空間光電跟瞄系統多光軸平行性標校研究

溫中凱，張慶君 ，李 爽 ，雷文平，杜國軍

（1. 南京航空航天大學 航天學院，江蘇 南京 211106；2. 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094；3. 北京空間機電研究所，北京 100094）

1 引 言

天基空間目標監視系統是我國戰略預警體系的重要組成部分[1]，而空間光電跟瞄系統作為其主要載荷之一，具有在復雜天空背景下自動識別、捕獲目標并進行高精度自閉環光學跟蹤和高分辨率成像的能力[2]。由于空間光電跟瞄系統集高分辨率成像相機、寬視場搜索相機、激光測距發射機和激光測距接收機等多個光學子系統于一體，必然會產生各子系統間的光軸平行性標校問題。而標校精度將直接影響空間光電跟瞄系統的瞄準精度，是制約系統最終測量精度和跟瞄性能的關鍵。

目前國內外對多光軸平行性的研究多集中在實驗室環境和外場環境兩個方面。國內典型研究成果：徐丹慧、謝國兵等人研究了適用于實驗室環境的多光軸平行性檢測方法[3-5]；葉露、黃富瑜等人研究了適用于外場環境的多光軸標校系統[6-11]；國外典型研究成果：美國AAI公司研制的校軸設備ABE-301A[12-13]，德國Carl Zeiss公司研制的武器裝備校軸調整系統WASVB[14]，瑞典SCHILL公司研制的艦船軸線檢測系統aligner-308[15]，挪威METRONOR公司研制的HarmoLign武器校準系統[16]，以色列CI公司研制的AWBS武器軸線檢測系統[17-18]等。然而，以上研究均未涉及真空環境下多光軸平行性標校技術，究其原因主要有三個方面：一是太空環境下，多光軸光電系統與觀測目標的距離動輒數百公里，常需要系統具有不同功率的激光穩定地追蹤目標，從而要求多光軸標校系統具有同時響應不同波長激光的能力，對多光軸標校系統的設計要求較高；二是在太空尺度下，極小的多光軸標校誤差也會放大到不能接受的地步，從而要求空間多光軸光電系統具有極高的光軸一致性精度，一般的標校設備無法滿足；三是真空環境不同于實驗室環境和外場環境，其對整個多光軸標校過程的環境要求極高，不僅要求測試平臺在整個測試期間保持儀器設備處在小于1Hz級別的檢測環境中，還要求真空度極高的真空空間來模擬空間環境。

本文基于空間光電跟瞄系統的多光軸一致性檢測要求，設計了一套多光軸標校系統。對該系統進行了詳盡的誤差分析，并給出了去除核心分系統誤差影響的方法。同時對通信技術試驗衛星三號的光電跟瞄主機正樣進行了實驗室環境與真空環境下的技術測試，給出了測試結果，分析了多光軸標校系統在兩種測試環境下的誤差源與標校精度，并對標校精度進行了驗證。

2 多光軸標校系統設計

空間光電跟瞄系統的主要任務是實現對空間目標的跟蹤成像與瞄準，為減小噪聲、提高系統性能，其激光束散角和接收鏡頭視場角都很小。故為保證系統能夠有效工作，要求各單機光軸必須擁有極高的平行度裝調一致性。通信技術試驗衛星三號要求其空間光電跟瞄主機具有1.5″的多光軸檢測精度。

目前常用的多光軸平行性檢測方法有投影靶法[19]、激光光軸儀法[20]、上轉換板檢測法[21]、慣性測量法[22]、五棱鏡法[23]、相交校靶法、攝影測量法[24]、小口徑平行光管法[25]、大口徑平行光管法[26]等。投影靶法易受氣候和場地條件限制, 自動化程度低且隨機誤差較大；激光光軸儀法裝配難度大且專用性強，常用于檢測望遠鏡兩鏡筒的光軸平行性；上轉換板檢測法僅適用于特定波段的檢測，且上轉換材料制備的不均勻性會產生附加誤差；慣性測量法對陀螺儀的安裝精度要求很高，校準過程不直觀，且整體校準精度不高；五棱鏡法中五棱鏡的移動會導致其特征方向發生變化，會對測量結果產生隨機性的附加誤差；相交校靶法在進行光軸標校時容易受到環境的影響，校準精度不高；攝影測量法成本較高，且多光軸檢測精度不高；小口徑平行光管法結構復雜，誤差環節多，整體精度較低。以上方法均無法滿足空間光電跟瞄系統的高精度檢測要求。

大口徑平行光管法誤差環節少、檢測精度高，可在全波段進行測試且沒有色差。可為空間光電跟瞄系統建立一個既包含可見光又包含近紅外激光的測量基準，保證空間光電跟瞄系統可見光和近紅外激光都能被探測器所接收。此外，為去除傳統拋物面系統中心遮攔的影響，保證較高的像面照度，本文選擇大口徑離軸反射式平行光管作為多光軸標校設備的主要部件設計了一套多光軸校準系統，其結構如圖1所示。

圖 1 多光軸標校系統結構Fig. 1 The structure of the multi-axis calibration system

該系統主要由大口徑離軸反射式平行光管系統、分光衰減系統、激光衰減片、光電設備安裝臺等部件組成。

大口徑離軸反射式平行光管系統主要由離軸拋物面主鏡和次鏡兩個反射式光學元件構成，其主要作用是為空間光電跟瞄系統提供無限遠目標以及將激光成像在CCD探測器上。

分光衰減系統主要由45°反射鏡，雙五棱鏡、CCD探測器、小孔光闌、二維平移臺、光纖光源以及支撐結構等部分組成。該系統是為了滿足空間光電跟瞄系統的特殊應用環境而單獨設計的，主要用于校準衛星光電跟瞄設備在空間狀態下激光測距儀的多光軸一致性。

激光衰減片主要用于衰減激光能量，避免能量過高而損傷CCD探測器。

光電設備安裝臺主要由臺面和通用螺孔等組成，其主要用于固定空間光電跟瞄設備，隔離外界環境振動，以及對跟瞄設備進行俯仰角以及方位角調節。

在進行多光軸標校時，首先將空間光電跟瞄設備固定于光電設備安裝臺上，并對準平行光管的入瞳。將小孔光闌和CCD探測器分別定位在平行光管的焦面和共軛焦面處。小孔光闌由光源照明，被接收系統接收，CCD探測器用于接收激光發射端發射的激光。根據激光能量大小，在激光發射機前添加透射式激光衰減片，其衰減倍率需要在試驗現場根據多光軸標校裝置內部相機的圖像響應來確定。此外，激光發射端所發射的激光有1064 nm和635 nm兩種，1064 nm激光能量密度較高，635 nm激光功率密度較低，故本文在分光衰減系統中設計了一個雙五棱鏡衰減裝置，該裝置不僅可將目標靶和CCD分別定位在平行光管的焦面和共軛焦面處，還能配合激光衰減片確保激光發射端的高強度激光和低功率激光都能在CCD動態范圍內。

3 綜合誤差分析

任何一套測試系統都存在不可避免的測量誤差，為提升本文所設計多光軸標校系統的標校精度，按照系統組成分別對平行光管系統、分光衰減系統、激光衰減片、光電設備安裝臺等部件進行了誤差分析。

3.1 平行光管系統

大口徑離軸反射式平行光管系統的主要誤差源有3個，分別為面形誤差、彗差與像散、焦距加工誤差。

3.1.1 面形誤差

平行光管面形誤差主要是指拋物面的面形誤差，當使用波像差對平行光管進行光學質量評價時，可推導出如下平行差計算公式：

其中，?ω為拋物面的加工允差，D為拋物面口徑。

3.1.2 彗差與像散

CCD探測器接收的激光光斑相當于軸外物點的像點，存在著彗差和像散。當孔徑光闌位于焦平面上時，主要產生的是弧矢彗差角彌散，其大小為：

其中，(F/#)是F數，即f/D，ω為半視場角，且有ω=d/f，其中d為目標點源半徑。

3.1.3 焦距加工誤差

平行光管實際焦距與理想值之間有一定的誤差，若將小孔光闌與CCD直接定位在平行光管的理想焦面與共軛焦面處會產生光線準直誤差。本文使用干涉儀將小孔光闌與CCD分別定位在平行光管的實際焦面與相應共軛焦面處，此時焦距誤差對于準直目標點源光線與入射光線匯聚而言不產生多余誤差，從而可消除平行光管焦距加工誤差帶來的測試誤差。

3.2 分光衰減系統

分光衰減系統的主要誤差源是其各個部件的定位誤差，定位不準會導致整體校準精度降低。本文采用“標定+角鏡準直”方法來消除分光衰減系統整體的標定誤差。

3.2.1 標定

本文標定示意圖和標定設備參數分別如圖2和表1所示。

圖 2 標定系統原理圖Fig. 2 Principle diagram of the calibration system

表1 分光衰減系統的測試設備Tab. 1 Test equipment of the spectroscopic attenuation system

標定流程如下：

（1）將裝配后的分光衰減系統置于干涉儀前，并搭建干涉測量光路，球面反射鏡安裝于測量光路中；

（2）粗調干涉儀使其聚焦點對準小孔光闌，調整標準球面鏡，使干涉儀經過分光衰減系統共軛光路后被球面反射鏡返回的光自準直，并調整標準球面鏡使干涉條紋數少于3條，固定標準鏡；

（3）調整小孔光闌，使其位于干涉儀的聚焦點位置，通過觀察光焦度（Power）判斷是否為焦面，觀察能透光的兩側極限位置確定中心，并將固定小孔光闌的二維導軌清零；

（4）采用可見光照明小孔光闌，在共軛光路安裝激光專用CCD探測器，調整CCD前后位置，使CCD上小孔光闌像的大小和小孔尺寸一致，調整CCD位置，使小孔光闌像位于CCD中心像元上，將CCD位置固定，記錄小孔光闌像在CCD中的位置坐標和小孔光闌像的大小。

3.2.2 標定精度

本文標定所采用的標準球面鏡的口徑D為100 mm，根據公式 α=λ/30D可得，測量精度所對應的角度偏差為α= 0.04″，完全滿足多光軸標校系統的標定精度要求。

3.2.3 角鏡準直

在標定后的測試過程中，可將角鏡放置于接收系統旁，根據角鏡自準直的特點，測試小孔光闌在CCD上的像元位置，則最終可消除分光衰減系統共軛光路的標定誤差。

3.3 激光衰減片

激光衰減片的主要誤差源有2個，分別是制造誤差和熱變形。

3.3.1 制造誤差

激光衰減片因制造誤差而產生的楔角α會引起光線平行差，從而影響質心的提取誤差。實際測試中激光垂直衰減片入射，故激光衰減片制造誤差所產生的標校誤差為：

顯然激光衰減片制造誤差的影響具有對稱性，故本文采取旋轉衰減片的方式來去除該誤差的影響。分別測試衰減片處于0°和180°的位置，并對100次測量結果取平均值，則可認為完全消去了制造誤差的影響。

3.3.2 熱變形

激光衰減片在工作時會吸收激光能量而產生熱變形，主要引起質心的提取誤差。

目前尚未發現合適的抑制激光衰減片熱變形影響的方法，但通過實測發現，激光在衰減片上的熱變形量隨時間增長而增大，在3 min后保持平衡，最大變形量小于0.05λ，而且通過旋轉衰減片也不能去除此項偏差。經Zemax仿真分析表明，此項誤差為0.1″。

3.4 光電設備安裝臺

可通過調節光電設備安裝臺的俯仰角與方位角使空間光電跟瞄系統的某分系統接收器中心與平行光管焦線對準，從而確定基準光電系統的光軸。若存在調整誤差，則無限遠目標點源便無法精確成像在基準光電系統的焦點處。

本文利用基準光電系統探測器的讀數來確定基準光軸與平行光管焦線的空間相對位置，該方法可去除光電設備安裝臺所產生的光軸標校誤差。

4 測量實驗與結果

本文以通信技術試驗衛星3號的光電跟瞄主機正樣為測試對象，進行了實驗室環境和真空環境下的激光測量分系統收發平行度測試，以驗證多光軸標校系統的精度和可行性。

4.1 實驗室環境測試

4.1.1 測試流程

根據型號測試要求，對空間光電跟瞄主機正樣進行實驗室環境測試，測試圖如圖1所示，測試流程如下。

（1）將空間光電跟瞄主機正樣安裝在光電設備安裝臺上，對準平行光管入瞳，并將小孔光闌和CCD探測器分別定位在平行光管的焦面和共軛焦面處；

（2）利用經緯儀找到小孔光闌代表的視軸，調整激光測量分系統使其0°視場和小孔光闌一致，使測試系統和被測試系統對準，并在激光發射機前加衰減片；

（3）利用可見光源照明小孔光闌，通過在激光發射機和寬視場相機中間放置角鏡，測試返回光在CCD上的質心位置，角鏡旋轉180°，記錄光斑位置，兩個位置取平均值消除角鏡誤差的影響；

（4）激光發射機發射激光，觀察激光在標校裝置CCD上的位置，調整使其位于中心，調整CCD的增益，暗噪聲，去除本底噪聲，測試激光發射機在標校裝置CCD上的質心位置，記錄采樣區域起始點位置，激光聚焦點質心位置；

（5）分別測試衰減片0°和180°位置，取100次測量的平均值；

（6）通過照明小孔光闌，使APD感光，通過二維平移臺掃描小孔光闌，得出平移量和APD信號的對應關系，擬合得到接收系統的視軸，最終完成測試，測試結果如表2所示。

表2 實驗室環境下的測試結果Tab. 2 Test results in a laboratory environment (″)

4.1.2 多光軸標校系統測試精度分析

在收發平行度標定過程中，主要存在系統誤差和隨機誤差。

4.1.2.1 系統誤差

采用本文給出的抑制誤差影響措施后仍有較大的殘留誤差項。

(1)平行光管面形誤差：本文使用的平行光管口徑為600 mm，焦距為12000 mm，視場角小于0.1°，波前RMS優于1/15λ，經計算面形誤差對光軸對準帶來的影響小于0.14″，故令θ1= 0.14″；

(2)平行光管定焦面誤差：本文定焦面方法的定焦誤差為1.07 mm，接收系統和激光發射機的距離為534 mm，經計算離焦對光軸對準帶來的影響為0.822″，故令θ2= 0.822″；

(3) CCD光斑定位誤差：對于激光發射器，CCD像元尺寸為9 μm，本文采用了1/10像元細分技術，經計算，激光發射器光軸對準精度優于0.015″，故令θ3= 0.015″；

⑷ CCD焦面傾斜：對于多光軸標校系統，其CCD焦面傾斜主要通過自準直來調整，本文所采用自準直調整的整體誤差小于0.2°，而整個焦面的長度為36 mm，經軟件計算知，在整個長度范圍內因焦面傾斜引起的光軸偏差為0.023″，故令θ4=0.023″；

(5)激光衰減片熱變形：激光衰減片熱變形產生的誤差為0.1″，故令θ5= 0.1″；

(6)接收系統光闌中心掃描誤差：接收系統視場光闌中心是通過多光軸標校裝置的小孔光闌平移掃描的，而小孔光闌的掃描精度為0.03 mm，對應接收視場光闌的掃描精度為0.003 mm，焦距為1300 mm，經計算，接收系統光軸對準精度優于0.516″，故令θ6= 0.516″；

(7)軟件質心計算誤差：本文計算質心采用的是Spiricon公司的軟件，該軟件的測量精度優于一個像元，對應偏差為0.155″，故令θ7= 0.155″；

(8)激光光斑不均勻性誤差：本文所采用激光器的光斑近似高斯分布，其對質心計算的影響很小，可認為優于0.002″，故令θ8= 0.002″。

4.1.2.2 隨機誤差

隨機誤差主要有兩項，分別為激光發射機的指向抖動誤差和能量分布誤差。根據白俄測量結果，這兩項誤差綜合預估值優于0.6″，故令θ9=0.6″。

綜上，實驗室環境下多光軸標校系統的隨機誤差θ為：

收發平行度標定誤差δ為：

4.2 真空環境測試

空間光電跟瞄主機正樣的真空環境測試流程與實驗室環境測試流程大致相同，不同點在于真空測試環境下，平行光管系統位于真空罐內，而分光衰減系統位于真空罐外。由于實際測試需要，真空罐內平行光管的焦距是10500 mm，而不是12000 mm，測試設備和測試結果分別如圖3和表3所示。

圖 3 真空環境測試設備Fig. 3 Test equipment under vacuum environment

表3 空間光電跟瞄系統的真空環境測試結果Tab. 3 Test results of space photoelectric tracking and aiming system in a vacuum environment (″)

相對于實驗室環境，真空環境的多光軸標校不確定性增量主要由平行光管面形變化、焦距變化以及真空罐內振動所引起。在這3種因素影響下，真空環境相對于實驗室環境有不同的誤差源，如下：

(1)平行光管面形誤差：根據工程經驗，波前RMS優于1/15λ的平行光管在真空影響下的波前RMS仍優于1/10λ，經計算面形誤差對光軸對準帶來的影響小于0.2″，故令θ1′ = 0.2″；

(2)平行光管定焦面誤差：真空環境所采用的平行光管焦距為10500 mm，經計算在此變化下離焦對光軸對準帶來的影響為1.07″，故令θ2′ = 1.07″；

(3) CCD光斑定位誤差：將平行光管焦距從12000 mm變為10500 mm后，激光發射器光軸對準精度優于0.017″，故令θ3′ = 0.017″；

(4)隨機誤差：多光軸標校中由振動帶來的隨機誤差主要影響各器件入射光線的變化，這些變化的影響可由本文提出的各項措施抑制或消除，故仍可認為隨機誤差預估值優于0.6″，即令θ9′ =0.6″。

真空環境下其余誤差的影響相較于實驗室環境變化不大，故可認為真空環境下多光軸標校系統的隨機誤差θ′為：

收發平行度標定誤差δ′為：

4.3 多光軸標校精度驗證

對多光軸標校系統的誤差分析結果表明，該系統同時滿足實驗室環境和真空環境下1.5″的多光軸標校精度要求。為驗證該分析結果的正確性，將圖1與圖3中的空間光電跟瞄系統反轉放置后再進行測試。反置后的跟瞄主機各光軸位置顛倒，則在平行度測試中，系統誤差方向改變。反置后的跟瞄系統收發平行度測試數據如表4所示。

表4 反置后的跟瞄系統實驗室環境與真空環境收發平行度測試數據對比Tab. 4 Comparison of parallelism test results of reversed placed tracking and aiming system in the laboratory environment and the vacuum environment (Unit: ″)

由表2、表3和表4可知，本文誤差分析結果正確，即本文設計的多光軸標校系統完全滿足1.5″的多光軸標校精度要求。

4.4 相似系統精度統計

目前公開的涉及真空環境下多光軸平行性標校的設備較少，本文將幾款同樣以離軸反射式平行光管作為主要部件的多光軸標校系統的測試精度統計如表5。

表5 同類多光軸平行性標校設備的標校精度統計表Tab. 5 Calibration accuracy statistics of similar multiaxis parallelism calibration equipment (Unit: ″)

此外，本文還調研了傳統的以離軸反射式平行光管作為主要部件的多光軸標校系統。如2015年由劉亞辰、張新磊等[27]人研制的多光軸標校系統，其標校精度如下：方位方向為2.8″、俯仰方向為4.4″；2007年由黃靜、劉朝暉等人研制的多光軸標校系統的標校精度為4.05″[28]。而空間光電跟瞄系統要求多光軸標校系統滿足1.5″的多光軸一致性檢測精度要求。在此要求下，本文設計的多光軸標校系統最佳。

5 結 論

本文針對空間光電跟瞄系統在真空環境下的多光軸平行性測量問題，設計了一套多光軸標校系統。然后對該系統進行了詳細的誤差分析，并給出了相應抑制誤差影響的方法。最后對通信技術試驗衛星3號的光電跟瞄主機正樣進行了實驗室環境和真空環境下的技術測試，給出了多光軸標校系統在兩種測試環境下的測試結果、誤差源以及標校精度，并對標校精度進行了驗證。最終結果表明：本文設計的多光軸標校系統在實驗室環境下的標校精度為0.998″，收發平行度標定誤差為1.165″；在真空環境下的標校精度為1.219″，收發平行度標定誤差為1.359″。完全滿足空間光電跟瞄系統1.5″的多光軸檢測精度要求。