一种星敏感器光轴引出机构校准方法与流程

本发明属于专用测试设备计量领域，涉及一种星敏感器光轴引出机构校准方法。

背景技术：

决定星敏感器整机精度水平的因素有很多，其中星敏感器内部关键成像组件间空间装调精度为硬件误差因素的重要部分。老星敏感器光学基准的指向由其安装面相对于镜头安装面的机加精度决定，并不能真实反映光轴指向，精度低且产品一致性差。为实现高精度星敏感器光轴引出，提高关键基准精密装调精度，研制一套星敏感器光轴引出机构，该机构可以实现高精度成像系统的光轴引出、探测器芯片感光面的法线引出、建立光轴与芯片指向之间关系等，该机构的精度直接影响星敏感器精度，因此校准其精度成为重点和难点。

星敏感器光轴引出机构通过准直方式将光轴引出到自准直仪上，再通过二维平移台将立方镜移至自准直仪视场，准直立方镜并指导立方镜安装，通过这种方法建立光学系统光轴指向和立方镜指向的关系。根据不同的位移范围，二维平移台单轴偏摆一般为几秒至几十秒，目前，国家规程尚没有相关规定平移台两轴联动时偏摆误差的校准方法。自准直仪误差一般在2″以内，光轴引出机构的系统误差主要由二维平移台决定，要提高光轴引出精度，必须对二维平移台的指向偏摆进行校准。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用平面反射镜和双向自准直仪，在不进行系统误差解耦的情况下，实现二维平移台移动到任意位置的偏摆测试，同时利用光学角规实现自准直仪的现场校准，最终解决了星敏感器光轴引出机构光轴指向引出精度的校准。

本发明的技术方案是：一种星敏感器光轴引出机构校准方法，包括下列步骤：

(1)利用光学角规和平面反射镜进行自准直仪误差的校准，得到自准直仪的准直测量误差；

(2)在全量程范围内取n个不同偏差角的光学角规m1～mn重复步骤(1)过程，n≥10，其中测量范围在±20″内取不少于5个光学角规，得到n次自准直仪示值误差β1～βn；取所有测量误差中的绝对值最大的作为自准直仪准直误差δ自准直仪；

(3)安装好自准直仪，将平面反射镜放置于二维平移台上，将二维平移台两轴导轨调整至十字交叉形，平面反射镜反射面向上水平放置在二维平移台上，调整平面反射镜与上方的自准直仪准直，锁紧平移台下面的角位移台，自准直仪清零，该位置作为初始零位；

(4)定义横向导轨为x轴导轨；调整x轴导轨至负行程最大点，将x轴导轨从负向往正方向运动，分别按照负行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点，正行程1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点记录自准直仪读数δxi，i＝1…9；max(δxi)－min(δxi)为x轴导轨运动造成二维平移台的指向偏摆误差δ平移台x；

(5)定义纵向导轨为y轴导轨；调整y轴导轨至负行程最大点，将y轴导轨从负向往正方向运动，按照负行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点，正行程1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点记录自准直仪读数δyi；max(δyi)－min(δyi)为y轴导轨运动造成二维平移台的指向偏摆误差δ平移台y；

(6)x轴导轨和y轴导轨同时运动到正向行程所围成的象限区域为第一象限；x轴导轨和y轴导轨同时运动到负向行程所围成的象限区域为第三象限；调整x轴和y轴导轨至负行程最大点，x轴从负向往正方向运动，每次运动的步距sx为x轴正行程的1/4，y轴从负向往正向运动，每次运动的步距sy为y轴正行程的1/4；在x轴负向和y轴负向行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点位置记录自准直仪读数δx负y负j，j＝1，…，5；在x轴正向和y轴正向行程零点、1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点位置记录自准直仪读数δx正y正j；取第一象限max(δx正y正j)－min(δx正y正j)为第一象限x和y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差δ一象限；取第三象限max(δx负y负j)－min(δx负y负j)为第三象限x和y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差δ三象限；

(7)x轴导轨运动到负向行程、y轴导轨运动到正向行程所围成的象限区域为第二象限；x轴导轨运动到正向行程、y轴导轨运动到负向行程所围成的象限区域为第四象限；x轴导轨运动到负向行程最大点，y轴导轨运动到正向行程最大点；将x轴导轨从负向行程最大点往正方向运动，每次运动的步距sx为x轴正行程的1/4，同时将y轴导轨从正向行程最大点往负方向运动，每次运动的步距sy为y轴正行程的1/4；在x轴负向行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点位置记录自准直仪读数δx负y正j；在x轴正向行程零点、1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点位置记录自准直仪读数δx正y负j，j＝1，…，5；取第二象限max(δx负y正j)－min(δx负y正j)为第二象限x和y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差δ二象限；取第四象限max(δx正y负j)－min(δx正y负j)为第四象限x和y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差δ四象限；

(8)取δxi、δyi、δx负y负j、δx正y正j、δx负y正j、δx正y负j中的最大值减去最小值，作为二维平移台指向偏摆示值误差δ平移台；

(9)计算星敏感器光轴引出机构光轴引出误差δ＝δ自准直仪+δ平移台；

(10)用自准直仪和大平面反射镜测试二维平移台指向的重复性；将x轴和y轴导轨调整至零位，记录自准直仪读数l0，移动二维平移台至某固定位置，记录自准直仪读数l1，计算p1＝l1-l0，以此为一个测量循环，重复10组测量，得到p1～pw，w＝1，2，…，10；

(11)计算二维平移台指向重复性引入的不确定度分量u重复性；

(12)计算二维平移台指向偏摆误差引入的不确定度分量u平移台；

(13)计算自准直仪准直误差引入的不确定度分量u自准直仪；

(14)计算温度影响引入的测量不确定度u温度；

(15)测量不确定度合成，计算扩展测量不确定度u，完成星敏感器光轴引出机构校准。

所述步骤(1)中得到自准直仪的准直测量误差的具体过程为：将光学角规、自准直仪、小平面反射镜放置在同一平台上，光学角规位于中间，光学角规主截面和平面镜均垂直于自准直仪视轴；将激光找准器放置在自准直仪上，调整自准直仪底座上的偏摆和俯仰旋钮，使自准直仪的激光找准光束射到光学角规的中心位置并且出射光束和入射光束尽量重合；拿走激光找准器，打开自准直仪测量软件，启动后观察到十字回像；记录自准直仪分别准直光学角规前后两个面时的角度读数β1和β2，计算光学角规偏向角测量值；对比光学角规偏向角的标定值，得出自准直仪的测量误差。

所述步骤(2)的具体误差计算方法如下：光学角规偏向角标定值采用国家计量院计量校准证书上的实测值，测量点误差计算公式如下：

其中，

c为玻璃折射率；

β标为光学角规偏向角的标定值；

β为自准直仪在该点的准直误差。

所述步骤(3)中平面反射镜直径大于两轴导轨中较长导轨行程的3/4，平面反射镜平面度优于0.08μm。

所述步骤(11)的具体实现方法如下：计算测量重复性引入的不确定度分量ua(x)：

其中s(x)为实验标准偏差，计算公式如下：

其中，

为pw，w＝1，2，…，10的平均值；

所述步骤(12)的具体实现方法如下：

二维平移台指向偏摆最大示值误差为δ平移台，k为置信因子，则：

所述步骤(13)的具体实现方法如下：

取自准直仪允许误差mpe允许和上述测量计算得到δ自准直仪中最大值为区间半宽度，a＝max(mpe允许，δ自准直仪)，认为其服从均匀分布，误差以等概率落于估计区间(-a,a)，k为置信因子，则

所述步骤(14)的具体计算方法如下：

温度对自准直仪的影响为每变化1℃，指向变化0.1″，设经充分等温后，温度差落在(-δt～δt)℃范围内，服从均匀分布，则温度误差影响引入的测量不确定度：

所述步骤(15)的具体计算方法如下：测量不确定度分量主要有u重复性、u自准直仪、u平移台、u温度，认为其独立不相关，故测量不确定度合成如下：

所述步骤(15)的具体计算方法如下：

扩展不确定度u由合成标准不确定度uc乘包含因子k得到，按公式计算如下：

u=k*uc

星敏感器光轴引出机构光轴引出误差δ＝δ自准直仪+δ平移台，星敏感器光轴引出机构测量不确定度为u。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)影响星敏感器光轴引出机构光轴引出精度的误差源有很多，主要的误差源是自准直仪和二维平移台。本发明利用光学角规直接开展自准直仪校准，校准测量不确定度可达到0.1″，避免自准直仪外协计量校准，实现自准直仪现场校准。其校准方法不同于光电自准直仪检定规程中光学角规开展自准直仪的透射法和反射法，计算公式不同，本发明使用了光学角规的偏向角通过两次自准直开展校准实现自准直仪校准。将校准完的自准直仪作为标准仪器进行二维平移台指向的校准，可以提高操作性，节省成本。

(2)二维平移台对星敏感器光轴引出机构误差的影响较大，星敏感器光轴引出机构运动到每一个位置都需要两轴导轨共同作用。目前国内外只有对单轴直线导轨偏摆或直线度的校准方法，没有对二轴导轨联动平移台偏摆的校准方法。本方法利用平面反射镜和自准直仪，在不进行系统误差解耦的情况下，实现二维平移台移动到任意位置的指向偏摆校准。

(3)星敏感器光轴引出，没有标准，没有真值，难以评价引出精度。本方法采用测量不确定度评定方法(gum法)，评定了星敏感器光轴引出机构校准结果测量不确定度，表征测量结果的可信程度，在一定程度上反映了星敏感器光轴引出机构的精度。

(4)本发明的一种星敏感器光轴引出机构校准方法属于非接触测量，不会对星敏感器光轴引出机构造成破坏或性能变化，具有良好的安全性和应用性。

附图说明

图1为星敏感器光轴引出机构校准示意图；

图2为星敏感器光轴引出机构校准流程图；

图3为校准位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

(1)利用光学角规和直径φ80mm平面反射镜进行自准直仪误差的校准，得到自准直仪的准直测量误差。将光学角规、自准直仪、小平面反射镜放置同一平台上，光学角规位于中间，光学角规主截面和平面镜均垂直于自准直仪视轴。将激光找准器放置在自准直仪上，调整自准直仪底座上的偏摆和俯仰旋钮，使自准直仪的激光找准光束射到光学角规的中心位置并且出射光束和反射光束尽量重合；拿走激光找准器，打开自准直仪测量软件，启动后观察到十字回像；记录自准直仪分别准直光学角规前后两个面时的角度β1和β2，计算光学角规偏向角测量值；

光学角规偏向角标定值采用国家计量院计量证书上的实测值，测量点误差计算公式如下：

其中，

c为玻璃折射率；

β标为光学角规偏向角的标定值；

β为自准直仪在该点的误差。

(2)在全量程范围内取n个不同偏差角的光学角规m1～mn重复步骤(1)过程，n≥10，其中测量范围在±20″内取不少于5个光学角规，得到n次自准直仪示值误差β1～βn；取所有测量误差中的绝对值最大的作为自准直仪准直误差δ自准直仪；如果δ自准直仪小于自准直仪要求的误差指标，则认为自准直仪满足使用要求，继续后面的校准。否则停止校准，将自准直仪返厂送修。

一等光学角规偏向角偏差的测量不确定度为0.1″，被测自准直仪精度0.5″，利用光学角规的偏向角可以实现对自准直仪的校准，得到自准直仪的示值误差。

(3)用校准完成后的自准直仪和大平面镜校准二维平移台偏摆角，大平面反射镜直径要求为两轴导轨中较长导轨行程的3/4以上。这里大平面镜直径为φ150mm，x轴和y轴导轨行程为±100mm。安装好自准直仪，大平面反射镜反射面向上水平放置在二维平移台上，将二维平移台二轴导轨调整至十字交叉形，如图3所示位置o，该位置为初始零位。调整平面反射镜与上方的自准直仪准直，锁紧平移台下面的角位移台，自准直仪清零。

(4)图3为二维平移台校准位置示意图，p1、p2、p3、p4为二维平移台单轴运动的极限位置，a、b、c、d为二维平移台双轴共同运动的极限位置，通过上述方法，能够测量二维平移台运动至任意位置的二维偏摆角。定义横向导轨为x轴导轨，调整x轴导轨至负行程最大点，将x轴导轨从负向往正方向运动，分别按照负行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点，正行程1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点记录自准直仪读数δxi(i＝1…9)。max(δxi)－min(δxi)为x轴导轨运动造成二维平移台的指向偏摆误差δ平移台x；

(5)纵向导轨为y轴导轨，调整y轴导轨至负行程最大点，将y轴导轨从负向往正方向运动，按照负行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点，正行程1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点记录自准直仪读数δyi(i＝1…9)。max(δyi)－min(δyi)为y轴导轨运动造成二维平移台的指向偏摆误差δ平移台y；

(6)x轴导轨和y轴导轨同时运动到正向行程所围成的象限区域为第一象限；x轴导轨和y轴导轨同时运动到负向行程所围成的象限区域为第三象限。调整x轴和y轴导轨至负行程最大点，x轴从负向往正方向运动，每次运动的步距sx为x轴正行程的1/4，y轴从负向往正向运动，每次运动的步距sy为y轴正行程的1/4。在x轴负向和y轴负向行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点位置记录自准直仪读数δx负y负j(j＝1，…，5)。在x轴正向和y轴正向行程零点、1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点位置记录自准直仪读数δx正y正j(j＝1，…，5)。取第一象限max(δx正y正j)－min(δx正y正j)为第一象限x和y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差δ一象限；取第三象限max(δx负y负j)－min(δx负y负j)为第三象限x和y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差δ三象限；

(7)x轴导轨运动到负向行程、y轴导轨运动到正向行程所围成的象限区域为第二象限。x轴导轨运动到正向行程、y轴导轨运动到负向行程所围成的象限区域为第四象限。x轴导轨运动到负向行程最大点，y轴导轨运动到正向行程最大点。将x轴导轨从负向行程最大点往正方向运动，每次运动的步距sx为x轴正行程的1/4，同时将y轴导轨从正行程最大点往负方向运动，每次运动的步距sy为y轴正行程的1/4。在x轴负向行程最大点、3/4点、中间点、1/4点、零点位置记录自准直仪读数δx负y正j(j＝1，…，5)。在x轴正向行程零点、1/4点、中间点、3/4点、正行程最大点位置记录自准直仪读数δx正y负j(j＝1，…，5)。取第二象限max(δx负y正j)－min(δx负y正j)为第二象限x和y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差δ二象限；取第四象限max(δx正y负j)－min(δx正y负j)为第四象限x和y轴导轨联动造成二维平移台指向偏摆误差δ四象限；

(8)取步骤(4)(5)(6)(7)中所有数据δxi、δyi、δx负y负j、δx正y正j、δx负y正j、δx正y负j最大值减最小值为二维平移台指向偏摆示值误差δ平移台；

(9)计算星敏感器光轴引出机构光轴引出误差δ＝δ自准直仪+δ平移台；

(10)用自准直仪和大平面反射镜测试二维平移台指向的重复性。将x轴和y轴导轨调整至零位，记录自准直仪读数l0，移动二维平移台至某固定位置，记录自准直仪读数l1，计算p1＝l1-l0，以此为一个测量循环，重复10组测量，得到p1～pw(w＝1，2，…，10)；

(11)计算二维平移台指向重复性引入的不确定度分量u重复性，采用测量不确定度a类评定法，因为在单次测试过程中，自准直仪前后准直两次，故

其中s(x)为实验标准偏差，计算公式如下：

其中，

为pw(w＝1，2，…，10)的平均值；

(12)采用测量不确定度b类评定法，计算二维平移台指向偏摆引入的测量不确定度分量u平移台。二维平移台指向偏摆最大示值误差为δ平移台，k为置信因子，则：

(13)采用测量不确定度b类评定法，计算自准直仪准直误差引入的测量不确定度分量u自准直仪。取自准直仪允许误差mpe允许和上述测量计算得到δ自准直仪中最大值为区间半宽度，a＝max(mpe允许，δ自准直仪)，认为其服从均匀分布，误差以等概率落于估计区间(-a,a)，k为置信因子，则

(14)采用测量不确定度b类评定法，计算温度误差影响引入的测量不确定度u温度。温度变化对平面镜的影响非常小，可以忽略不计。温度对自准直仪的影响为每变化1℃，指向变化0.1″。设经充分等温后，温度差落在(-δt～δt)℃范围内，服从均匀分布，则温度误差影响引入的测量不确定度：

(15)测量不确定度合成，计算扩展测量不确定度u。当被测量y由n个其他量x1，x2，…，xn通过线性测量函数f确定时，被测量的估计值y为：

y＝f(x1，x2，…，xn)

被测量的估计值y的合成测量不确定度uc(y)计算公式如下：

式中：

y—被测量y的估计值，又称输出量的估计值；

xi—输入量xi的估计值，又称第i个输入量的估计值；

u(xi)—输入量xi的标准不确定度；

r(xi，xj)—输入量xi与xj的相关系数，r(xi，xj)u(xi)u(xj)＝u(xi，xj)；

u(xi，xj)—输入量xi与xj的协方差；

-被测量y与输入量xi之间的函数对于输入量xi的偏导数。

测量不确定度分量主要有u重复性、u自准直仪、u平移台、u温度，设其独立不相关，故测量不确定度合成如下：

扩展不确定度u由合成标准不确定度uc乘包含因子k得到，按公式计算如下：

u＝k*uc

星敏感器光轴引出机构光轴引出误差δ＝δ自准直仪+δ平移台，星敏感器光轴引出机构测量不确定度为u，完成校准。

下面举例说明校准二维平移台的数据处理过程：