大口径主镜位置姿态的测量方法及测量装置与流程

本发明涉及应用于地基大口径主动光学领域，具体涉及一大口径主反射镜位置姿态测量装置及测量方法。

背景技术：

高分辨力是当今世界各国侦察卫星和地基望远镜的一个发展趋势。望远镜的口径越大，它的集光能力和分辨率就越高，发展高分辨率大口径望远镜在对天观测、深空探测等领域的应用具有重要的科学和军事意义。因此，将来无论是地基还是空间望远镜，口径都将越来越大。

但是，随着地基望远镜口径的增大，望远镜主镜的质量会特别的大，4m量级的主镜其重量能达到十吨左右，如此重的主镜在随着望远镜俯仰角度变化的过程中，其相对主镜室的位置肯定会发生变化，这种主光学元件的位置和姿态的变化对光学系统的成像质量是致命的。为了解决这一问题，主动光学应运而生。

主动光学系统监测各个光学元件位置，或测量最后的波面误差；通过调整光学元件的位置和成像进行校正。主动控制的一个优点是能够纠正望远镜中对成像影响最大的低带宽的误差，尤其是重力作用对光学成像的影响。

技术实现要素：

本发明为解决现有大口径望远镜主动光学系统中的主镜位置姿态测量方法中存在间接、复杂和冗余的问题，提供一种大口径主镜位置姿态测量装置及测量方法。

大口径主镜位置姿态的测量方法，其特征是，该方法具体过程为：

采用轴向测量单元测量主镜在Z轴方向的位移变化量，主镜绕X轴的旋转变化量以及主镜绕Y轴的旋转变化量；采用径向测量单元测量主镜光轴在X轴方向的位移变化量，Y轴方向的位移变化量以及主镜半径R的变化量；

所述采用轴向测量单元测量的具体过程为：

定义轴向三个测量点a、b、c所在圆的圆心在Z轴方向的位移变化量z，则：

所述主镜绕X轴的旋转变化量Rx即为a点在主镜半径R方向上的倾斜量，则Rx为：

所述主镜绕Y轴的旋转变化量Ry即为线bc绕Y轴的旋转量，则Ry为：

设定轴向测量单元的初始读数a₀、b₀、c₀为初始位置，则主镜在Z轴方向的位移变化量z、主镜绕X轴的旋转变化量Rx以及主镜绕Y轴的旋转变化量Ry的自由度的变化量分别为：

采用径向测量单元测量的具体过程为：

定义径向三个测量点d、e、f所在圆的圆心在X轴方向的位移变化量为x、在Y轴方向的位移变化量y、主镜半径R的变化量为△R，

设定径向测量单元的初始读数d₀、e₀、f₀为初始位置；则三个测量点d、e、f的在主镜坐标系中的坐标D(Dx，Dy)、E(Ex，Ey)、F(Fx，Fy)为：

定义主镜偏移后圆心坐标为O’(α，β)；则偏移后的圆的方程为：

(x-α)²+(y-β)²＝(R+ΔR)²

式中，α，β分别为X轴和Y轴的偏移量；所述偏移后的圆一定过测量点d、e、f，则方程为：

通过实时计算提取出圆方程的圆形坐标O(α，β)和主镜半径R的变化量，计算获得主镜在Z轴方向的位移变化量z，主镜绕X轴的旋转变化量Rx以及主镜绕Y轴的旋转变化量Ry，在X轴方向的位移变化量x，Y轴方向的位移变化量y以及主镜半径R的变化量△R六个自由度的变化量，实现对主镜位置姿态的测量。

大口径主镜位置姿态的测量装置，该测量装置包括径向测量单元和轴向测量单元，所述径向测量单元沿主镜边缘120°均布，所述轴向测量单元120°均布安装于主镜背面边缘且与径向测量单元的位置对应；

所述径向测量单元和所述轴向测量单元均包括LVDT位移传感器、LVDT位移传感器立柱以及LVDT位移传感器底座；

所述径向测量单元还包括径向测量块和径向LVDT位移传感器夹头；轴向测量单元还包括轴向测量块和轴向LVDT位移传感器夹头；

所述径向测量块与主镜粘接固定，LVDT位移传感器与径向LVDT位移传感器夹头通过压块固定，径向LVDT位移传感器夹头与LVDT位移传感器立柱之间使用凹槽限位进行高度微调并锁紧，LVDT位移传感器立柱与LVDT位移传感器底座之间通过螺钉紧固。

所述轴向测量块与主镜之间粘接固定，LVDT位移传感器与轴向LVDT位移传感器夹头通过压块固定，轴向LVDT位移传感器夹头与LVDT位移传感器立柱之间使用凹槽限位可以进行高度微调并锁紧，LVDT位移传感器立柱与LVDT位移传感器底座之间通过螺钉紧固。

本发明的有益效果：本发明所述的装置应用于主动光学系统中主反射镜位置姿态监视的问题，利用6个LVDT位移传感器对主镜的6个自由度进行解算，并将该解算值反馈给主动控制系统，完成主动光学系统的实时校正能力。这种解算方法原理简单直接，没有引入多余的误差，测量精度高，可靠性强，与其他的位置姿态的测量解算方法相比具有明显的优势，能够为主动光学系统正常工作提供有效可靠的数据。

附图说明

图1为本发明所述的大口径主镜位置姿态测量装置的整体结构示意图；

图2为本发明所述的大口径主镜位置姿态测量装置中轴向测量单元示意图；

图3为本发明所述的大口径主镜位置姿态测量装置中径向测量单元的结构示意图；

图4为本发明所述的大口径主镜位置姿态测量方法中轴向测量解算原理图；

图5为本发明所述的大口径主镜位置姿态测量方法中径向测量解算原理图。

图中：1、主镜，2、径向测量单元，3、轴向测量单元，4、轴向测量块，5、LVDT位移传感器，6、轴向LVDT位移传感器夹头，7、LVDT位移传感器立柱，8、LVDT位移传感器底座，9、径向测量块，10、径向LVDT位移传感器夹头。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图4和图5说明本实施方式，大口径主镜位置姿态测量方法，该方法具体为：

采用三组轴向测量单元3和三组径向测量单元2，分别布置在主镜的背面和侧面，负责主镜不同自由度的测量解算。其中三组轴向测量单元3完成主镜三个自由度z、Rx、Ry的测量与解算，z为主镜在Z轴方向的位移变化量，Rx为主镜绕X轴的旋转变化量，Ry为主镜绕Y轴的旋转变化量；原理如图4所示。定义轴向三个测量点a、b、c所在圆的圆心在Z轴方向的变化量为z，则：

所述主镜绕X轴的旋转变化量Rx即a点在主镜半径R方向上的倾斜量，则Rx为：

所述主镜绕Y轴的旋转变化量Ry即线bc绕Y轴的旋转度，则Ry为：

由于三组轴向测量单元3采用绝对式传感器，所以以位移传感器的初始读数a₀、b₀、c₀为初始位置，则主镜在z、Rx、Ry自由度的变化量为：

采用三组径向测量单元2完成主镜三个自由度x、y、△R的测量与解算，x为主镜光轴在X轴方向的位移变化量，y为主镜在Y轴方向的位移变化量，△R为主镜半径R的变化量；原理如图5所示。定义径向三个测量点d、e、f所在圆的圆心在X轴方向的位移变化量为x、在Y轴方向的位移变化量为y、主镜半径R的变化量为△R，则三个测量点d、e、f的在主镜坐标系中的坐标D(Dx，Dy)、E(Ex，Ey)、F(Fx，Fy)为：

定义主镜偏移后圆心坐标为O’(α，β)；则偏移后的圆的方程为：

(x-α)²+(y-β)²＝(R+ΔR)²

式中，α，β分别为X轴和Y轴的偏移量；所述偏移后的圆一定过测量点d、e、f，则方程为：

通过控制系统实时计算提取出圆方程的圆形坐标O(α，β)和半径R变化量。

具体实施方式二、结合图1至图3说明本实施方式，大口径主镜位置姿态测量装置，主要用于主动光学系统中，能够实时的监测主镜的位置姿态变化，为主动光学执行单元的实时校正提供有效数据。该测量装置包括沿主镜1侧面120°均布的三组径向测量单元2和在主镜背面的三组轴向测量单元3，六个测量单元组合测量解算主镜1在不同俯仰角时位置姿态变化，并提供给主动光学的控制系统进行实时校正主镜的位置姿态。

该测量装置包括径向测量单元2和轴向测量单元3，所述径向测量单元2沿主镜1边缘120°均布，所述轴向测量单元3120°均布安装于主镜1背面边缘且与径向测量单元2的位置对应；

所述径向测量单元2和所述轴向测量单元3均包括LVDT位移传感器5、LVDT位移传感器立柱7以及LVDT位移传感器底座8；所述径向测量单元2还包括径向测量块9和径向LVDT位移传感器夹头10；轴向测量单元3还包括轴向测量块4和轴向LVDT位移传感器夹头6；

所述径向测量单元2的径向测量块9与主镜1之间粘接固定，LVDT位移传感器5与径向LVDT位移传感器夹头10通过压块固定，径向LVDT位移传感器夹头10与LVDT位移传感器立柱7之间使用凹槽限位并可以进行高度微调和锁紧，LVDT位移传感器立柱7与LVDT位移传感器底座8之间通过螺钉紧固。

所述轴向测量单元3的轴向测量块4与主镜1之间粘接固定，LVDT位移传感器5与轴向LVDT位移传感器夹头6通过压块固定，轴向LVDT位移传感器夹头6与LVDT位移传感器立柱7之间使用凹槽限位可以进行高度微调并锁紧，LVDT位移传感器立柱7与LVDT位移传感器底座8之间通过螺钉紧固。

本实施方式中，LVDT位移传感器5为绝对式LVDT位移传感器。所述径向测量块9和轴向测量块4采用光学玻璃，所述轴向测量块4和径向测量块9与LVDT位移传感器5的接触面为光学加工表面。所述轴向测量块4和径向测量块9均通过粘接方式与主镜1连接固定。

在主镜1安装的过程中，所有的LVDT位移传感器5夹头都与立柱松开落到底，防止在安装的过程中主镜1磕碰到位移传感器，造成损伤或者影响精度。待主镜安装到位后，依次调整各个位移传感器的位移与测量块的测量面接触，使读数在绝对零位附近，然后六个位移传感器同时工作，测量计算主镜的位置变换，解算主镜的位置姿态。

本实施方式中，主镜位置姿态的解算方法使用多个传感器组合测量的方法完成，其中主镜背面的三个LVDT位移传感器的测头的相对位置的变化可以指示出主镜在z、Rx和Ry三个自由度的变化量；z为主镜在Z轴方向的位移变化量，Rx为主镜绕X轴的旋转变化量，Ry为主镜绕Y轴的旋转变化量，侧面的三个LVDT位移传感器利用三点画圆的原理，通过测头坐标构建主镜圆方程，可以提取主镜x、y和△R三个自由度的变化量，x为主镜光轴在X轴方向的位移变化量，y为主镜在Y轴方向的位移变化量，△R为主镜半径R的变化量；主动光学控制系统检测到主镜的任一个自由度有变化量的时候，会给执行单元发送指令进行校正，完成大口径主镜的位置姿态的实时调整和主动控制。

本实施方式所述的测量装置及测量方法的实验模型已在实验室环境下组装完成，与PI公司的H-850 6-Axis Hexapod平台完成互标，精度满足使用要求。