空间光电跟瞄系统多光轴平行性标校研究

温中凯，张庆君 ，李 爽 ，雷文平，杜国军

（1. 南京航空航天大学 航天学院，江苏 南京 211106；2. 中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094；3. 北京空间机电研究所，北京 100094）

1 引 言

天基空间目标监视系统是我国战略预警体系的重要组成部分[1]，而空间光电跟瞄系统作为其主要载荷之一，具有在复杂天空背景下自动识别、捕获目标并进行高精度自闭环光学跟踪和高分辨率成像的能力[2]。由于空间光电跟瞄系统集高分辨率成像相机、宽视场搜索相机、激光测距发射机和激光测距接收机等多个光学子系统于一体，必然会产生各子系统间的光轴平行性标校问题。而标校精度将直接影响空间光电跟瞄系统的瞄准精度，是制约系统最终测量精度和跟瞄性能的关键。

目前国内外对多光轴平行性的研究多集中在实验室环境和外场环境两个方面。国内典型研究成果：徐丹慧、谢国兵等人研究了适用于实验室环境的多光轴平行性检测方法[3-5]；叶露、黄富瑜等人研究了适用于外场环境的多光轴标校系统[6-11]；国外典型研究成果：美国AAI公司研制的校轴设备ABE-301A[12-13]，德国Carl Zeiss公司研制的武器装备校轴调整系统WASVB[14]，瑞典SCHILL公司研制的舰船轴线检测系统aligner-308[15]，挪威METRONOR公司研制的HarmoLign武器校准系统[16]，以色列CI公司研制的AWBS武器轴线检测系统[17-18]等。然而，以上研究均未涉及真空环境下多光轴平行性标校技术，究其原因主要有三个方面：一是太空环境下，多光轴光电系统与观测目标的距离动辄数百公里，常需要系统具有不同功率的激光稳定地追踪目标，从而要求多光轴标校系统具有同时响应不同波长激光的能力，对多光轴标校系统的设计要求较高；二是在太空尺度下，极小的多光轴标校误差也会放大到不能接受的地步，从而要求空间多光轴光电系统具有极高的光轴一致性精度，一般的标校设备无法满足；三是真空环境不同于实验室环境和外场环境，其对整个多光轴标校过程的环境要求极高，不仅要求测试平台在整个测试期间保持仪器设备处在小于1Hz级别的检测环境中，还要求真空度极高的真空空间来模拟空间环境。

本文基于空间光电跟瞄系统的多光轴一致性检测要求，设计了一套多光轴标校系统。对该系统进行了详尽的误差分析，并给出了去除核心分系统误差影响的方法。同时对通信技术试验卫星三号的光电跟瞄主机正样进行了实验室环境与真空环境下的技术测试，给出了测试结果，分析了多光轴标校系统在两种测试环境下的误差源与标校精度，并对标校精度进行了验证。

2 多光轴标校系统设计

空间光电跟瞄系统的主要任务是实现对空间目标的跟踪成像与瞄准，为减小噪声、提高系统性能，其激光束散角和接收镜头视场角都很小。故为保证系统能够有效工作，要求各单机光轴必须拥有极高的平行度装调一致性。通信技术试验卫星三号要求其空间光电跟瞄主机具有1.5″的多光轴检测精度。

目前常用的多光轴平行性检测方法有投影靶法[19]、激光光轴仪法[20]、上转换板检测法[21]、惯性测量法[22]、五棱镜法[23]、相交校靶法、摄影测量法[24]、小口径平行光管法[25]、大口径平行光管法[26]等。投影靶法易受气候和场地条件限制, 自动化程度低且随机误差较大；激光光轴仪法装配难度大且专用性强，常用于检测望远镜两镜筒的光轴平行性；上转换板检测法仅适用于特定波段的检测，且上转换材料制备的不均匀性会产生附加误差；惯性测量法对陀螺仪的安装精度要求很高，校准过程不直观，且整体校准精度不高；五棱镜法中五棱镜的移动会导致其特征方向发生变化，会对测量结果产生随机性的附加误差；相交校靶法在进行光轴标校时容易受到环境的影响，校准精度不高；摄影测量法成本较高，且多光轴检测精度不高；小口径平行光管法结构复杂，误差环节多，整体精度较低。以上方法均无法满足空间光电跟瞄系统的高精度检测要求。

大口径平行光管法误差环节少、检测精度高，可在全波段进行测试且没有色差。可为空间光电跟瞄系统建立一个既包含可见光又包含近红外激光的测量基准，保证空间光电跟瞄系统可见光和近红外激光都能被探测器所接收。此外，为去除传统抛物面系统中心遮拦的影响，保证较高的像面照度，本文选择大口径离轴反射式平行光管作为多光轴标校设备的主要部件设计了一套多光轴校准系统，其结构如图1所示。

图 1 多光轴标校系统结构Fig. 1 The structure of the multi-axis calibration system

该系统主要由大口径离轴反射式平行光管系统、分光衰减系统、激光衰减片、光电设备安装台等部件组成。

大口径离轴反射式平行光管系统主要由离轴抛物面主镜和次镜两个反射式光学元件构成，其主要作用是为空间光电跟瞄系统提供无限远目标以及将激光成像在CCD探测器上。

分光衰减系统主要由45°反射镜，双五棱镜、CCD探测器、小孔光阑、二维平移台、光纤光源以及支撑结构等部分组成。该系统是为了满足空间光电跟瞄系统的特殊应用环境而单独设计的，主要用于校准卫星光电跟瞄设备在空间状态下激光测距仪的多光轴一致性。

激光衰减片主要用于衰减激光能量，避免能量过高而损伤CCD探测器。

光电设备安装台主要由台面和通用螺孔等组成，其主要用于固定空间光电跟瞄设备，隔离外界环境振动，以及对跟瞄设备进行俯仰角以及方位角调节。

在进行多光轴标校时，首先将空间光电跟瞄设备固定于光电设备安装台上，并对准平行光管的入瞳。将小孔光阑和CCD探测器分别定位在平行光管的焦面和共轭焦面处。小孔光阑由光源照明，被接收系统接收，CCD探测器用于接收激光发射端发射的激光。根据激光能量大小，在激光发射机前添加透射式激光衰减片，其衰减倍率需要在试验现场根据多光轴标校装置内部相机的图像响应来确定。此外，激光发射端所发射的激光有1064 nm和635 nm两种，1064 nm激光能量密度较高，635 nm激光功率密度较低，故本文在分光衰减系统中设计了一个双五棱镜衰减装置，该装置不仅可将目标靶和CCD分别定位在平行光管的焦面和共轭焦面处，还能配合激光衰减片确保激光发射端的高强度激光和低功率激光都能在CCD动态范围内。

3 综合误差分析

任何一套测试系统都存在不可避免的测量误差，为提升本文所设计多光轴标校系统的标校精度，按照系统组成分别对平行光管系统、分光衰减系统、激光衰减片、光电设备安装台等部件进行了误差分析。

3.1 平行光管系统

大口径离轴反射式平行光管系统的主要误差源有3个，分别为面形误差、彗差与像散、焦距加工误差。

3.1.1 面形误差

平行光管面形误差主要是指抛物面的面形误差，当使用波像差对平行光管进行光学质量评价时，可推导出如下平行差计算公式：

其中，∆ω为抛物面的加工允差，D为抛物面口径。

3.1.2 彗差与像散

CCD探测器接收的激光光斑相当于轴外物点的像点，存在着彗差和像散。当孔径光阑位于焦平面上时，主要产生的是弧矢彗差角弥散，其大小为：

其中，(F/#)是F数，即f/D，ω为半视场角，且有ω=d/f，其中d为目标点源半径。

3.1.3 焦距加工误差

平行光管实际焦距与理想值之间有一定的误差，若将小孔光阑与CCD直接定位在平行光管的理想焦面与共轭焦面处会产生光线准直误差。本文使用干涉仪将小孔光阑与CCD分别定位在平行光管的实际焦面与相应共轭焦面处，此时焦距误差对于准直目标点源光线与入射光线汇聚而言不产生多余误差，从而可消除平行光管焦距加工误差带来的测试误差。

3.2 分光衰减系统

分光衰减系统的主要误差源是其各个部件的定位误差，定位不准会导致整体校准精度降低。本文采用“标定+角镜准直”方法来消除分光衰减系统整体的标定误差。

3.2.1 标定

本文标定示意图和标定设备参数分别如图2和表1所示。

图 2 标定系统原理图Fig. 2 Principle diagram of the calibration system

表1 分光衰减系统的测试设备Tab. 1 Test equipment of the spectroscopic attenuation system

标定流程如下：

（1）将装配后的分光衰减系统置于干涉仪前，并搭建干涉测量光路，球面反射镜安装于测量光路中；

（2）粗调干涉仪使其聚焦点对准小孔光阑，调整标准球面镜，使干涉仪经过分光衰减系统共轭光路后被球面反射镜返回的光自准直，并调整标准球面镜使干涉条纹数少于3条，固定标准镜；

（3）调整小孔光阑，使其位于干涉仪的聚焦点位置，通过观察光焦度（Power）判断是否为焦面，观察能透光的两侧极限位置确定中心，并将固定小孔光阑的二维导轨清零；

（4）采用可见光照明小孔光阑，在共轭光路安装激光专用CCD探测器，调整CCD前后位置，使CCD上小孔光阑像的大小和小孔尺寸一致，调整CCD位置，使小孔光阑像位于CCD中心像元上，将CCD位置固定，记录小孔光阑像在CCD中的位置坐标和小孔光阑像的大小。

3.2.2 标定精度

本文标定所采用的标准球面镜的口径D为100 mm，根据公式 α=λ/30D可得，测量精度所对应的角度偏差为α= 0.04″，完全满足多光轴标校系统的标定精度要求。

3.2.3 角镜准直

在标定后的测试过程中，可将角镜放置于接收系统旁，根据角镜自准直的特点，测试小孔光阑在CCD上的像元位置，则最终可消除分光衰减系统共轭光路的标定误差。

3.3 激光衰减片

激光衰减片的主要误差源有2个，分别是制造误差和热变形。

3.3.1 制造误差

激光衰减片因制造误差而产生的楔角α会引起光线平行差，从而影响质心的提取误差。实际测试中激光垂直衰减片入射，故激光衰减片制造误差所产生的标校误差为：

显然激光衰减片制造误差的影响具有对称性，故本文采取旋转衰减片的方式来去除该误差的影响。分别测试衰减片处于0°和180°的位置，并对100次测量结果取平均值，则可认为完全消去了制造误差的影响。

3.3.2 热变形

激光衰减片在工作时会吸收激光能量而产生热变形，主要引起质心的提取误差。

目前尚未发现合适的抑制激光衰减片热变形影响的方法，但通过实测发现，激光在衰减片上的热变形量随时间增长而增大，在3 min后保持平衡，最大变形量小于0.05λ，而且通过旋转衰减片也不能去除此项偏差。经Zemax仿真分析表明，此项误差为0.1″。

3.4 光电设备安装台

可通过调节光电设备安装台的俯仰角与方位角使空间光电跟瞄系统的某分系统接收器中心与平行光管焦线对准，从而确定基准光电系统的光轴。若存在调整误差，则无限远目标点源便无法精确成像在基准光电系统的焦点处。

本文利用基准光电系统探测器的读数来确定基准光轴与平行光管焦线的空间相对位置，该方法可去除光电设备安装台所产生的光轴标校误差。

4 测量实验与结果

本文以通信技术试验卫星3号的光电跟瞄主机正样为测试对象，进行了实验室环境和真空环境下的激光测量分系统收发平行度测试，以验证多光轴标校系统的精度和可行性。

4.1 实验室环境测试

4.1.1 测试流程

根据型号测试要求，对空间光电跟瞄主机正样进行实验室环境测试，测试图如图1所示，测试流程如下。

（1）将空间光电跟瞄主机正样安装在光电设备安装台上，对准平行光管入瞳，并将小孔光阑和CCD探测器分别定位在平行光管的焦面和共轭焦面处；

（2）利用经纬仪找到小孔光阑代表的视轴，调整激光测量分系统使其0°视场和小孔光阑一致，使测试系统和被测试系统对准，并在激光发射机前加衰减片；

（3）利用可见光源照明小孔光阑，通过在激光发射机和宽视场相机中间放置角镜，测试返回光在CCD上的质心位置，角镜旋转180°，记录光斑位置，两个位置取平均值消除角镜误差的影响；

（4）激光发射机发射激光，观察激光在标校装置CCD上的位置，调整使其位于中心，调整CCD的增益，暗噪声，去除本底噪声，测试激光发射机在标校装置CCD上的质心位置，记录采样区域起始点位置，激光聚焦点质心位置；

（5）分别测试衰减片0°和180°位置，取100次测量的平均值；

（6）通过照明小孔光阑，使APD感光，通过二维平移台扫描小孔光阑，得出平移量和APD信号的对应关系，拟合得到接收系统的视轴，最终完成测试，测试结果如表2所示。

表2 实验室环境下的测试结果Tab. 2 Test results in a laboratory environment (″)

4.1.2 多光轴标校系统测试精度分析

在收发平行度标定过程中，主要存在系统误差和随机误差。

4.1.2.1 系统误差

采用本文给出的抑制误差影响措施后仍有较大的残留误差项。

(1)平行光管面形误差：本文使用的平行光管口径为600 mm，焦距为12000 mm，视场角小于0.1°，波前RMS优于1/15λ，经计算面形误差对光轴对准带来的影响小于0.14″，故令θ1= 0.14″；

(2)平行光管定焦面误差：本文定焦面方法的定焦误差为1.07 mm，接收系统和激光发射机的距离为534 mm，经计算离焦对光轴对准带来的影响为0.822″，故令θ2= 0.822″；

(3) CCD光斑定位误差：对于激光发射器，CCD像元尺寸为9 μm，本文采用了1/10像元细分技术，经计算，激光发射器光轴对准精度优于0.015″，故令θ3= 0.015″；

⑷ CCD焦面倾斜：对于多光轴标校系统，其CCD焦面倾斜主要通过自准直来调整，本文所采用自准直调整的整体误差小于0.2°，而整个焦面的长度为36 mm，经软件计算知，在整个长度范围内因焦面倾斜引起的光轴偏差为0.023″，故令θ4=0.023″；

(5)激光衰减片热变形：激光衰减片热变形产生的误差为0.1″，故令θ5= 0.1″；

(6)接收系统光阑中心扫描误差：接收系统视场光阑中心是通过多光轴标校装置的小孔光阑平移扫描的，而小孔光阑的扫描精度为0.03 mm，对应接收视场光阑的扫描精度为0.003 mm，焦距为1300 mm，经计算，接收系统光轴对准精度优于0.516″，故令θ6= 0.516″；

(7)软件质心计算误差：本文计算质心采用的是Spiricon公司的软件，该软件的测量精度优于一个像元，对应偏差为0.155″，故令θ7= 0.155″；

(8)激光光斑不均匀性误差：本文所采用激光器的光斑近似高斯分布，其对质心计算的影响很小，可认为优于0.002″，故令θ8= 0.002″。

4.1.2.2 随机误差

随机误差主要有两项，分别为激光发射机的指向抖动误差和能量分布误差。根据白俄测量结果，这两项误差综合预估值优于0.6″，故令θ9=0.6″。

综上，实验室环境下多光轴标校系统的随机误差θ为：

收发平行度标定误差δ为：

4.2 真空环境测试

空间光电跟瞄主机正样的真空环境测试流程与实验室环境测试流程大致相同，不同点在于真空测试环境下，平行光管系统位于真空罐内，而分光衰减系统位于真空罐外。由于实际测试需要，真空罐内平行光管的焦距是10500 mm，而不是12000 mm，测试设备和测试结果分别如图3和表3所示。

图 3 真空环境测试设备Fig. 3 Test equipment under vacuum environment

表3 空间光电跟瞄系统的真空环境测试结果Tab. 3 Test results of space photoelectric tracking and aiming system in a vacuum environment (″)

相对于实验室环境，真空环境的多光轴标校不确定性增量主要由平行光管面形变化、焦距变化以及真空罐内振动所引起。在这3种因素影响下，真空环境相对于实验室环境有不同的误差源，如下：

(1)平行光管面形误差：根据工程经验，波前RMS优于1/15λ的平行光管在真空影响下的波前RMS仍优于1/10λ，经计算面形误差对光轴对准带来的影响小于0.2″，故令θ1′ = 0.2″；

(2)平行光管定焦面误差：真空环境所采用的平行光管焦距为10500 mm，经计算在此变化下离焦对光轴对准带来的影响为1.07″，故令θ2′ = 1.07″；

(3) CCD光斑定位误差：将平行光管焦距从12000 mm变为10500 mm后，激光发射器光轴对准精度优于0.017″，故令θ3′ = 0.017″；

(4)随机误差：多光轴标校中由振动带来的随机误差主要影响各器件入射光线的变化，这些变化的影响可由本文提出的各项措施抑制或消除，故仍可认为随机误差预估值优于0.6″，即令θ9′ =0.6″。

真空环境下其余误差的影响相较于实验室环境变化不大，故可认为真空环境下多光轴标校系统的随机误差θ′为：

收发平行度标定误差δ′为：

4.3 多光轴标校精度验证

对多光轴标校系统的误差分析结果表明，该系统同时满足实验室环境和真空环境下1.5″的多光轴标校精度要求。为验证该分析结果的正确性，将图1与图3中的空间光电跟瞄系统反转放置后再进行测试。反置后的跟瞄主机各光轴位置颠倒，则在平行度测试中，系统误差方向改变。反置后的跟瞄系统收发平行度测试数据如表4所示。

表4 反置后的跟瞄系统实验室环境与真空环境收发平行度测试数据对比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，本文误差分析结果正确，即本文设计的多光轴标校系统完全满足1.5″的多光轴标校精度要求。

4.4 相似系统精度统计

目前公开的涉及真空环境下多光轴平行性标校的设备较少，本文将几款同样以离轴反射式平行光管作为主要部件的多光轴标校系统的测试精度统计如表5。

表5 同类多光轴平行性标校设备的标校精度统计表Tab. 5 Calibration accuracy statistics of similar multiaxis parallelism calibration equipment (Unit: ″)

此外，本文还调研了传统的以离轴反射式平行光管作为主要部件的多光轴标校系统。如2015年由刘亚辰、张新磊等[27]人研制的多光轴标校系统，其标校精度如下：方位方向为2.8″、俯仰方向为4.4″；2007年由黄静、刘朝晖等人研制的多光轴标校系统的标校精度为4.05″[28]。而空间光电跟瞄系统要求多光轴标校系统满足1.5″的多光轴一致性检测精度要求。在此要求下，本文设计的多光轴标校系统最佳。

5 结 论

本文针对空间光电跟瞄系统在真空环境下的多光轴平行性测量问题，设计了一套多光轴标校系统。然后对该系统进行了详细的误差分析，并给出了相应抑制误差影响的方法。最后对通信技术试验卫星3号的光电跟瞄主机正样进行了实验室环境和真空环境下的技术测试，给出了多光轴标校系统在两种测试环境下的测试结果、误差源以及标校精度，并对标校精度进行了验证。最终结果表明：本文设计的多光轴标校系统在实验室环境下的标校精度为0.998″，收发平行度标定误差为1.165″；在真空环境下的标校精度为1.219″，收发平行度标定误差为1.359″。完全满足空间光电跟瞄系统1.5″的多光轴检测精度要求。