一種空間目標(biāo)光學(xué)特性實(shí)測(cè)條件的室內(nèi)模擬裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空間目標(biāo)光學(xué)特性測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種空間目標(biāo)光學(xué)特性實(shí)測(cè)條件的室內(nèi)模擬裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]空間目標(biāo)光學(xué)特性室內(nèi)模擬技術(shù)，是采用設(shè)備和方法在實(shí)驗(yàn)室模擬空間目標(biāo)所面臨的空間光照條件、同時(shí)模擬光源-目標(biāo)-探測(cè)器的相對(duì)幾何關(guān)系，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際觀測(cè)過程(地基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)、天基載荷觀測(cè))和觀測(cè)數(shù)據(jù)的平行模擬。采用實(shí)驗(yàn)室模擬，可以輔助建立目標(biāo)光學(xué)特性的各類理論模型、可以比對(duì)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)研宄目標(biāo)形狀、相位角、材料特性、旋轉(zhuǎn)特性等多類因素對(duì)目標(biāo)光學(xué)特性的影響，以更有效的識(shí)別已知和未知的在軌目標(biāo)。空間目標(biāo)光學(xué)特性室內(nèi)模擬裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一是裝置的幾何布局與角度映射方法。
[0003]空間目標(biāo)光學(xué)特性室內(nèi)模擬技術(shù)在模擬光源-目標(biāo)-探測(cè)器的相對(duì)幾何關(guān)系時(shí)，由于條件限制，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建和實(shí)際觀測(cè)情況下直接對(duì)應(yīng)的“以衛(wèi)星本體坐標(biāo)為基準(zhǔn)”的設(shè)備布局方法，即目標(biāo)模型不動(dòng)，太陽(yáng)模擬器繞著目標(biāo)作任意角度的2軸旋轉(zhuǎn)、探測(cè)器同時(shí)也繞著目標(biāo)模型作任意角度的2軸旋轉(zhuǎn)，是不可行的。原因是空間不夠大、太陽(yáng)模擬器和接收器通常較重，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)承重限制不能支撐他們并保證精度，如圖1所示。
[0004]因此在實(shí)驗(yàn)室模擬裝置的建設(shè)時(shí)，需要建立適合于實(shí)驗(yàn)室條件下的裝置布局，并且采用角度映射的辦法，實(shí)現(xiàn)與實(shí)際觀測(cè)等效并容易實(shí)現(xiàn)的相對(duì)幾何關(guān)系。
[0005]已有的室內(nèi)模擬裝置，如美國(guó)Optical Measurements Center (OMC)at NASA/JSC,(Nat1nal Aeronautics and Space Administrat1n/Johnson Space Center)(國(guó)家航空航天局/約翰遜空間中心的光學(xué)測(cè)量中心)的相關(guān)裝置，如圖2所示。
[0006]美國(guó)OMC光學(xué)測(cè)量中心主要開展空間碎片的室內(nèi)光學(xué)特性測(cè)量，其采用了角度映射的方法把測(cè)量空間映射到水平面內(nèi)。如圖2所示，目標(biāo)模型位于實(shí)驗(yàn)室中心的工業(yè)機(jī)械臂上，可操縱其實(shí)現(xiàn)三軸轉(zhuǎn)動(dòng)。一座橫梁支架橫跨整個(gè)實(shí)驗(yàn)室，橫梁下方有一條圍繞實(shí)驗(yàn)場(chǎng)中心軸旋轉(zhuǎn)的旋臂，光源位于旋臂的長(zhǎng)臂一端，短臂一端固定黑背景用于吸收雜散光并用配重平衡，探測(cè)器固定在實(shí)驗(yàn)室一側(cè)不動(dòng)并始終指向待測(cè)目標(biāo)。
[0007]該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是全系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)控制，采用“3+1”軸的操控方式，只需操作機(jī)械臂調(diào)整目標(biāo)本身三軸姿態(tài)，而光源和探測(cè)器之間的觀測(cè)相位角可始終保持在水平面單軸變化，無(wú)需上下移動(dòng)。這一裝置實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)任意角度光照和觀測(cè)的同時(shí)，較以衛(wèi)星本體坐標(biāo)為基準(zhǔn)的設(shè)備布局方法大大簡(jiǎn)化了設(shè)備布置，降低了成本。
[0008]但是該方案存在著不足之處:該方案為實(shí)現(xiàn)旋臂的360度旋轉(zhuǎn)需要較大的圓形實(shí)驗(yàn)空間，需建立專用大面積實(shí)驗(yàn)室。中央機(jī)械臂雖然能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三軸姿態(tài)控制，但其承重能力小、姿態(tài)角精度低、中心點(diǎn)穩(wěn)定度不足。另外對(duì)于大尺寸目標(biāo)測(cè)量，需要使用大口徑太陽(yáng)模擬光源，其體量較大難以在旋臂上安裝使用，因此該方案仍只適用于低精度模擬測(cè)量小尺寸空間碎片的光學(xué)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種空間目標(biāo)光學(xué)特性實(shí)測(cè)條件的室內(nèi)模擬裝置。本發(fā)明僅用原本一半的空間，并簡(jiǎn)捷的實(shí)現(xiàn)了空間目標(biāo)任意姿態(tài)、任意光照角度下，高角度精度、大尺寸模型的光學(xué)特性的測(cè)量。
[0010]本發(fā)明的空間目標(biāo)光學(xué)特性實(shí)測(cè)條件的室內(nèi)模擬裝置，其包括光源(1)、反射鏡
(2)、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)、探測(cè)器(4)、探測(cè)器導(dǎo)軌(5)、空間目標(biāo)模型(6)和探測(cè)器支架(7);
[0011]在室內(nèi)選取一半圓區(qū)域，在半圓區(qū)域的圓心處安裝三軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3);
[0012]在所述半圓區(qū)域外部安裝光源⑴、反射鏡(2)，光源⑴發(fā)出的光通過反射鏡(2)反射至安裝于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)的空間目標(biāo)模型(6)上；
[0013]探測(cè)器支架(7) —端安裝探測(cè)器(4)，另一端與三軸轉(zhuǎn)臺(tái)連接，圍繞三軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行180度運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)軌跡為所述半圓區(qū)域的圓?。?br>[0014]探測(cè)器導(dǎo)軌(5)，為半六邊形，且六邊形的中心與半圓區(qū)域的圓心重合，探測(cè)器支架(7)通過活動(dòng)支點(diǎn)配件可活動(dòng)的連接于探測(cè)器導(dǎo)軌(5)，活動(dòng)支點(diǎn)配件可沿探測(cè)器導(dǎo)軌
(5)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可沿探測(cè)器支架(7)的延伸方向運(yùn)動(dòng)；
[0015]所述三軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)包括:底座(31)、第一支撐臂(32)、第二支撐臂(33)和第三支撐臂(34)，底座(31)固定于地面上，第一支撐臂(32)可轉(zhuǎn)動(dòng)的安裝于底座(31)上，轉(zhuǎn)軸設(shè)為Axis 1，通過第一支撐臂(32)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制空間目標(biāo)模型(6)相對(duì)于光源方向的偏航角；第二支撐臂連接固定于第一支撐臂(32)上，第三支撐臂(34)可轉(zhuǎn)動(dòng)的安裝于第二支撐臂
(33)上，轉(zhuǎn)軸設(shè)為Axis2，通過第三支撐臂(34)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制空間目標(biāo)模型(6)相對(duì)于光源方向的滾動(dòng)角；且第三支撐臂(34)兩端均有延伸段，空間目標(biāo)模型(6)安裝于兩延伸段之間，空間目標(biāo)模型(6)圍繞的轉(zhuǎn)軸為Axis3，通過空間目標(biāo)模型(6)的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整空間目標(biāo)模型(6)相對(duì)于光源方向的俯仰角；
[0016]上述Axis I垂直于地面，Axis2平行于地面，通過第三支撐臂(34)的轉(zhuǎn)動(dòng)使得Axis3在一個(gè)平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，該平面垂直于Axis2 ;空間目標(biāo)模型(6)位于Axis l、Axis2和Axis3的交點(diǎn)上。
[0017]進(jìn)一步的，室內(nèi)模擬裝置設(shè)于室內(nèi)一矩形空間內(nèi)，光源(I)和反射鏡(2)布置于矩形空間內(nèi)同一短邊的兩個(gè)角上；半圓區(qū)域的直邊平行于矩形空間長(zhǎng)邊布置，墻邊預(yù)留出三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)空間；且反射鏡(2)的具體位置在在半圓區(qū)域的直邊端點(diǎn)或其延長(zhǎng)線上。
[0018]進(jìn)一步的，三軸轉(zhuǎn)臺(tái)中心與反射鏡之間的距離為所述半圓區(qū)域的半徑。
[0019]進(jìn)一步的，探測(cè)器支架(7)為支撐式或懸掛式；
[0020]所述支撐式為:探測(cè)器導(dǎo)軌(5)鋪于地面；
[0021]所述懸掛式為:探測(cè)器導(dǎo)軌(5)固定于室內(nèi)天花板。
[0022]進(jìn)一步的，所述活動(dòng)支點(diǎn)部件裝有電機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)在探測(cè)器導(dǎo)軌(5)上行進(jìn)，帶動(dòng)探測(cè)器支架(7)和探測(cè)器⑷繞三軸轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0023]進(jìn)一步的，所述探測(cè)器支架(7)的軸Axis O處安裝電機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)探測(cè)器支架(7)帶動(dòng)探測(cè)器(4)旋轉(zhuǎn)，活動(dòng)支點(diǎn)采用從動(dòng)結(jié)構(gòu)。
[0024]有益效果:
[0025]對(duì)比已有技術(shù)，本發(fā)明既能夠?qū)崿F(xiàn)與“以衛(wèi)星本體坐標(biāo)為基準(zhǔn)”的設(shè)備布局完全相同的相對(duì)角度覆蓋效果，又能夠簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作，節(jié)約實(shí)驗(yàn)空間，便于自動(dòng)化操作，具體優(yōu)點(diǎn)如下:
[0026]1、本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室模擬空間目標(biāo)的任意角度光照及觀測(cè)場(chǎng)景。
[0027]2、在相同距離條件下，相比美國(guó)OMC，本發(fā)明的方案布局所需空間僅約為其的一半，更易于在長(zhǎng)方形房間中開展，更適用于一般實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的改造布置，節(jié)約環(huán)境改造費(fèi)用。
[0028]3、目標(biāo)模型的任意角度旋轉(zhuǎn)，由三軸轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)精度高(角度精度優(yōu)于0.1度)，旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)始終固定(中心漂移限制在直徑1mm的一個(gè)球空間中)，可實(shí)現(xiàn)高精度的目標(biāo)姿態(tài)模擬。并且由于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)優(yōu)異的力學(xué)性能，可以承重較大重量的目標(biāo)模型(彡1Kg)。而美國(guó)OMC控制目標(biāo)模型任意旋轉(zhuǎn)采用的是串聯(lián)式工業(yè)機(jī)械臂，其角度控制精度低，中心點(diǎn)穩(wěn)定度低，承重小(只能夾持小的碎片)，并且其姿態(tài)控制十分復(fù)雜(串聯(lián)機(jī)構(gòu)控制關(guān)系復(fù)雜)。
[0029]4、本方案中光源使用大口徑光源，照射光斑(直徑彡1.1m)可以覆蓋住大尺寸的目標(biāo)模型(寬度或者高度大于Im)并實(shí)現(xiàn)測(cè)量。
[0030]5、本方案中衛(wèi)星在軌位置姿態(tài)模擬采用成熟商業(yè)軟件進(jìn)行，通過構(gòu)建坐標(biāo)系和矢量變換，可以直接計(jì)算出各軸所需旋轉(zhuǎn)角度，再將角度數(shù)據(jù)直接輸入轉(zhuǎn)臺(tái)及導(dǎo)軌控制機(jī)構(gòu)即可，調(diào)度控制算法簡(jiǎn)潔。
[0031]6、實(shí)驗(yàn)室整體方案中對(duì)墻面、地面、天花板及設(shè)備本身做消光處理，使得實(shí)驗(yàn)過程中環(huán)境雜散光低，干擾小。
【附圖說明】
[0032]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的以衛(wèi)星本體坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的設(shè)備布局示意圖；
[0033]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的室內(nèi)光學(xué)特性測(cè)量布局示意圖；
[0034]圖3為本發(fā)明的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖4為本發(fā)明的空間目標(biāo)光學(xué)特性室內(nèi)模擬裝置的布局示意圖；
[0036]圖5為本發(fā)明的空間目標(biāo)光學(xué)特性室內(nèi)模擬裝置的布局俯視圖；
[0037]圖6為本發(fā)明的衛(wèi)星本體坐標(biāo)系示意圖；
[0038]圖7為實(shí)測(cè)時(shí)的空間目標(biāo)的坐標(biāo)系示意圖；
[0039]圖8為本發(fā)明的空間目標(biāo)模型的坐標(biāo)系示意圖；
[0040]圖9為本發(fā)明中Y軸在參考平面上的投影矢量PY的示意圖；
[0041]圖10為本發(fā)明的輔助坐標(biāo)系OX”Y”Z”及轉(zhuǎn)臺(tái)三軸旋轉(zhuǎn)角度示意圖；
[0042]圖11為本發(fā)明的四軸系統(tǒng)整體軸系圖。
[0043]其中附圖標(biāo)記為:
[0044]光源-1 ;反射鏡-2 ;三軸轉(zhuǎn)臺(tái)-3 ;探測(cè)器-4 ;探測(cè)器導(dǎo)軌-5 ;空間目標(biāo)模型_6 ;探測(cè)器支架-7 ;底座-31 ;第一支撐臂-32 ;第二支撐臂-33 ;第三支撐臂-34。
【具體實(shí)施方式】
[0045]如圖4和圖5所示，本發(fā)明的空間目標(biāo)光學(xué)特性實(shí)測(cè)條件的室內(nèi)模擬裝置包括光源1、反射鏡2、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)3、探測(cè)器4、探測(cè)器導(dǎo)軌5、空間目標(biāo)模型6和探測(cè)器支架7 ;
[0046]在室內(nèi)選取一半圓區(qū)域，在半圓區(qū)域的圓心處安裝三軸轉(zhuǎn)臺(tái)3 ；
[0047]在所述半圓區(qū)域外部安裝光源1、反射鏡2，光源I發(fā)出的光通過反射鏡2反射至安裝于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)3的空間目標(biāo)模型6上；
[0048]探測(cè)器支架7 —端安裝探測(cè)器4，另一端與三軸轉(zhuǎn)臺(tái)連接，圍繞三軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行180度運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)軌跡為所述半圓區(qū)域的圓弧，效果較佳的，探測(cè)器支架轉(zhuǎn)軸設(shè)為Axis 0，通過其轉(zhuǎn)動(dòng)控制光源-目標(biāo)模型-探測(cè)器三者定義的觀測(cè)相位角；
[0049]探測(cè)器導(dǎo)軌5，為半六邊形，且六變形的中心與半圓區(qū)域的圓心重合，探測(cè)器支架