CN115877389A - 高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置及方法，解决了望远镜在工作时次镜相对于主镜空间位置和姿态的高精度实时测量问题。该装置包括高精度激光测距仪、角锥棱镜和数据处理***。利用激光测距仪、角锥棱镜测量望远镜次镜上六个点到望远镜主镜上对应点的六个距离量，再利用本发明提供的解算方法解算出望远镜次镜相对于主镜的偏心和倾斜等位姿变化量。本发明测量装置及方法具有结构简单、精度高、实时测量的特点。

Description

高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置及方法

技术领域

本发明属于高精度光学测量领域，具体涉及一种高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置及方法。

背景技术

目标分辨率和灵敏度要求的提高促进了长焦距望远***向大口径的发展。这些***通常在运行期间对干扰做出更复杂的响应，导致光学结构变形，图像随之失真。分析表明，引起光学元件位移的因素很多。比如温度随光照条件的变化也会引起结构变形，导致望远镜次镜相对于主镜的空间位置姿态发生变化，从而引起图像质量的下降。随着光学***焦距的增大和分辨率的提高，这样的影响将变得更加严重。因此，为了保证成像质量，闭环光学调整通常被视为大口径望远***的先决条件。通常，可以引入一些闭环光学措施来调节波前变化，其中波前传感是最常用的。但当出现结构限制时，无法实现足够多的波前传感，从而导致焦平面调整出现相应故障，此后可能出现焦平面倾斜和场线性像散。此外，这种方法由于无法获取实时数据，无法实现成像过程中实时调整。为了实现高精度的微调，需要对光学元件进行高精度的位置和姿态测量，尤其是望远镜次镜相对于主镜的位置和姿态。

现有的高精度测量方法通常是结合多套测量设备或传感器来同时进行测量，不仅在结构上难以装调，而且多套测量设备之间也会相互影响带来更多误差项。针对现有高精度位置姿态测量技术的不足，采用激光测距的方法能获得高精度的距离信息，再结合空间位置关系计算得到望远镜次镜高精度的位置姿态信息。该方法具有结构简单、精度高、实时测量和非接触测量等优势。

发明内容

本发明针对现有高精度位置姿态测量技术中结构复杂、测量精度不高和解算时间长等不足，设计了一种高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置及方法，具有结构简单、精度高、实时测量、非接触测量等优势特点。

本发明采用的技术方案为：一种高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置，包括高精度激光测距仪、六个角锥棱镜、数据处理***；高精度激光测距仪包括激光测距仪主机、六个激光准直器和六条光纤；六个激光准直器分别固定在望远镜主镜边缘，并通过六条光纤与激光测距仪主机连接；六个角锥棱镜固定在望远镜次镜边缘；调节六个激光准直器发出的光束使其分别对准六个角锥棱镜；

测量六个激光准直器到六个角锥棱镜的六个距离量的变化量，并结合六个激光准直器和六个角锥棱镜的空间坐标解算得到望远镜次镜相对于望远镜主镜的空间位置和姿态变化量。

一种高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量方法，利用上述高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置，该测量方法包括以下步骤：

步骤1)、测量出六个角锥棱镜(1)的空间位置坐标a1(x1,y1,z1)、a2(x2,y2,z2)、a3(x3,y3,z3)、a4(x4,y4,z4)、a5(x5,y5,z5)、a6(x6,y6,z6)和六个激光准直器(4)的空间位置坐标c1(x1,y1,z1)、c2(x2,y2,z2)、c3(x3,y3,z3)、c4(x4,y4,z4)、c5(x5,y5,z5)、c6(x6,y6,z6)；

步骤2)、测量初始状态下六个角锥棱镜(1)到六个激光准直器(4)的六个距离量L0(1),L0(2),L0(3),L0(4),L0(5),L0(6)；

步骤3)、计算六路激光的方向向量e1,e2,e3,e4,e5,e6：

步骤4)、计算灵敏度矩阵J：

步骤5)、测量即时的六个角锥棱镜(1)到六个激光准直器(4)的六个距离量L(1),L(2),L(3),L(4),L(5),L(6)，并计算六个距离的变化量ΔL：

ΔL(i)＝L(i)-L0(i)(i＝1,2,…6)；

步骤6)、计算望远镜次镜相对于望远镜主镜的位置和姿态变化量x：

x＝J^-1·ΔL

此处，x为望远镜次镜相对于主镜沿X方向、Y方向、Z方向移动和绕X轴、Y轴、Z轴旋转共六个自由度的变化量。

进一步地，该高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量方法对位移的测量精度达到百纳米级，对角度的测量精度达到万分之一度级，单次解算时间在毫秒量级。

本发明原理在于：一种高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置及方法，包括：

1、测量出六个角锥棱镜的空间位置坐标和六个激光准直器的空间位置坐标；

2、测量初始状态下六个角锥棱镜到六个激光准直器的六个距离量；

3、计算六路激光的方向向量和灵敏度矩阵；

4、测量即时的六个角锥棱镜到六个激光准直器的六个距离量，并计算六个距离的变化量；

5、计算望远镜次镜相对于望远镜主镜的位置和姿态变化量。

本发明相比于现有技术的优势在于：

1.本发明提出了基于激光测距的高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置及方法，解决了现有测量技术中装置结构复杂，测量精度不高的问题，使得测量装置的结构简单紧凑。

2.本发明此方法具有结构简单、精度高、非接触测量、实时测量等优势，对位移的测量精度达到百纳米级，对角度的测量精度达到万分之一度级，单次解算时间在毫秒量级。

附图说明

图1为本发明一种基于激光测距的高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置结构图；

图2为平移(偏心)台阶测试结果(每个台阶0.4微米)；

图3为旋转(倾斜)台阶测试结果(每个台阶万分之一度)；

图中附图标记含义为：1为角锥棱镜，2为数据处理***，3为激光测距仪主机，4为激光准直器，5为光纤。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。

首先结合图1介绍基于激光测距的高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置，测量装置的主要部件有高精度激光测距仪、六个角锥棱镜1、数据处理***2；高精度激光测距仪包括激光测距仪主机3、六个激光准直器4和六条光纤5；六个激光准直器4分别固定在望远镜主镜边缘，并通过六条光纤5与激光测距仪主机3连接；六个角锥棱镜1固定在望远镜次镜边缘；调节六个激光准直器4发出的光束使其分别对准六个角锥棱镜1，这里的六个角锥棱镜1也可以简化为三个，每两个激光准直器4可以共用一个角锥棱镜1；

测量六个激光准直器4到六个角锥棱镜1的六个距离量的变化量，并结合六个激光准直器4和六个角锥棱镜1的空间坐标解算得到望远镜次镜相对于望远镜主镜的空间位置和姿态变化量；

一种高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量方法，利用上述高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置，该测量方法包括以下步骤：

步骤1)、测量出六个角锥棱镜1的空间位置坐标a1(x1,y1,z1)、a2(x2,y2,z2)、a3(x3,y3,z3)、a4(x4,y4,z4)、a5(x5,y5,z5)、a6(x6,y6,z6)和六个激光准直器4的空间位置坐标c1(x1,y1,z1)、c2(x2,y2,z2)、c3(x3,y3,z3)、c4(x4,y4,z4)、c5(x5,y5,z5)、c6(x6,y6,z6)；

步骤2)、测量初始状态下六个角锥棱镜1到六个激光准直器4的六个距离量L0(1),L0(2),L0(3),L0(4),L0(5),L0(6)；

步骤3)、计算六路激光的方向向量e1,e2,e3,e4,e5,e6：

步骤4)、计算灵敏度矩阵J：

步骤5)、测量即时的六个角锥棱镜1到六个激光准直器4的六个距离量L(1),L(2),L(3),L(4),L(5),L(6)，并计算六个距离的变化量ΔL：

ΔL(i)＝L(i)-L0(i)(i＝1,2,…6)；

步骤6)、计算望远镜次镜相对于望远镜主镜的位置和姿态变化量x：

x＝J^-1·ΔL。

此处，x为望远镜次镜相对于主镜沿X方向、Y方向、Z方向平移和绕X轴、Y轴、Z轴旋转共六个自由度的变化量，其中沿X方向、Y方向的平移称为偏心，绕X轴、Y轴的旋转成为倾斜。

图2和图3分别给出了该测量装置0.4微米和万分之一度台阶测试的试验结果，对平移的误差控制在0.2微米左右，对旋转的误差控制在万分之0.2度左右，结果显示该测量装置对位移的测量精度达到百纳米级，对角度的测量精度达到万分之一度级，并且单次解算时间均在几毫秒量级，达到了高精度实时测量的目的和要求。

尽管上面对本发明具体实施方式进行了描述，以便于本专业领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解想到的变换或替换均涵盖在本发明包含的范围之内。

Claims (3)

1.一种高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置，其特征在于：高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置包括高精度激光测距仪、六个角锥棱镜(1)、数据处理***(2)；高精度激光测距仪包括激光测距仪主机(3)、六个激光准直器(4)和六条光纤(5)；六个激光准直器(4)分别固定在望远镜主镜边缘，并通过六条光纤(5)与激光测距仪主机(3)连接；六个角锥棱镜(1)固定在望远镜次镜边缘；调节六个激光准直器(4)发出的光束使其分别对准六个角锥棱镜(1)；

测量六个激光准直器(4)到六个角锥棱镜(1)的六个距离量的变化量，并结合六个激光准直器(4)和六个角锥棱镜(1)的空间坐标解算得到望远镜次镜相对于望远镜主镜的空间位置和姿态变化量。

2.一种高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量方法，利用权利要求1所述的高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量装置，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)、测量出六个角锥棱镜(1)的空间位置坐标a1(x1,y1,z1)、a2(x2,y2,z2)、a3(x3,y3,z3)、a4(x4,y4,z4)、a5(x5,y5,z5)、a6(x6,y6,z6)和六个激光准直器(4)的空间位置坐标c1(x1,y1,z1)、c2(x2,y2,z2)、c3(x3,y3,z3)、c4(x4,y4,z4)、c5(x5,y5,z5)、c6(x6,y6,z6)；

步骤2)、测量初始状态下六个角锥棱镜(1)到六个激光准直器(4)的六个距离量L0(1),L0(2),L0(3),L0(4),L0(5),L0(6)；

步骤3)、计算六路激光的方向向量e1,e2,e3,e4,e5,e6：

步骤4)、计算灵敏度矩阵J：

步骤5)、测量即时的六个角锥棱镜(1)到六个激光准直器(4)的六个距离量L(1),L(2),L(3),L(4),L(5),L(6)，并计算六个距离的变化量ΔL：

ΔL(i)＝L(i)-L0(i)(i＝1,2,…6)；

步骤6)、计算望远镜次镜相对于望远镜主镜的位置和姿态变化量x：

x＝J^-1·ΔL

此处，x为望远镜次镜相对于主镜沿X方向、Y方向、Z方向移动和绕X轴、Y轴、Z轴旋转共六个自由度的变化量。

3.根据权利要求2所述的一种高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量方法，其特征在于：该高精度望远镜主次镜相对位置和姿态实时测量方法对位移的测量精度达到百纳米级，对角度的测量精度达到万分之一度级，单次解算时间在毫秒量级。

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