一种真空深冷环境的干涉测角系统

技术领域

本技术属于航天测试领域，涉及一种适用于真空深冷环境的激光干涉测角系统。

背景技术

高精度星敏感器一般指姿态测量精度优于1角秒的恒星敏感器。近年来，随着星敏感器技术应用日益广泛，高精度对地观测和天文观测、高精度航天器控制等技术均对星敏感器提出高精度需求。

0.3″星敏感器是世界先进水平的极高精度星敏感器。地面环境下的精度评价及测试技术是验证本产品实现水平的关键。为实现该产品高精度标定测试、精度测试需求，需在地面环境中建立一种真空深冷环境的星敏感器研制及验证系统，该系统具备优于0.1″测角精度的能力，以满足0.3″极高精度星敏感器的地面标定及精度验证需求。

在测角仪器中，测角精度优于0.1″的设备为干涉测角仪。该设备通过光学干涉测量原理实现被测目标的角度精密测量。由于被测星敏感器位于地面模拟的真空深冷环境中，真空度低于10-3Pa，环境温度-173℃，常规的干涉测角仪不能适应如此恶劣的工作环境。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有干涉测角仪不能用于真空低温环境的技术不足，设计了一套可应用于真空深冷环境下的干涉测角系统，解决了干涉测角仪不能应用于真空低温环境的问题，同时保证了干涉测角仪的测角精度。

本发明解决的技术方案是：一种真空深冷环境的干涉测角系统，位于真空罐中，系统包括：角锥棱镜组件(2)、角锥棱镜恒温安装板(1)、角锥棱镜恒温保护罩(3)、干涉镜组(4)、激光光源(7)、激光光源调整架(8)、激光光源恒温箱(5)、激光光源保压管(6)、系统恒温支撑架(9)；角锥棱镜组件(2)与角锥棱镜恒温安装板(1)、角锥棱镜恒温保护罩(3)一体装配，保证角锥棱镜组件(2)安装于被测转角目标表面后，具有温度界面，同时防止真空罐内100K深冷背景直接辐射于角锥棱镜组件(2)表面；干涉镜组(4)安装于系统恒温支撑架(9)上，激光光源(7)安装于激光光源调整架(8)上，一并放入激光光源恒温箱(5)内后，激光光源(7)、激光光源调整架(8)、激光光源恒温箱(5)形成的整体安装于系统恒温支架(9)上；在激光光源恒温箱(5)上安装激光光源保压管(6)，通到真空罐外部与大气相通，使得激光光源(7)处于恒温恒压环境，满足真空适应性测试需求。

优选的，激光光源(7)发出激光，通过干涉镜组(4)进行分光成两路后，分别到达角锥棱镜组件(2)表面后，返回干涉镜组(4)；两束返回光束发生干涉，通过干涉条纹的情况，确定被测转角目标的角度；

角锥棱镜恒温安装板(1)能够安装在被测转角目标上，为角锥棱镜组件(2)提供安装基础；

角锥棱镜恒温保护罩(3)为角锥棱镜组件(2)提供恒温环境；

激光光源调整架(8)，用于调整角锥棱镜组件(2)与干涉镜组(4)之间的位置关系，使激光光源(7)发出激光后通过干涉镜组(4)进行分光成后的光束到达角锥棱镜组件(2)表面后，能够返回干涉镜组(4)；

激光光源保压管(6)，用于连通激光光源恒温箱(5)与真空罐外部，使激光光源(7)处于恒压环境的真空罐内；

系统恒温支撑架(9)，固定于真空罐内部，作为支撑结构。

优选的，角锥棱镜恒温安装板(1)表面粘贴均匀加热片，通过温度控温，保证与角锥棱镜组件(2)接触的表面温度为20±1℃；角锥棱镜恒温安装板(1)的安装面直接安装于被测转角结构表面；在被测安装面与角锥棱镜恒温安装板(1)之间安装隔热垫片，隔离被测安装面与角锥棱镜恒温安装板(1)之间的温度传导；最大程度的保证角锥棱镜组件(2)处于恒定的温度界面上。

优选的，将角锥棱镜恒温保护罩(3)安装于角锥棱镜组件(2)、角锥棱镜恒温安装板(1)外部，表面包覆多层隔热材料，阻止真空罐内的100K深冷背景低温辐射，保证角锥棱镜组件(2)的玻璃表面温度梯度小于1℃。

优选的，将干涉镜组(4)安装于系统恒温支撑架(9)上；系统恒温支撑架(9)表面粘贴均匀加热片，并进行主动温度控制，同时外表面包覆多层隔热材料，使得系统恒温支撑架(9)温度控制在25±1℃范围内，为干涉测角系统提供稳定支撑基准。

优选的，将激光光源(7)、激光光源调整架(8)、激光光源恒温箱(5)整体安装于系统恒温支架(9)上；激光光源恒温箱(5)与系统恒温支架(9)导热安装，保证激光光源恒温箱(5)的温度梯度保持与系统恒温支架(9)一致；同时激光光源恒温箱(5)外表面包覆多层隔热材料，阻止真空罐内的100K深冷背景低温辐射。

优选的，将激光光源恒温箱(5)进行气密性设计，保证结构漏率小于1×10-4Pa.L/s；在激光光源恒温箱(5)表面安装激光光源保压管(6)，通到真空罐外部与大气相通，使得激光光源(7)处于恒温恒压环境，满足真空适应性测试需求。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明对系统的核心支撑结构采用了主动温控与被动温控相结合的控温技术，降低了干涉测角系统结构的温度梯度，提高了系统的热稳定性，实现了在低温100K的深冷辐射环境下的高精度测量。

(2)本发明对不适用于真空环境的激光光源采用了保压结构设计，通过简单成熟的密闭结构形式，提高了激光光源的气压耐受性，实现了激光光源的真空工作功能。

(3)本发明采用了与罐外大气联通设计理念，通过激光光源保压管将试验室大气与保压箱大气联通，实现了长期工作后的激光光源工作环境的压力稳定保持。

(4)本发明采用简单可靠的设计方法，提高了试验室用高精度干涉测角仪的工作环境适应能力，实现了其在真空深冷环境下0.1″测角精度。适用范围涵盖了航空、航天等空间光电产品的研制需求，具有很强的视场竞争力及应用前景。

(5)本发明设计了一套适用于地面真空深冷环境的干涉测角系统。通过结构设计、热设计、恒压设计将激光干涉测角仪应用于地面模拟的真空深冷环境中，建立了地面真空深冷环境下的高精度测角能力，本装置的应用为星敏感器的高精度测试建立了稳定基础，是高精度星敏感器特别是亚角秒精度星敏感器整机性能指标评估中不可或缺的一部分。

附图说明

图1为本发明一种真空深冷环境的干涉测角系统正面示意图。

图2为本发明一种真空深冷环境的干涉测角系统背面示意图。

图3为一种真空深冷环境的干涉测角系统剖面示意图。

图4为角锥棱镜恒温安装板(1)示意图。

图5为角锥棱镜组件(2)示意图。

图6为干涉镜组(4)内部光路示意图。

图7为干涉镜组(4)结构示意图。

图8为激光光源调整架(8)结构示意图。

图9为本发明测角原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明一种真空深冷环境的干涉测角系统，包括角锥棱镜组件、角锥棱镜恒温安装板、角锥棱镜恒温保护罩、干涉镜组、激光光源、激光光源调整架、激光光源恒温箱、激光光源保压管、系统恒温支撑架。角锥棱镜组件与角锥棱镜恒温安装板、角锥棱镜恒温保护罩一体装配，保证角锥棱镜组件安装于被测转角目标表面后，具有稳定的温度界面，同时防止真空罐内深冷背景直接辐射于玻璃表面。如图6和图7所示，干涉镜组安装于系统恒温支撑架上，激光光源安装于激光光源调整架，一并放入激光光源恒温箱内后，整体安装于系统恒温支架上。在恒温箱表面安装激光光源保压管，通到真空罐外部与大气相通。使得激光光源处于恒温恒压环境，满足真空适应性测试需求。本发明具有结构简单、温度稳定、适用性强、成本低等优点，不需要对高精度干涉测角仪进行深冷空间环境适应性定制，即可实现其在真空深冷环境下的测量功能。

针对真空深冷空间使用环境及工程实现性，本发明提供了一种真空深冷环境的干涉测角系统，如图1、图2、图3所示：

本发明包括角锥棱镜组件(2)、角锥棱镜恒温安装板(1)、角锥棱镜恒温保护罩(3)、干涉镜组(4)、激光光源(7)、激光光源调整架(8)、激光光源恒温箱(5)、激光光源保压管(6)、系统恒温支撑架(9)。

角锥棱镜恒温安装板(1)，如图4所示，优选方案具体为：圆形殷钢材料结构板，板上设置角锥棱镜组件(2)的安装孔、转动台安装孔、角锥棱镜恒温保护罩(3)安装孔。角锥棱镜恒温安装板(1)表面设计热应力释放通路，保证提供角锥棱镜组件(2)恒定安装的温度场。

角锥棱镜组件(2)，如图5所示，优选方案具体为：为十字结构，四个角锥棱镜位于十字结构端面，两两对称，分别位于俯仰和偏航两个方向的测量基线上。两两角锥棱镜顶点距离为15cm。具体长度通过标定确定。

角锥棱镜恒温保护罩(3)，优选方案具体为：铝合金材质的圆柱体金属罩，设置角锥棱镜组件(2)的光路通路，安装于角锥棱镜恒温安装板(1)。

本发明将角锥棱镜组件(2)与角锥棱镜恒温安装板(1)、角锥棱镜恒温保护罩(3)一体装配。角锥棱镜恒温安装板(1)表面粘贴均匀加热片，通过温度控温，保证与角锥棱镜组件(2)接触的表面温度为20±1℃。角锥棱镜恒温安装板(1)的安装面直接安装于被测转角结构表面。在被测安装面与角锥棱镜恒温安装板(1)之间安装隔热垫片，隔离被测安装面与角锥棱镜恒温安装板(1)之间的温度传导。最大程度的保证角锥棱镜组件(2)处于恒定的温度界面上。

本发明将角锥棱镜恒温保护罩(3)安装于角锥棱镜组件(2)、角锥棱镜恒温安装板(1)外部，表面包覆多层隔热材料，阻止真空罐内的100K深冷背景低温辐射，保证角锥棱镜组件(2)的玻璃表面温度梯度小于1℃。

干涉镜组(4)，优选方案具体为：封装于结构腔内，由分光镜、反射镜、机械结构组成。干涉镜组(4)位于角锥棱镜组件(2)与激光光源(7)之间。干涉镜组(4)中的分光镜、反射镜实现光路分束、汇合作用，与角锥棱镜组件(2)、激光光源(7)组成光学干涉系统。干涉镜组(4)机械结构为导热率很低的钛合金材料，实现支撑与温度保护作用的同时减少外部结构对干涉镜组的温度影响。同时在机械结构上留有光学通光口，保证光束可以从机械结构中射出。

激光光源恒温箱(5)，优选方案具体为：套装在激光光源调整架(8)和激光光源(7)外的铝合金框架。根据激光光源(7)的热源分布情况，激光光源恒温箱(5)外表面设置主动温控措施，包括加热片、测温电阻、多层包覆，表面温度优于20℃±1℃，是保证激光光源(7)输出波长稳定的重要条件。

激光光源保压管(6)，优选方案具体为：中空导气管，一端与真空罐相连，一端与激光光源恒温箱(5)相连。连接端均具有密封性，保证在真空罐抽气的过程中，激光光源(7)始终处于恒压状态。

激光光源(7)，优选方案具体为：商业干涉测角仪头部组件，是实现发出干涉激光，接收干涉条纹的商业标准设备。

激光光源调整架(8)，如图8所示，优选方案具体为：为不锈钢结构的高精度调整台，位于激光光源底部，调整激光光源(7高度)、俯仰角度、偏航角度。使得激光光源(7)发出的光可以垂直入射至干涉镜组(4)内。示意图如下。

本发明将激光光源(7)安装于激光光源调整架(8)，一并放入激光光源恒温箱(5)内后，通过调整激光光源调整架(8)实现干涉测角仪的光路相干。

系统恒温支撑架(9)，优选方案具体为：殷钢圆柱形支架，一端作用为将干涉镜组(4)、激光光源恒温箱(5)、激光光源保压管(6)、激光光源(7)、激光光源调整架(8)支持于真空罐内。为了保证干涉测角系统具有很好的稳定性测试，系统恒温支撑架(9)表面设置主动温控措施，包括加热片、测温电阻、多层包覆。保证表面温度为20℃±1℃，保证高精度测量稳定性。

优选方案为：本发明将干涉镜组(4)安装于系统恒温支撑架(9)上。系统恒温支撑架(9)表面粘贴均匀加热片，并进行主动温度控制，同时外表面包覆多层隔热材料，使得系统恒温支撑架(9)温度控制在25±1℃范围内，为干涉测角系统提供稳定支撑基准。

优选方案为：本发明将激光光源(7)、激光光源调整架(8)、激光光源恒温箱(5)整体安装于系统恒温支架(9)上。激光光源恒温箱(5)与系统恒温支架(9)导热安装，保证激光光源恒温箱(5)的温度梯度保持与系统恒温支架(9)一致。同时激光光源恒温箱(5)外表面包覆多层隔热材料，阻止真空罐内的100K深冷背景低温辐射。

优选方案为：本发明将激光光源恒温箱(5)进行气密性设计，保证结构漏率小于1×10-4Pa.L/s。在激光光源恒温箱(5)表面安装激光光源保压管(6)，通到真空罐外部与大气相通，使得激光光源(7)处于恒温恒压环境，满足真空适应性测试需求。

优选方案为：本发明采用的所有螺接安装均考虑了真空环境放气设计，保证系统在真空环境内工作时不对整个真空系统的真空度发生影响。

本发明中角锥棱镜与角锥棱镜恒温安装板、角锥棱镜恒温保护罩一体装配，保证角锥棱镜安装于被测转角目标表面后，具有稳定的温度界面，同时防止真空罐内深冷背景直接辐射于玻璃表面。干涉镜组安装于系统恒温支撑架上，激光光源安装于激光光源调整架，一并放入激光光源恒温箱内后，整体安装于系统恒温支架上。在恒温箱表面安装激光光源保压管，通到真空罐外部与大气相通。使得激光光源处于恒温恒压环境，满足真空适应性测试需求。本发明具有结构简单、温度稳定、适用性强、成本低等优点，不需要对高精度干涉测角仪进行深冷空间环境适应性定制，即可实现其在真空深冷环境下的测量功能。

优选方案为：如图9所示，本发明系统的优选工作方式为：在低温真空环境中，建立恒温恒压环境，首先将激光光源放置于建立的恒温恒压环境中，保证激光光源能正常工作。将角锥棱镜与被测转角目标固连。激光光源发出的两束光进入干涉镜组，分别测试被测转角目标在俯仰和偏航两个维度下的转角。以俯仰方向转角测试为例说明测量原理：激光光源发出的一束激光进入后分为两路，分别照射俯仰方向的两个角锥棱镜，光线通过角锥棱镜反射后，沿180°返回，进入干涉镜组后发生干涉。通过分析干涉条纹可以测量出两路光线的光程差(ΔL)。结合角锥棱镜间的距离(S)，即可得出角锥棱镜的偏转角度，从而得到被测转角目标的偏转角度(θ)。

θ＝arcsin(ΔL/S)

被测转角目标，优选方案具体为：放置于真空罐内的转动台，该转动台可以在俯仰和偏航两个转动。本发明主要实现对该转动台转动角度的测试。

本发明实现测角精度提高的进一步方案：设角锥棱镜温差变化对测量精度的影响为δ

则

本系统是应用于真空系统中的高精度测角仪器，可以适应深冷背景(100K)的低温辐射环境，并可以保证实现0.1″的测角精度。在航天产品的地面验证系统中，只有采用本发明方案，才能解决深冷真空下的角度精密测量问题，并且具备成本较低、工程可靠的优点。本系统的应用为星敏感器的高精度测试建立了稳定基础，是高精度星敏感器特别是亚角秒精度星敏感器整机性能指标评估中不可或缺的一部分。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。