本發(fā)明涉及應(yīng)用于地基大口徑主動光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一大口徑主反射鏡位置姿態(tài)測量裝置及測量方法。

背景技術(shù)：

高分辨力是當(dāng)今世界各國偵察衛(wèi)星和地基望遠(yuǎn)鏡的一個發(fā)展趨勢。望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，它的集光能力和分辨率就越高，發(fā)展高分辨率大口徑望遠(yuǎn)鏡在對天觀測、深空探測等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的科學(xué)和軍事意義。因此，將來無論是地基還是空間望遠(yuǎn)鏡，口徑都將越來越大。

但是，隨著地基望遠(yuǎn)鏡口徑的增大，望遠(yuǎn)鏡主鏡的質(zhì)量會特別的大，4m量級的主鏡其重量能達(dá)到十噸左右，如此重的主鏡在隨著望遠(yuǎn)鏡俯仰角度變化的過程中，其相對主鏡室的位置肯定會發(fā)生變化，這種主光學(xué)元件的位置和姿態(tài)的變化對光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量是致命的。為了解決這一問題，主動光學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

主動光學(xué)系統(tǒng)監(jiān)測各個光學(xué)元件位置，或測量最后的波面誤差；通過調(diào)整光學(xué)元件的位置和成像進(jìn)行校正。主動控制的一個優(yōu)點(diǎn)是能夠糾正望遠(yuǎn)鏡中對成像影響最大的低帶寬的誤差，尤其是重力作用對光學(xué)成像的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有大口徑望遠(yuǎn)鏡主動光學(xué)系統(tǒng)中的主鏡位置姿態(tài)測量方法中存在間接、復(fù)雜和冗余的問題，提供一種大口徑主鏡位置姿態(tài)測量裝置及測量方法。

大口徑主鏡位置姿態(tài)的測量方法，其特征是，該方法具體過程為：

采用軸向測量單元測量主鏡在Z軸方向的位移變化量，主鏡繞X軸的旋轉(zhuǎn)變化量以及主鏡繞Y軸的旋轉(zhuǎn)變化量；采用徑向測量單元測量主鏡光軸在X軸方向的位移變化量，Y軸方向的位移變化量以及主鏡半徑R的變化量；

所述采用軸向測量單元測量的具體過程為：

定義軸向三個測量點(diǎn)a、b、c所在圓的圓心在Z軸方向的位移變化量z，則：

所述主鏡繞X軸的旋轉(zhuǎn)變化量Rx即為a點(diǎn)在主鏡半徑R方向上的傾斜量，則Rx為：

所述主鏡繞Y軸的旋轉(zhuǎn)變化量Ry即為線bc繞Y軸的旋轉(zhuǎn)量，則Ry為：

設(shè)定軸向測量單元的初始讀數(shù)a₀、b₀、c₀為初始位置，則主鏡在Z軸方向的位移變化量z、主鏡繞X軸的旋轉(zhuǎn)變化量Rx以及主鏡繞Y軸的旋轉(zhuǎn)變化量Ry的自由度的變化量分別為：

采用徑向測量單元測量的具體過程為：

定義徑向三個測量點(diǎn)d、e、f所在圓的圓心在X軸方向的位移變化量為x、在Y軸方向的位移變化量y、主鏡半徑R的變化量為△R，

設(shè)定徑向測量單元的初始讀數(shù)d₀、e₀、f₀為初始位置；則三個測量點(diǎn)d、e、f的在主鏡坐標(biāo)系中的坐標(biāo)D(Dx，Dy)、E(Ex，Ey)、F(Fx，F(xiàn)y)為：

定義主鏡偏移后圓心坐標(biāo)為O’(α，β)；則偏移后的圓的方程為：

(x-α)²+(y-β)²＝(R+ΔR)²

式中，α，β分別為X軸和Y軸的偏移量；所述偏移后的圓一定過測量點(diǎn)d、e、f，則方程為：

通過實(shí)時計算提取出圓方程的圓形坐標(biāo)O(α，β)和主鏡半徑R的變化量，計算獲得主鏡在Z軸方向的位移變化量z，主鏡繞X軸的旋轉(zhuǎn)變化量Rx以及主鏡繞Y軸的旋轉(zhuǎn)變化量Ry，在X軸方向的位移變化量x，Y軸方向的位移變化量y以及主鏡半徑R的變化量△R六個自由度的變化量，實(shí)現(xiàn)對主鏡位置姿態(tài)的測量。

大口徑主鏡位置姿態(tài)的測量裝置，該測量裝置包括徑向測量單元和軸向測量單元，所述徑向測量單元沿主鏡邊緣120°均布，所述軸向測量單元120°均布安裝于主鏡背面邊緣且與徑向測量單元的位置對應(yīng)；

所述徑向測量單元和所述軸向測量單元均包括LVDT位移傳感器、LVDT位移傳感器立柱以及LVDT位移傳感器底座；

所述徑向測量單元還包括徑向測量塊和徑向LVDT位移傳感器夾頭；軸向測量單元還包括軸向測量塊和軸向LVDT位移傳感器夾頭；

所述徑向測量塊與主鏡粘接固定，LVDT位移傳感器與徑向LVDT位移傳感器夾頭通過壓塊固定，徑向LVDT位移傳感器夾頭與LVDT位移傳感器立柱之間使用凹槽限位進(jìn)行高度微調(diào)并鎖緊，LVDT位移傳感器立柱與LVDT位移傳感器底座之間通過螺釘緊固。

所述軸向測量塊與主鏡之間粘接固定，LVDT位移傳感器與軸向LVDT位移傳感器夾頭通過壓塊固定，軸向LVDT位移傳感器夾頭與LVDT位移傳感器立柱之間使用凹槽限位可以進(jìn)行高度微調(diào)并鎖緊，LVDT位移傳感器立柱與LVDT位移傳感器底座之間通過螺釘緊固。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明所述的裝置應(yīng)用于主動光學(xué)系統(tǒng)中主反射鏡位置姿態(tài)監(jiān)視的問題，利用6個LVDT位移傳感器對主鏡的6個自由度進(jìn)行解算，并將該解算值反饋給主動控制系統(tǒng)，完成主動光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)時校正能力。這種解算方法原理簡單直接，沒有引入多余的誤差，測量精度高，可靠性強(qiáng)，與其他的位置姿態(tài)的測量解算方法相比具有明顯的優(yōu)勢，能夠為主動光學(xué)系統(tǒng)正常工作提供有效可靠的數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的大口徑主鏡位置姿態(tài)測量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所述的大口徑主鏡位置姿態(tài)測量裝置中軸向測量單元示意圖；

圖3為本發(fā)明所述的大口徑主鏡位置姿態(tài)測量裝置中徑向測量單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明所述的大口徑主鏡位置姿態(tài)測量方法中軸向測量解算原理圖；

圖5為本發(fā)明所述的大口徑主鏡位置姿態(tài)測量方法中徑向測量解算原理圖。

圖中：1、主鏡，2、徑向測量單元，3、軸向測量單元，4、軸向測量塊，5、LVDT位移傳感器，6、軸向LVDT位移傳感器夾頭，7、LVDT位移傳感器立柱，8、LVDT位移傳感器底座，9、徑向測量塊，10、徑向LVDT位移傳感器夾頭。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一、結(jié)合圖4和圖5說明本實(shí)施方式，大口徑主鏡位置姿態(tài)測量方法，該方法具體為：

采用三組軸向測量單元3和三組徑向測量單元2，分別布置在主鏡的背面和側(cè)面，負(fù)責(zé)主鏡不同自由度的測量解算。其中三組軸向測量單元3完成主鏡三個自由度z、Rx、Ry的測量與解算，z為主鏡在Z軸方向的位移變化量，Rx為主鏡繞X軸的旋轉(zhuǎn)變化量，Ry為主鏡繞Y軸的旋轉(zhuǎn)變化量；原理如圖4所示。定義軸向三個測量點(diǎn)a、b、c所在圓的圓心在Z軸方向的變化量為z，則：

所述主鏡繞X軸的旋轉(zhuǎn)變化量Rx即a點(diǎn)在主鏡半徑R方向上的傾斜量，則Rx為：

所述主鏡繞Y軸的旋轉(zhuǎn)變化量Ry即線bc繞Y軸的旋轉(zhuǎn)度，則Ry為：

由于三組軸向測量單元3采用絕對式傳感器，所以以位移傳感器的初始讀數(shù)a₀、b₀、c₀為初始位置，則主鏡在z、Rx、Ry自由度的變化量為：

采用三組徑向測量單元2完成主鏡三個自由度x、y、△R的測量與解算，x為主鏡光軸在X軸方向的位移變化量，y為主鏡在Y軸方向的位移變化量，△R為主鏡半徑R的變化量；原理如圖5所示。定義徑向三個測量點(diǎn)d、e、f所在圓的圓心在X軸方向的位移變化量為x、在Y軸方向的位移變化量為y、主鏡半徑R的變化量為△R，則三個測量點(diǎn)d、e、f的在主鏡坐標(biāo)系中的坐標(biāo)D(Dx，Dy)、E(Ex，Ey)、F(Fx，F(xiàn)y)為：

定義主鏡偏移后圓心坐標(biāo)為O’(α，β)；則偏移后的圓的方程為：

(x-α)²+(y-β)²＝(R+ΔR)²

式中，α，β分別為X軸和Y軸的偏移量；所述偏移后的圓一定過測量點(diǎn)d、e、f，則方程為：

通過控制系統(tǒng)實(shí)時計算提取出圓方程的圓形坐標(biāo)O(α，β)和半徑R變化量。

具體實(shí)施方式二、結(jié)合圖1至圖3說明本實(shí)施方式，大口徑主鏡位置姿態(tài)測量裝置，主要用于主動光學(xué)系統(tǒng)中，能夠?qū)崟r的監(jiān)測主鏡的位置姿態(tài)變化，為主動光學(xué)執(zhí)行單元的實(shí)時校正提供有效數(shù)據(jù)。該測量裝置包括沿主鏡1側(cè)面120°均布的三組徑向測量單元2和在主鏡背面的三組軸向測量單元3，六個測量單元組合測量解算主鏡1在不同俯仰角時位置姿態(tài)變化，并提供給主動光學(xué)的控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時校正主鏡的位置姿態(tài)。

該測量裝置包括徑向測量單元2和軸向測量單元3，所述徑向測量單元2沿主鏡1邊緣120°均布，所述軸向測量單元3120°均布安裝于主鏡1背面邊緣且與徑向測量單元2的位置對應(yīng)；

所述徑向測量單元2和所述軸向測量單元3均包括LVDT位移傳感器5、LVDT位移傳感器立柱7以及LVDT位移傳感器底座8；所述徑向測量單元2還包括徑向測量塊9和徑向LVDT位移傳感器夾頭10；軸向測量單元3還包括軸向測量塊4和軸向LVDT位移傳感器夾頭6；

所述徑向測量單元2的徑向測量塊9與主鏡1之間粘接固定，LVDT位移傳感器5與徑向LVDT位移傳感器夾頭10通過壓塊固定，徑向LVDT位移傳感器夾頭10與LVDT位移傳感器立柱7之間使用凹槽限位并可以進(jìn)行高度微調(diào)和鎖緊，LVDT位移傳感器立柱7與LVDT位移傳感器底座8之間通過螺釘緊固。

所述軸向測量單元3的軸向測量塊4與主鏡1之間粘接固定，LVDT位移傳感器5與軸向LVDT位移傳感器夾頭6通過壓塊固定，軸向LVDT位移傳感器夾頭6與LVDT位移傳感器立柱7之間使用凹槽限位可以進(jìn)行高度微調(diào)并鎖緊，LVDT位移傳感器立柱7與LVDT位移傳感器底座8之間通過螺釘緊固。

本實(shí)施方式中，LVDT位移傳感器5為絕對式LVDT位移傳感器。所述徑向測量塊9和軸向測量塊4采用光學(xué)玻璃，所述軸向測量塊4和徑向測量塊9與LVDT位移傳感器5的接觸面為光學(xué)加工表面。所述軸向測量塊4和徑向測量塊9均通過粘接方式與主鏡1連接固定。

在主鏡1安裝的過程中，所有的LVDT位移傳感器5夾頭都與立柱松開落到底，防止在安裝的過程中主鏡1磕碰到位移傳感器，造成損傷或者影響精度。待主鏡安裝到位后，依次調(diào)整各個位移傳感器的位移與測量塊的測量面接觸，使讀數(shù)在絕對零位附近，然后六個位移傳感器同時工作，測量計算主鏡的位置變換，解算主鏡的位置姿態(tài)。

本實(shí)施方式中，主鏡位置姿態(tài)的解算方法使用多個傳感器組合測量的方法完成，其中主鏡背面的三個LVDT位移傳感器的測頭的相對位置的變化可以指示出主鏡在z、Rx和Ry三個自由度的變化量；z為主鏡在Z軸方向的位移變化量，Rx為主鏡繞X軸的旋轉(zhuǎn)變化量，Ry為主鏡繞Y軸的旋轉(zhuǎn)變化量，側(cè)面的三個LVDT位移傳感器利用三點(diǎn)畫圓的原理，通過測頭坐標(biāo)構(gòu)建主鏡圓方程，可以提取主鏡x、y和△R三個自由度的變化量，x為主鏡光軸在X軸方向的位移變化量，y為主鏡在Y軸方向的位移變化量，△R為主鏡半徑R的變化量；主動光學(xué)控制系統(tǒng)檢測到主鏡的任一個自由度有變化量的時候，會給執(zhí)行單元發(fā)送指令進(jìn)行校正，完成大口徑主鏡的位置姿態(tài)的實(shí)時調(diào)整和主動控制。

本實(shí)施方式所述的測量裝置及測量方法的實(shí)驗?zāi)Ｐ鸵言趯?shí)驗室環(huán)境下組裝完成，與PI公司的H-850 6-Axis Hexapod平臺完成互標(biāo)，精度滿足使用要求。