[发明专利]一种像旋运动光学目标模拟装置

说明书

本发明公开了一种像旋运动光学目标模拟装置，其具体包括目标模拟装置基座、扭摆台，其中，所述目标模拟装置基座的上部并排固连有三个安装架，每个所述安装架内均固定有一块分划板，每块所述分划板上均刻划有不同几何特征的星点，且所述扭摆轴带动三块所述分划板往复扭摆运动；模拟装置包括三套均匀照明光学系统三块，所述分划板的像分别通过一组耦合物镜组件和光纤成像束组件传输至所述耦合物镜组件前端的准直光学系统中，并通过三个所述准直光学系统将成像投影至模拟装置前端的待测光电成像系统的不同视场。本发明提出基于同源运动目标模拟，再通过传像光纤束分路耦合的方法，解决目前大视场像旋目标运动不同步，以及运动规律不一致的技术问题。

技术领域

本发明涉及光学检测与光学测量技术领域，尤其涉及一种主要应用于空间天文望远镜测试与评估的同源、高频像旋运动光学目标模拟装置。

背景技术

空间天文望远镜是指搭载于卫星平台之上，用于对宇宙中各类天文现象进行成像和测量的一类空间光学载荷。例如人们熟知的哈勃望远镜、赫希尔望远镜、开普勒望远镜等都属于典型的空间天文望远镜。空间天文望远镜不同于对地遥感系统采用推埽连续摄影成像方式，而采用具有一定曝光时长的拍照成像方式。为了获得早期宇宙的恒星图像、提高望远镜的探测深度，上述空间天文望远镜大多需要通过较长的曝光时间，使得探测器可充分接收来自遥远星系的光学信号。例如哈勃望远镜的极限曝光时长达到45小时。在曝光时长内影响成像质量的关键因素在于拍照主体相对于被摄物之间是否存在光轴方向的相对运动。而由于空间天文望远镜一般运动在地球同步轨道上，受地球自转等因素影响，其相对遥远星空目标之间的相对运动不可避免。为此星载空间天文望远镜一般搭载有专门的稳像系统，可以探测并补偿上述相对运动引起的光轴指向误差。这种长时间曝光拍摄过程中拍摄主体相对于目标之间的相对运动补偿残差，一般通过光轴稳定度误差(简称稳像精度)进行评价。稳像精度的定义指空间望远镜光轴在补偿后，相对于目标沿三个旋转维度的相对转动角度。即光轴在整个曝光时长内沿俯仰角、方位角、滚转角的相对转动角度的最大值。

受空间光学载荷工作环境特殊性和难以维修性所限，一般需要对其中的各项技术指标和关键性能进行地面验证。其中稳像精度是空间天文望远镜进行地面试验验证的关键项目。而光轴绕方位角和俯仰角的补偿精度一般可以通过构建连续平移目标实现，其测试不存在困难。但空间载荷的光轴绕其自身回转运动(即像旋运动)的补偿精度一般难以测试，其主要原因在于如下3方面。

(1)空间天文望远镜焦距长、视场大、口径大，与之匹配的光学准直系统难以做到光学参数完全匹配，一般仅能实现焦距和口径匹配而难以实现大视场。这就需要采用多路准直系统采用空分模拟的方法，保证模拟运动目标的时间同步。如前所述，空间望远镜搭载的光轴运动补偿系统，首先需要测量到光轴相对所拍摄天区的相对运动量，方可反馈至运动执行机构，再通过光学方法实现像旋补偿。因此若要在地面实现像旋补偿精度检测，就需要为布置于视场边缘的稳像测量传感器模拟远场、旋转运动目标。而为了评价补偿机构运动后，实际的像旋补偿效果，还需要为位于空间望远镜中心视场的探测器模拟具有相同运动规律的像旋目标。也就是说用于光学检测的大口径光学准直系统的视场需要不小于待测系统视场。但用于甚大口径、超长焦距的空间天文望远镜检测的光学准直系统难以在确保成像质量的同时兼顾大口径和大视场。这就需要采用多路模拟的方式，通过多个光学准直系统分别为待测的空间天文望远镜的不同视场提供远场目标，但由此就会引发像旋目标运动不同步的技术难题。

(2)针对多路准直系统空分模拟的实际需求，常规的思路是需要在上述多个光学准直系统的焦面单独配置运动目标模拟器。上述目标的运动控制特性需要遵循如下3点原则。1)多个目标需要绕同一旋心旋转；2)多目标运动的角速度需要一致；3)多目标需要在统一的坐标系下运动，并且保证时间同步性。只有满足上述三点，待测的空间天文望远镜“看到”的才是绕同一旋心同步旋转运动的像旋目标，相应的像旋探测与补偿系统才可正常闭环工作并验证其精度。但根据分析，若像旋补偿的精度达到0.01″量级和几十赫兹的运动频率，上述运动的时间同步精度需要达到10^-4s量级，坐标位置同步精度需要达到0.01μm量级。而常规的运动执行机构和控制系统显然难以满足上述指标需求。