大口径光电探测系统不同仰角下波像差室内检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学检测与光学测量领域，特别涉及一种大口径光电探测系统不同仰角下波像差室内检测方法。
【背景技术】
[0002]伴随地基光电探测系统中主光学系统口径不断增大，光电探测系统跟踪成像过程中大口径主光学系统仰角改变将对其光学性能稳定性产生较大影响。相关仿真与实验表明，当光学系统口径接近3m，其仰角由水平(0°)变化至天顶(90°)所引发的面形变化约达到入/11(1?^，人=632.811111)以上，由仰角变化引发的离焦量超过17111111，光轴动态指向误差超过
0.01°。作为光学性能稳定性的两个方面，成像质量及光学参数的稳定性直接影响成像分辨力与测量精度。目前大口径光电探测系统大多通过加装自适应光学系统对上述波前像差与大气扰动引入的综合波前畸变进行自适应矫正，但受限于自适应光学系统动态矫正速度与矫正范围之间的矛盾，需要确保光学系统综合波前变化量在矫正范围内方可保证光电探测系统的成像质量。而上述不同仰角下重力引发的系统波前畸变多为量级较大的低频波前误差，需要在自适应光学系统加装前予以测量和验证并控制在一定范围内。
[0003]目前用于系统波像差检测的大口径平面反射镜、平行光管自准直干涉检测法，或子孔径拼接干涉检测法均难以适用于不同仰角下大口径光电探测系统波前检测。为此，本发明提出了一种基于子孔径波面斜率采样测量，再重构全口径波前的测量光路布置方案及相应的测试设备技术方案，可用于检测大口径光电探测系统不同仰角下的系统波像差。目前，上述子孔径斜率采样测量原理受制于采样密度、系统构型等所限，至今仍无法完全取代全口径干涉检测或室外观星检测，其目前存在的主要局限性包括:
[0004](I)子孔径扫描过程中自身的倾斜误差难以控制，目前的技术思路大多通过提高机械扫描系统的运动精度、定位精度等被动降低该项误差。由此导致仪器体积、重量大幅增加。而受由此引起的采样累积误差所限，子孔径采样密度难以提高、子孔径倾斜误差的抑制残差仍不满足到波前重构的精度需求。
[0005](2)子孔径扫描过程中，受气流扰动、非等相位振动等环境误差影响，子孔径斜率存在随机测量误差，相当于在最终重构的波前中附加了一个随机误差本底，对波前信息中的中高频部分带来较大的测量误差。
[0006](3)为保证扫描精度，目前的测量装置大多体积重量庞大，不易实现不同仰角下使用，灵活性与适用性均较差。
【发明内容】
[0007]为解决目前大口径、甚大口径光电探测系统在工程研制过程中，系统成像质量及其稳定性难以定量、客观评价的工程难题，基于目前的子孔径斜率扫描并重构全口径波前的基本方法，本发明提供一种大口径光电探测系统不同仰角下波像差室内检测方法。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下:
[0009]—种大口径光电探测系统不同仰角下波像差室内检测方法，在检测光路上依次设置有:目标靶板与照明系统；带有可变光栏的小口径准直光学系统;第一折转分束棱镜;第二折转分束棱镜;测量头部第三折转分束棱镜;测量头部第一分束棱镜;第二分束棱镜;第一光电自准直仪;第三分束棱镜;第二光电自准直仪；
[0010]该方法包括以下步骤:
[0011 ] (I)、控制待测光电探测系统转动俯仰轴系至一固定俯仰角，并锁紧该轴系保证测量过程中俯仰轴稳定；
[0012](2)、目标靶板与照明系统中的激光光源经空间滤波器后照明目标板上的星点目标，并经带有可变光栏的小口径准直光学系统准直为小口径平行光束照射进入第一折转分束棱镜；
[0013](3)、第一折转分束棱镜将入射光分为两束，其中一束折转90°后照射进入待测光电探测系统，并由其CCD接受成像；
[0014](4)、经第一折转分束棱镜分束的另一路小口径平行光照射进入第二折转分束棱镜并分为两束，其中一束折转90°后照射进入待测光电探测系统作为参考光束，当高速机械快门开启时，由待测光电探测系统中的CCD探测器接收对应的星点像，并经图像处理后记录像点的二维坐标；
[0015](5)、另一束照射进入测量头部，作为测量光束，经测量头部第三折转分束棱镜、测量头部第一分束棱镜分束后照射进入待测光电探测系统；当对应的测量头部高速机械快门开启时，由待测光电探测系统中的CCD探测器接收对应的星点像，并经图像处理后记录像点二维坐标；
[0016](6)、经测量头部第三折转分束棱镜分束的另一束小口径平行光束直接由第一光电自准直仪接收，并测量得到子孔径扫描位置相对初始位置间由y向扫描位移台、z向扫描位移台的机械运动误差引起的扫描头部绕z轴和绕X轴的转动；
[0017](7)、经测量头部第一分束棱镜分束的另一束小口径平行光束经第二分束棱镜、第三分束棱镜后照射进入第二光电自准直仪，由第二光电自准直仪直接测量出子孔径扫描位置相对初始位置间由y向扫描位移台、Z向扫描位移台机械运动误差引起的扫描头部绕y轴的转动；
[0018](8)、完成上述(I)?(7)步测量步骤后，由综合电控系统记录对应该处扫描子孔径的测量数据包括:步骤(3)中由待测系统记录的像点二维坐标、步骤(4)中由待测系统CCD记录的像点二维坐标、步骤(5)中由待测系统CCD所记录的像点二维坐标，以及步骤(6)、步骤
(7)中由两台光电自准直仪分别记录的角度值、y向扫描位移台和z向扫描位移台中直线光栅所反馈的子孔径采样点二维坐标;上述各测量数据将作为超定方程组中的一组数据记录在数据处理与解算系统的测量数据库中；
[0019](9)、由综合电控系统控制y向扫描位移台和z向扫描位移台分别步进，使测量子孔径移动至光瞳面内的下一采样测量位置，再次重复上述测量步骤(I)?(7)后将另一组测量数据记录在测量数据库中；
[0020](10)、完成覆盖待测光电探测系统;整个光瞳面的子孔径扫描后，由数据处理系统调用上述各测量位置所记录的各组测量数据，连同事先输入的待测光电探测系统的焦距、相对孔径等光学参数，再依据相应的算法解算超定方程组即可重构待测光电探测系统的波前信息及各项Zernike系数。
[0021]在上述技术方案中，在步骤(10)之后还包括步骤:
[0022](11)、采用子孔径波前相对斜率测量，抑制中低频气流扰动引起的波前重构误差；第二折转分束棱镜高速机械快门开启，测量头部高速机械快门关闭，此时小口径准直光束经测量光路后由待测光电探测系统CCD记录一个星点像的二维坐标;之后第二折转分束棱镜高速机械快门关闭，测量头部高速机械快门开启，则待测光电探测系统CCD再次记录另一个星点像的二维坐标。
[0023]在上述技术方案中，在步骤(11)之后还包括步骤:
[0024](12)、完成上述测量步骤后，待测光电探测系统的俯仰轴系旋转至下一测量角度并重复上述扫描测量步骤。
[0025]本发明具有以下的有益效果:
[0026](I)本发明的大口径光电探测系统不同仰角下波像差室内检测方法，主要用于大口径光电探测系统不同仰角下波像差检测，可以实现不同仰角下成像质量及其稳定性定量评价。目前对于系统波像差检测仅能实现水平测量，对于其它仰角的成像质量只能理论估算或通过室外观星验证。理论估算存在较大误差，而室外观星方法受观测条件、室外环境扰动等条件所限存在较大的随机误差，不易获得准确和稳定的测量结果。而且室外观星试验需要在光电探测系统全部集成完毕后才可进行，如果自适应光学系统不足以补偿像质波动，则需要回到主光机系统装调的技术状态，再次反复调试。而本发明可在室内进行像质检测，测量环境、目标特性均人为可控，且精度与重复性较高。此外采用本发明的测量装置可在主光机装调阶段实施检测，满足整体研制流程对测试的需求。
[0027](2)本发明的大口径光电探测系统不同仰角下波像差室内检测方法，提出子孔径测量、子孔径倾斜误差监测、气流扰动误差抑制的一体化光路布置方案，可以有效提高单个子孔径的测量精度。这样就可降低整个扫描过程的累积误差，有助于提高采样密度并获得接近干涉检测的分辨率，大大提高子孔径波面斜率采样再重构全口径波前这一基本测量方法的适用范围。
[0028](3)本发明的大口径光电探测系统不同仰角下波像差室内