行测量，测量点位数量不少于12个，得到端面点集；基于外圆柱点集拟合圆柱并求得圆柱中心轴线，基于端面点集拟合平面得到端平面；将圆柱中心轴线作为坐标系的Z轴，Z轴与端平面交汇点作为坐标系原点，在过原点且垂直Z轴的平面中取任意点，确定为X轴上点，建立补偿器坐标系。

进一步的，构建待测非球面反射镜的坐标系方法为：在待测非球面反射镜外圆柱表面随机位置确定跟踪仪靶球固定点位并进行编号，固定点位数量不少于4个；使用激光跟踪仪对待测非球面反射镜外圆柱表面均匀分布的点位进行测量，测量点位数量不少于20个，得到外圆柱点集；使用激光跟踪仪对待测非球面反射镜端面均匀分布的点位进行测量，测量点位数量不少于12个，得到端面点集；基于外圆柱点集拟合圆柱并求得圆柱中心轴线，基于端面点集拟合平面得到端平面；将端平面作为坐标系的XOY面，圆柱中心轴线与端平面交汇点作为坐标系原点，在过XOY平面中取任意点，确定为X轴上点，建立待测非球面反射镜坐标系。

进一步的，检测塔架高度为待测反射镜面形检测光路的长度。

进一步的，跟踪仪靶球中心点与干涉仪出射光线的汇聚点重合时，获取的干涉仪条纹为平形等间距条纹。

进一步的，还包括获取面形参数：启动气浮隔震平台，待气浮稳定后，使用干涉仪1测量待测非球面反射镜的面形像差系数，根据面形相差参数，对干涉仪、补偿器进行位置调整，直至面形相差系数收敛至0.01为止，得到最终的待测非球面反射镜的面形参数。

进一步的，第三调整台为四维调整台，能够实现二维倾斜与二维平移的调整。

进一步的，补偿器包括镜筒及2～3片置于镜筒中的透射镜片，镜片光轴与镜筒结构中心轴线共轴。

进一步的，干涉仪发出标准球面波，由补偿器调整为非球面波，非球面波经过平面反射镜折转90°照射至待测非球面反射镜表面反射后原路返回，在干涉仪内干涉成像，得到反射镜表面实际形貌与理论形貌之间的偏差，即反射镜面形误差。

进一步的，通过第二调整台调节补偿器的倾斜与平移时，位置调节偏差小于0.05mm，角度调节偏差小于0.01°。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明通过激光跟踪测量的方式实现了检测光路的定量化自动调节，大幅提升面形检测效率的同时，还可有效排除操作人员对于测试环境的干扰，在面向低温、真空环境和非可见光谱等特殊环境和产品时，同样具有很强的适用性。

附图说明

图1为非球面反射镜面形检测系统；

图2为跟踪仪靶球在干涉仪焦点位置时的准直干涉条纹；

图3为补偿器结构构型；

图4为非球面反射镜结构示意。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

基于激光跟踪测量的空间反射镜检测光路快速调整方法，包括：

构建补偿器2的坐标系，确定补偿器2表面随机位置确定的跟踪仪靶球固定点位的第一初始坐标参数；

构建待测非球面反射镜4的坐标系，确定待测非球面反射镜4外圆柱表面随机位置确定跟踪仪靶球固定点位的第二初始坐标参数；

搭建面形检测光路：根据待测反射镜面形检测光路的长度选择检测塔架6，如图1所示，将检测塔架固定在气浮隔震平台7上，在检测塔架上开口，将干涉仪1、补偿器2、折转镜3依次置于检测塔架顶面上，折转镜3位于开口中心，位置偏差不超过2mm，干涉仪1、补偿器2底部分别放置第一调整台8、第二调整台9；将待测非球面反射镜4底部设置第三调整台10，第三调整台连带待测非球面反射镜4置于检测塔架内部、气浮隔震平台上，位于检测塔架开口中心正下方；

调整面形检测光路：使用激光跟踪仪测量均匀分布于折转镜3镜面的点位，测量点位数量不少于4个，得到镜面点集；根据镜面点集拟合镜面平面并确定其与大地水平面的夹角，依据该夹角，调整折转镜3的镜面倾斜角度，使镜面与大地水平面夹角为45°±0.01°；使用激光跟踪仪测量待测非球面反射镜4上的跟踪仪靶球固定点，得到固定点位的第二当前坐标参数，结合固定点位的第一初始坐标参数，重建待测非球面反射镜坐标系XOY，根据重建的待测非球面反射镜坐标系XOY平面与大地水平面夹角，通过第三调整台调节待测非球面反射镜4的倾斜角度，使重建的待测非球面反射镜坐标系XOY平面与大地水平，其中角度调节偏差小于±0.01°；使用激光跟踪仪测量补偿器2上的跟踪仪靶球固定点，得到固定点位的第一当前坐标参数，结合第一初始坐标参数重建补偿器坐标系，根据补偿器坐标系位置与理论位置的偏差量，通过第二调整台调节补偿器2的倾斜与平移，使得补偿器位于理论位置，其中位置调节偏差小于0.05mm、角度调节偏差小于±0.01°；通过第一调整台调节干涉仪1倾斜角度，使干涉仪出射光线与大地水平，角度调节偏差小于±0.01°，在干涉仪1出射光线的汇聚点处放置跟踪仪靶球5，将球形表面朝向干涉仪1，调节跟踪仪靶球5位置，使其中心点与干涉仪1出射光线的汇聚点重合，获取干涉仪条纹，使用激光跟踪仪测量跟踪仪靶球5此时的位置，得到干涉仪1出射光线的汇聚点位置，并平移干涉仪1，使干涉仪1出射光线的汇聚点位置为理论位置，位置调节偏差小于0.05mm，完成空间反射镜检测光路快速调整。

构建补偿器2的坐标系方法为：如图3所示，在补偿器2表面随机位置确定跟踪仪靶球固定点位14并进行编号，固定点位数量不少于4个；使用激光跟踪仪对补偿器2外圆柱表面均匀分布的点位15进行测量，测量点位数量不少于20个，得到外圆柱点集；使用激光跟踪仪对补偿器端面16均匀分布的点位进行测量，测量点位数量不少于12个，得到端面点集；基于外圆柱点集拟合圆柱并求得圆柱中心轴线，基于端面点集拟合平面得到端平面；将圆柱中心轴线作为坐标系的Z轴，Z轴与端平面交汇点作为坐标系原点，在过原点且垂直Z轴的平面中取任意点，确定为X轴上点，建立补偿器2坐标系。

构建待测非球面反射镜4的坐标系方法为：如图4所示，在待测非球面反射镜4外圆柱表面随机位置确定跟踪仪靶球固定点位11并进行编号，固定点位数量不少于4个；使用激光跟踪仪对待测非球面反射镜4外圆柱表面均匀分布的点位12进行测量，测量点位数量不少于20个，得到外圆柱点集；使用激光跟踪仪对待测非球面反射镜端面13均匀分布的点位进行测量，测量点位数量不少于12个，得到端面点集；基于外圆柱点集拟合圆柱并求得圆柱中心轴线，基于端面点集拟合平面得到端平面；将端平面作为坐标系的XOY面，圆柱中心轴线与端平面交汇点作为坐标系原点，在过XOY平面中取任意点，确定为X轴上点，建立待测非球面反射镜4坐标系。

检测塔架高度为待测反射镜面形检测光路的长度。

跟踪仪靶球5中心点与干涉仪1出射光线的汇聚点重合时，获取的干涉仪条纹为平形等间距条纹，如图2所示。

还包括获取面形参数：启动气浮隔震平台，待气浮稳定后，使用干涉仪1测量待测非球面反射镜4的面形像差系数，根据面形相差参数，对干涉仪1、补偿器2进行位置调整，直至面形相差系数收敛至0.01为止，得到最终的待测非球面反射镜4的面形参数。

第三调整台为四维调整台，能够实现二维倾斜与二维平移的调整。

补偿器2包括镜筒及2～3片置于镜筒中的透射镜片，镜片光轴与镜筒结构中心轴线共轴。

干涉仪1发出标准球面波，由补偿器2调整为非球面波，非球面波经过平面反射镜3折转90°照射至待测非球面反射镜4表面反射后原路返回，在干涉仪1内干涉成像，得到反射镜表面实际形貌与理论形貌之间的偏差，即反射镜面形误差。

本发明方法主要用于空间非球面反射镜的面形检测过程，可满足批量化高性能遥感相机制造过程中的反射镜面形快速检测需求。采用激光跟踪仪结合空间多维精密调整台，对反射镜面形检测光路中的非球面反射镜、折转镜、补偿器和激光干涉仪进行快速定位调整，使测试光路的失调量偏差快速收敛至干涉仪检测范围。再依据干涉仪测量的像差系数，使用调整机构进行精密调整，最终检测得出反射镜的面形参数。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。