[发明专利]一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统

说明书

一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统涉及空间光学和光学测试技术领域，解决了现有同步和稳像精度低的问题，包括平面反射镜、模拟星图系统、快速摆动反射镜和分束系统；模拟星图系统产生的星图像并通过快速摆动反射镜运动调制星图像的运动，然后反射到分束系统并分成N束光束，N束光束均依次进入待测光学望远镜的出瞳、经待测光学望远镜成像、经平面反射镜反射、进入待测光学望远镜的入瞳后成像，N束光束均为球面波且星图像运动方向相同，其中一束光束成像至主成像区的成像探测器上、其他光束成像至稳像系统上。本发明了在避免使用传统平行光管的条件下实现稳像精度定量检测，实现多视场运动目标超高同步精度模拟的积极效果。

技术领域

本发明涉及空间光学和光学测试技术领域，具体涉及一种大视场空间天文望远镜稳像精度检测光路系统。

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。空间天文望远镜与对地观测载荷在成像模式上存在显著不同。对地观测光学载荷搭载于卫星平台，伴随卫星平台围绕地球飞行过程中采用连续推扫成像模式，其成像原理类似于“摄像机”，每一帧的曝光时间一般为毫秒量级。空间天文望远镜为了获得更遥远星系的图像，实现极限探测深度，一般采用凝视成像模式，其工作原理类似于包含快门的“照相机”，其一次曝光的时长达到数百秒至数千秒。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稳定性误差。而将稳像系统补偿后空间光学望远镜光轴指向的稳定度残差定义为“稳像精度”。具体来说，稳像精度的定义是指空间望远镜进行光轴晃动补偿后，相对于目标沿三个旋转维度的相对转动角度，一般从统计平均的角度以角晃动功率谱密度加以定量描述。

稳像精度指标是决定大口径空间天文望远镜在轨状态下实际成像质量的主要技术参数之一，需要在望远镜发射入轨前在地面进行定量测试与评价。地面进行稳像精度测试的关键在于模拟望远镜与远场目标之间的连续光轴晃动，使望远镜成像探测器和稳像系统的图像传感器均可探测并采集由光轴晃动引起的像点位置变化，在稳像系统工作一定时长后，通过对主成像区探测器采集的图像信息进行综合处理，实现稳像精度的定量评价。上述测试的关键在于：

(1)为待测空间天文望远镜中心视场提供具有空间分布的远场(无穷远)光学目标；

(2)为布置于空间天文望远镜两侧边缘视场的稳像系统传感器提供远场光学目标；

(3)光学目标像的角分辨率与望远镜极限分辨率匹配；

(4)三组模拟的光学目标运动特性(例如幅值、速度、轨迹等)反演的角晃动功率谱密度需要与稳像系统的在轨工况吻合，三组目标需要具备高度的运动特性一致性。

基于上述四项测试要点，常规的思路是制造口径、视场与待测空间天文望远镜一致的平行光管，为了保证测试精度和重复性，还需要光管的各视场的成像质量与像质稳定性高于待测空间天文望远镜。现有方案的主要包含如下三方面问题。

(1)空间天文望远镜的口径一般达到2m-4m，焦距达到30m-60m。需要研制口径与之相当、焦距达到3-5倍的平行光管，其研制难度大、研制成本极高、研制周期较长。

(2)空间天文望远镜未来的发展趋势在于提高系统的有效视场，一方面可以布置更多的科学仪器，另一方面可以实现诸如光谱巡天等更加高效的天文观测。而用于稳像系统测控的图像传感器一般布置于视场边缘，这就要求平行光管的视场不小于待测空间天文望远镜的最大仪器视场。而用于地面测试的平行光管一般仅使用中心视场，研制超大视场的平行光管无论从技术风险还是研制成本考虑都极为困难。