一种光学系统热变形测试系统及方法

1.本发明属于热光试验技术领域，尤其涉及一种光学系统热变形测试系统及方法。


背景技术：

2.目前，温度变化时光学元件的曲率、厚度和间隔都发生变化，元件基体材料的折射率及所在介质的折射率也将发生变化，从而导致光学系统的成像质量发生变化，因此必须对光学系统进行热分析，并根据分析结果采取适当的无热化措施。对于透射式同轴光学系统，可以使用光学设计软件(如code v，zemax等)直接进行热分析，软件会自动计算光学镜片的曲率、厚度和折射率变化，并根据结构件材料的热膨胀系数利用圆柱筒(cylinder tube)模型计算相邻两个光学元件的间隔变化。
3.对于反射式(折反混合)光学系统和光路中有棱镜(或反射镜)等光学元件的复杂光学系统，由于结构支撑点不确定、结构材料可能有多种等原因，直接用光学软件进行热分析结果不准确。因此通常采用光机热集成分析方法，但该方法需要对所有表面的所有节点变形数据进行基于矢高或基于表面法向的转换，然后再多项式拟合，有时拟合前还要对方程组进行正交化处理，运算量大，过程复杂，很容易出错，热光学分析的正确性和热控指标的合理性需要试验进一步的验证。
4.目前比较成熟的两大真空试验，热平衡试验和热真空试验：热平衡试验主要目的是验证相机热设计的正确性，并考验热控分系统的功能；热真空试验主要目的是验证相机经受规定的压力和温度环境的能力。两者都不能验证相机在工作环境中的光学性能。作为地面验证航天光学有效载荷在工作环境中的光学性能的手段，热光学试验是航天光学有效载荷研制过程中的关键技术之一，也是航天光学有效载荷空间环境试验的重要内容。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.(1)采用光机热集成分析方法运算量大，过程复杂，易出错。
7.(2)热真空试验和热平衡试验都不能验证光学系统在工作环境中的光学性能。
8.(3)现有热光试验系统的目标模拟器处在常温常压下，且被测产品姿态不能调节，只能测试单个视场的光学性能。
9.解决以上问题及缺陷的难度为：为了解决光机热集成分析易出错的问题，需要进行真空成像测试验证，而真空成像测试就需要模拟光源，平行光管，被测产品都处于模拟环境中，被测产品可以调整姿态进行测试才能保证试验的准确性，这需要一套完整的测试系统和测试方法。其中平行光管在模拟环境中，温度压强剧变，由于光学元件和机械结构材料间存在膨胀系数差异，很容易对镜体产生应力，平行光管光学性能很难保证，这将直接影响被测产品真空成像的准确性。因此，研制在常温常压和真空低温下性能稳定的平行光管并不容易。
10.解决以上问题及缺陷的意义为：利用光学系统热变形测试系统试验不仅可了解空间相机对热真空环境的适应能力，验证热控指标的合理性，而且可得出温度调焦系数及由相机温度变化引起光谱响应参数变化所需的修正系数,为以后工作模式下调焦及光谱参数
修正提供有效的手段；此外,光学系统热变形测试系统试验所得数据也可为热光学工程分析模型正确性验证及模型修正提供参考依据,修正后的模型可作为相机在工作环境下成像质量预示及故障分析、判断提供有效手段。通过光学系统热变形测试系统试验数据可判断是否要调焦以及确定调焦量,将此调焦量的数值及方向发送给调焦控制机构进行工作模式下上的调焦。因此光学系统热变形测试系统及方法的提出具有一定的工程实用性。


技术实现要素：

11.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种光学系统热变形测试系统及方法。
12.本发明是这样实现的，一种光学系统热变形测试系统，包括温度试验柜、真空二维转台、扫描指向镜、控温测温系统、制冷机控制系统、数据采集系统、真空二维转台控制系统、红外目标模拟器和扫描控制系统；其特征在于红外目标模拟器设置在温度试验柜右侧，目标模拟器出光口与温度试验柜出口对接，真空二维转台设置在温度试验柜底部，扫描指向镜和待测相机放置在真空二维转台上，扫描指向镜与扫描镜控制系统连接，温度试验柜分别与控温测温系统、制冷机控制系统和数据采集系统连接。
13.进一步，所述温度试验柜设置有真空罐、热沉系统、真空抽气系统、温度控制系统、制冷系统、加热系统、控制系统。
14.进一步，所述真空抽气系统为粗抽真空系统，粗真空预抽泵，配气动高真空挡板阀、金属波纹管连结真空室，以干式无油泵作磁悬浮分子泵的前级泵，配气动高真空挡板阀作高真空抽气系统。
15.进一步，所述热沉系统中设置有热沉，热沉采用立式结构，分为筒体热沉、移动门热沉。
16.进一步，所述热沉采用液氮制冷，热沉内表面涂黑漆。
17.进一步，所述真空罐分为主罐和副罐，主罐放置有两维转台和待测相机；
18.副罐放置目标模拟器，副罐体上在目标模拟器焦面位置附近开设一个光学窗口。
19.进一步，所述主罐体具有热沉，主罐体采取顶部开口，移动门通过自动控制导轨移动，采用8个气动夹具对移动门密封圈预紧至主罐体上。
20.进一步，所述副罐体设置目标模拟器及温控系统，目标模拟器光轴位于水平方向。
21.进一步，所述红外目标模拟器设置有平行光管、分划板、温控系统和高温黑体，红外目标模拟器光轴位于水平方向。
22.本发明另一目的在于提供一种实施所述光学系统热变形测试系统的光学系统热变形测试方法，所述光学系统热变形测试方法，包括：
23.在真空环境下通过热沉温度变化模拟在轨温度环境，实现热真空条件、交变温度场下对相机的信噪比、空间分辨率、扫描和指向精度等指标测量以及获得光轴指向、制冷机制冷量性能等参数；
24.1)通过热沉温度变化模拟在轨温度环境；
25.2)根据被测产品性能参数要求选用对应的分划板，将分划板精确地放置在平行光管脚面中心位置；
26.3)光源放置在平行光管焦面一侧，为分划板提供照明；
27.4)调整被测产品位置，使平行光管出射的光束在全视场内都可以覆盖被测相机的
口径；
28.5)通过二维转台调整被测相机的角度，使平行光管焦面上的分划板成像到被测产品焦平面探测器上；
29.6)根据采集的数据信息，分析计算得到各个性能参数实测值。
30.动态干涉仪经过准直光管放大产生的平面波引入相机，相机在真空环境下的热变形，对该标准平面波会产生成像变化，通过成像变化来进行热变形控制有效性的验证，评估热变形对相机探测性能的影响，实现相机热变形控制设计的进一步优化。测试过程中，通过变换被测产品的姿态和动态干涉仪的位置实现全视场相机光学性能的测试。
31.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：在建设过程，红外相机对试验过程中水汽污染、漏热控制、实时动态测量视轴指向提出了新的需求，本发明中温度试验过程中需要目标模拟器配合使用，监视温度产生的性能变化，对于发现相机的合适工作点，准确的获取相机温度变化性能，同时对发现温度试验过程的变化有比较大的好处。本发明中红外目标模拟为真空腔设计，温度试验柜与其对接使用，可以通过窗口对接或者直接对接，可实施且成本可控。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1是本发明实施例提供的光学系统热变形测试系统结构示意图。
34.图2是本发明实施例提供的光学系统热变形测试系统俯视图。
35.图3是本发明实施例提供的温度试验柜结构示意图。
36.图4是本发明实施例提供的真空罐结构示意图。
37.图5是本发明实施例提供的法兰结构示意图。
38.图6是本发明实施例提供的真空抽气系统结构示意图。
39.图7是本发明实施例提供的控制柜结构示意图。
40.图8是本发明实施例提供的顶盖制冷区域分布图。
41.图9是本发明实施例提供的顶盖加热区域分布图。
42.图10是本发明实施例提供的总体框图。
43.图11是本发明实施例提供的平行光管光路图
‑
俯视图。
44.图中：1、温度试验柜；2、真空二维转台；3、扫描指向镜；4、控温测温系统；5、制冷机控制系统；6、数据采集系统；7、真空二维转台控制系统；8、红外目标模拟器；9、扫描镜控制系统；10、热沉系统；11、真空抽气系统；12、温度控制系统；13、加热系统；14、控制系统；15、真空腔；16、筒体；17、真空罐主罐；18、真空罐副罐；19、接插件安装孔；20、法兰盘；21、红外模拟器光学窗口；22、待测相机；
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明
进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种光学系统热变形测试系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
47.如图1所示，本发明实施例提供的光学系统热变形测试系统中温度试验柜1右端设置有红外目标模拟器8，温度试验柜1底侧设置有真空二维转台2，真空二维转台2上设置有扫描指向镜3和待测相机。扫描指向镜3与扫描镜控制系统9连接，温度试验柜1分别与控温测温系统4、制冷机控制系统5和数据采集系统6。
48.温度试验柜1设置有真空罐、热沉系统、真空抽气系统、温度控制系统、制冷系统、加热系统、控制系统。
49.真空抽气系统为粗抽真空系统，粗真空预抽泵，配气动高真空挡板阀、金属波纹管连结真空室，以干式无油泵作磁悬浮分子泵的前级泵，配气动高真空挡板阀作高真空抽气系统。
50.热沉系统中设置有热沉，热沉采用立式结构，分为筒体热沉、移动门热沉；热沉采用液氮制冷，热沉内表面涂黑漆。
51.真空罐分为主罐和副罐，主罐放置有两维转台和待测相机；副罐放置目标模拟器，副罐体上在目标模拟器焦面位置附近开设一个光学窗口。主罐体具有热沉，主罐体采取顶部开口，移动门通过自动控制导轨移动，采用8个气动夹具对移动门密封圈预紧至主罐体上。副罐体设置目标模拟器及温控系统，目标模拟器光轴位于水平方向。
52.红外目标模拟器8设置有平行光管、分划板、温控系统和高温黑体，红外目标模拟器8光轴位于水平方向。
53.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
54.本发明实施例中热光试验设备主要由温度试验柜、真空罐、真空二维转台、红外目标模拟器和辅助结构组成。
55.1、温度试验柜
56.温度试验柜是热光试验设备的电气控制部分，可手动操作，亦可通过软件设定参数实现设备中真空泵、液氮控温等自动运行。
57.在建设过程，红外相机对试验过程中水汽污染、漏热控制、实时动态测量视轴指向提出了新的需求，此外，温度试验过程中需要目标模拟器配合使用，监视温度产生的性能变化，这对于发现相机的合适工作点，准确的获取相机温度变化性能，同时对发现温度试验过程的变化有比较大的好处，这样试验方案与国际上最先进的试验方案接轨(相机研制过程条件满足地面考核实验要求)。
58.由于本发明中的红外目标模拟为真空腔设计，温度试验柜与其直接对接使用，可以通过窗口对接或者对接。
59.根据相机参数及视轴指向测试要求，温度试验柜设备的核心技术指标有以下要求：内部有效尺寸不小于2.4m
×
1.7m
×
2.6m；温度循环范围大于为
‑
40℃～+60℃；真空度优于1
×
10
‑3pa；与口径1m的红外目标模拟器直接相连。相机整机的热变形试验、准工况下的探测器装校和视轴指向测试的硬件方案一致，布局如下2图所示。
60.如图2
‑
图3所示，本发明中温度试验柜由筒体部分，热沉系统，真空抽气系统，温度
控制系统，制冷系统，加热系统，控制系统等七部分组成。
61.如图4
‑
图5，真空罐部分。
62.如图6所示，粗抽真空系统以一台sp
‑
630干式真空泵作粗真空预抽泵，配gdq
‑
100气动高真空挡板阀、金属波纹管连结真空室，以ts600干式无油泵作磁悬浮分子泵的前级泵，配gdq
‑
j250 bp气动高真空挡板阀作高真空抽气系统；以ulvac日本真空的cryo
‑
22p低温泵作主抽泵配以ccq
‑
550气动高真空插板阀组成主抽系统。使真空室内的压力降至3*10
‑5pa的极限压力。
63.如图7所示，电控系统有电路过载保护和总电源保护装置，有总电源开关状态显示，故障报警提示，警告标志等。具有断电、断水报警；温度及真空度有数显表示；设备工作状态流程图和电路上必要的互锁(用plc执行)，有不执行误操作功能。
64.系统配备4台电气控制柜，强电控制柜，弱电、仪表控制，温度控制。控制柜的尺寸为2000
×
900
×
600mm(高度
×
宽度
×
厚度)。
65.如图8
‑
图9所示，热沉系统中：热沉采用立式结构，分为筒体热沉、移动门热沉。热沉采用液氮制冷，热沉温度不高于100k。热沉内表面涂黑漆，热沉表面对太阳光的吸收率αs≥0.95，半球向发射率εh≥0.90
±
0.02。
66.热沉指标：液氮制冷情况下，温度分布均匀性≤
±
5k；平均降温速率≥2.0℃/min(热沉壁)；热沉表面涂黑漆，黑漆红外吸收系数＞0.93；且在100k到373k温度范围内长期使用不脱落；提供局部15k冷板，有效辐射面积不小于2m
×
2m。
67.制冷分布：筒体分8个区，顶盖分4个区；
68.a1a2a3a4a5a6a7a8
69.加热分布：筒体分16个区，顶盖分7个区；
70.b1b2b3b4b5b6b7b8b9b10b11b12b13b14b15b16
71.2、真空罐
72.真空罐体主要功能是提供密封真空变温环境，同时为两维转台、热沉和目标模拟器提供力学支撑。主要包括罐体、热沉和真空系统三部分。
73.该真空罐与“复合材料结构稳定性监测系统”共用。
74.2.1真空罐分为主罐和副罐。主罐用于放置两维转台和待测相机。由于相机体积大，最长对角线长度为3.1m，加置工装吊具，并预留操作人员的操作空间单侧0.7m，要求测试真空有效工作空间在水平方向上为另外相机需放置在两维转台上，相机侧躺高1.5m，加之工装和转台，要求真空有效工作空间在竖直方向高4m。副罐用于放置目标模拟器，由于目标模拟器采用平行光管开口焦距13m的平行光管，加置力学支撑和温控系统，副罐体且在目标模拟器焦面位置附近开设一个光学窗口。
75.2.2真空罐系统
76.如图10所示，真空罐由主罐体和副罐体组成，主罐体具有热沉，副罐体设置目标模拟器及温控系统，没有热沉。目标模拟器光轴位于水平方向。
77.罐体移动门：主罐体采取顶部开口，移动门通过自动控制导轨移动，采用8个气动夹具对移动门密封圈预紧至主罐体上。
78.法兰接口：罐体根据要求开有真空系统、热沉、目标模拟器、测控系统等法兰开孔。
79.窗口接口：罐体根据目标模拟器中平行光管焦面位置、产品测试方案的需求，在副罐体近目标模拟器中平行光管焦面位置附近装光学窗口，在主罐体侧壁开多个光学窗口。
80.接口密封：大门、窗口及法兰密封均采用氟橡胶圈密封。
81.罐体涂层：内表面抛光达到ra＝0.8，外表面喷漆。
82.系统漏率：1x10
‑
5pa m3/s。
83.地面配载重2t的转运车、导轨和桁车，方便对接。
84.气浮平台：真空罐建造在气浮平台上，隔振频率优于2hz。
85.真空系统：粗抽系统和高真空系统。
86.粗抽系统，选用3套ruvacwac2001罗茨真空泵、screwlinesp630干式罗茨泵真空机组作为预抽机组。
87.高真空系统，采用制冷机低温泵做主抽高真空泵，在泵和容器之间加装双向闸板阀。
88.氮系统，是环境模拟器中一个重要的分系统，由液氮系统和气氮系统两部分组成。功能一是为模拟室内的热沉提供液氮，使热沉的温度保持在低于100k来模拟空间的冷黑环境；功能二是在试验工况结束后，对热沉进行烘烤，将热沉的温度升高到室温以上。
89.测控系统，包括真空系统测控、低温系统测控、温度测量系统、冷却系统、大门运行控制系统等分系统，采用以plc为核心的本地控制器。plc安装在控制柜内部，各个系统的控制柜均就近放置在设备附近，通过工业以太网与总控间计算机进行数据的交互，总控间设置各分系统控制计算机，用户可以通过计算机对设备进行控制，也可通过本地控制控制柜上的触摸式工业平板电脑对设备进行点动控制。现场点动和远程测控互为备份。容器内应配置至少4套摄像系统，以满足试验对摄像的需求。摄像系统所有操作均可本地/远程控制。
90.现场控制柜内应将阀门、仪表等弱电的供电集中到一个进线点，便于连接ups；
91.配有根据各个系统设备的用电量来考虑对弱电部分连接ups；
92.容器内设置4个照明灯，电压为36v。
93.2.3真空罐主要为试验提供环境背景，其主要参数如下：
94.1)立式结构，尺寸φ3600
×
2430mm(直段)，热沉内净为φ3300
×
2120(总高)mm；
95.2)温度循环范围：热沉热沉温度为
‑
60℃～+100℃，热沉的升温速率为1℃/min；降温速率为0.6℃/min；热沉的温度均匀性为
±
1.5℃；
96.3)真空度：设备在常温下抽真空，16个小时达到3
×
10
‑5pa；恢复真空度，5小时达到3
×
10
‑4pa，工作压力优于1
×
10
‑3pa；
97.4)冷黑背景：液氮控温
‑
173℃，温度均匀性
±
21℃；
98.5)测试设备接口：55芯接口(cx2
‑
55c)法兰盘5个，共计44个接口。法兰盘直径335mm，其上9个55芯接口分布：正中心1个，其余8个均布在圆心在法兰中心的φ180mm的圆周上。
99.3、真空二维转台
100.二维转台用于相机力学支撑，并进行相机光轴与平行光管光轴相对位置的调整。真空环境下工作，方位和俯仰两维调整，台面平面度：优于0.1mm，承重不小于2t，为了实现相机全视场全口径工作性能测试，需要借助两维转台进行调整。
101.具体参数如下：
102.(1)俯仰转动范围：
±
11
°
，方位轴转动范围：
±
180
°
；
103.(2)在环境温度
‑
10℃～+30℃两轴(俯仰、方位)角控制精度≤2
″
(峰
‑
峰)，角位置测量精度≤2
″
(峰
‑
峰)，在环境温度
‑
60℃～
‑
10℃及+30℃～+40℃两轴(俯仰、方位)角控制精度≤4
″
(峰
‑
峰)，角位置测量精度≤2
″
(峰
‑
峰)；
104.(3)两轴(俯仰、方位)最小位移量≤1
″
；
105.(4)转台承载能力不小于1.65t；
106.(5)转台台面台面上10圈12道m12通用螺纹孔，相邻螺孔圈间隔100mm；
107.(6)转台到目标模拟器中心轴线距离897mm。
108.4、红外目标模拟器
109.该目标模拟器由平行光管、分划板、温控系统和高温黑体构成。目标模拟器光轴位于水平方向。平行光管光路如图11所示，平行光管光路图
‑
俯视。
110.目标模拟器的主要功能是为红外相机性能检测提供目标源。为了完成相机性能的全口经测试，相机需要借助调整台进行方位和俯仰的调整。相机入口位于转台台面边缘，远离转轴，当转台进行方位和俯仰调整时，相机开口位置相应地在水平和竖直方向产生空间位移，特别是在竖直方向上发生约
±
220mm的平移量，另外增加位置调整留有余量，目标模拟器的有效口径约为(≈550+220
×
2)。
111.红外相机性能检测时，目标模拟器的平行光管焦面放置分划板和高温黑体，待测产品放置在工作平台上，相机开口与平行开口对准，通过两维转台调整，使平行光束的光轴与产品光轴平行，令相机对分划板和高温黑体成像，从而完成相机工作性能的测试。检测过程中，真空罐模拟在轨工作温度场。
112.具体结构形式：离轴r
‑
c，真空式；有效口径：≥φ1000mm；焦距：13000mm；工作波段：0.4um
‑
1um；偏心距：500mm；后截距(焦面到法兰面距离)：180.246mm。
113.设备名称及数量
114.a)名称：红外相机热光试验地面测试设备；数量：1台
115.b)主要技术参数及指标
116.测试空间：测试质量量程：0—；测试光学孔径量程：0—600mm；
117.测试精度：优于10％；适用范围：相机在轨工作温度环境下的、、焦距、分辨率等参数的测量。
118.c)新增非标专用设备的主要用途及必要性
119.测试条件需求
120.真空检测环境需求
121.红外相机性能检测要需要真空环境，主要基于以下两方面的原因：
122.相机工作波段为短波和中波大气吸收波段。大气透过率曲线如下图所示。如将两
台相机放置在大气环境下进行光学装校，信号光被大气严重衰减，影响相机工作性能的测试和装校结果的判断，进而影响相机mtf、snr、在轨有效工作时间、目标捕获能力等性能的测试和判断。因此，红外相机的性能测试需要在真空条件下进行。
123.相机在大气常压条件下装校，在真空环境条件下使用，相机采用了透射元件，透射元件周围环境的折射率从大气折射率变为真空折射率，影响光线传输路径，进而影响了相机最佳焦平面的位置，因此，需要在真空条件下确定相机工作的最佳焦平面位置。
124.变温环境需求：
125.由于相机位于卫星平台上随地球自转同时，绕太阳公转，因此，相机经历一年一个大循环，每天一个小循环的剧烈温度场变化，特别是暴露在相机外端的扫描指向镜组件。
126.试验中需要相机载荷放置在模拟的在轨温度场环境下进行试验，比如扫描相机的扫描镜组件需要至于
‑
11.3℃温度环境下。在大气常压环境下将光学单镜组件置于
‑
11.3℃温度，光学镜面将结冰，使检测无法进行。因此，相机在轨工作温度环境下的性能测试需要在真空环境下进行。
127.5、辅助结构
128.a、用于焦面测试设备有真空低温要求的试验中，通过焦面窗口与红外目标模拟器连通，主要参数如下：
129.b、卧式结构，真空腔尺寸:φ800
×
780mm(直段)，热沉内净尺寸不小于φ600
×
750mm；
130.c、热沉自动控制液氮制冷，温度低于
‑
173℃，控温精度
±
5℃；
131.d、可用55芯接口(cx2
‑
55c)8个；
132.e、与目标模拟器对接的法兰通光口径不小于160mm。
133.本发明的工作原理为：热变形试验是在真空环境下通过热沉温度变化模拟在轨温度环境，实现热真空条件、交变温度场下对相机的信噪比、空间分辨率、扫描和指向精度等指标测量以及获得光轴指向、制冷机制冷量性能等参数。试验方案是动态干涉仪经过准直光管放大产生的平面波引入相机，相机在真空环境下的热变形，对该标准平面波会产生成像变化，通过成像变化来进行热变形控制有效性的验证，评估热变形对相机探测性能的影响，为相机热变形控制设计的进一步优化提供重要的依据。
134.应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd
‑
rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
135.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。