大型光学系统微振动抑制光轴指向稳定性精度测试方法

本发明涉及光学测试，特别是涉及一种大型光学系统微振动抑制光轴指向稳定性精度测试方法。

背景技术：

1、大型光学成像望远镜在地球科学、天文科学、军事应用以及民用生产等众多领域发挥着重要作用，且在环境监测、地球辐射监测、以及深空探测等方面有着广阔的应用前景。成像是光学系统最主要的功能之一，随着对成像清晰度的需求越来越高，对光学望远镜的稳定性要求也随之提高，微振动是影响光学系统稳定性的关键因素之一，但由于光学成像系统的口径不断增加、焦距不断增长，光学系统整体所包含的组件、后端设备越来越多，如姿态调节驱动机构，制冷散热设备、图像稳定机构等，对于长焦距、大口径、高图像分辨率、超长积分时间的大型望远镜装备而言，任何微小的振动都可能使其光轴指向稳定度超过指标要求。这些设备在开机工作时，难免会引起轻微振动，使光学系统各光学元件产生不同程度的位移，影响成像光学望远镜系统的光轴指向，导致其光轴指向稳定度超过指标要求，造成获取图像抖动、扭曲和重叠，进而成像质量下降，因此，在大型望远镜研制过程中需要保证光学系统的光轴指向满足一定精度要求。

2、在大型光学成像望远镜等光学系统设计及研制过程中，为了抑制微振动产生的影响，常采用微振动抑制技术以确保获取到稳定清晰的图像，进而保证大型光学望远镜在实际工作中获取有效的数据。常用的微振动抑制技术主要有三类：扰动源设备隔振、光学载荷整体隔振以及微振动传递路径优化抑制；在大型光学成像望远镜开展实际工作前，需要对其自身的微振动抑制能力进行测试及验证，当其光轴指向稳定性精度满足要求之后，才能保证后续观测工作的顺利开展。

3、综上所述，大型光学望远系统的光轴指向稳定性直接关系到大口径光学望远镜是否能清晰的图像，微振动抑制是保证光学系统成像稳定性的一个重要措施，因此，在光学成像系统正式工作前，通过测试光轴指向稳定性精度验证其微振动抑制能力是十分必要的，因此开展大型光学望远镜系统的光轴指向稳定性精度相关测试方法及测试装置的研究。目前光学系统光轴指向稳定性精度测试相关方法较少，现有一些光轴标定方法，通过在待测系统加装基准棱镜代表光轴指向，利用高精度经纬仪对基准棱镜进行瞄准确定光轴指向，但并不是对光轴指向的稳定性进行检测，此种方法在一定程度上实现了对光轴指向的测试，但是面对光轴指向的稳定性精度测试需求，仍存在一定不足。如果大型光学成像望远镜的光轴指向稳定性不能够保证，在利用该系统进行观测时，影响观测效果，在对大型光学成像望远镜的光轴指向稳定性精度进行测试及验证，且当精度满足设计要求之后，才能保证后续观测等工作的顺利开展。

4、目前常用方法不能完全满足光学成像望远镜光轴指向稳定性精度的测试需求，适用性不足，因此开展研究测试精度高、适用性强的光学成像望远镜光轴指向稳定性精度测试方法及装置。

5、申请号为201910637903.3的中国专利公开了一种适用于精密光电设备的装机光轴一致性标校方法，该方法适用于精密光电设备的装机光轴一致性的标校，其可利用经纬仪、大口径平行光管和专用工装等实现对精密光电设备装机光轴的一致性保证，可有效地解决原有技术状态下，不同批次、台套设备的装机光轴指向偏差，可避免复装或者换装同类设备后需要重新联合标校运输载体所有设备装机光轴的问题。

6、上述专利主要为保证光电设备运输前后的光轴一致性问题开展相关研究与设计，但该方法及装置不完全适用于大型光学望远镜的微振动光轴指向稳定性精度测试工作，面对大型光学成像系统光轴指向稳定性精度测试需求该方法的适用性及通用性不足。

技术实现思路

1、为了解决以上技术问题，本发明提供一种大型光学系统微振动抑制光轴指向稳定性精度测试方法，包括以下步骤：

2、s1、在平台上依次间隔同轴设置光源、星点、光管、光学成像望远镜以及成像探测器，光管位于光学成像望远镜的进光口处，星点位于光管的焦面中心视场位置处，成像探测器位于光学成像望远镜的像面位置处；光管的口径小于光学成像望远镜的口径，且大于光学成像望远镜口径的三分之二；

3、s2、在光管外壁靠出光口一端安装第一棱镜，在光学成像望远镜外壁靠进光口一端安装第二棱镜；

4、s3、分别调整第一棱镜和第二棱镜的位置，使第一棱镜的光轴指向与光管的光轴指向一致，第二棱镜的光轴指向与光学成像望远镜的光轴指向一致；

5、s4、利用第一经纬仪对第一棱镜进行瞄准，利用第二经纬仪对第二棱镜进行瞄准，接着调整光管的位置，使光管与光学成像望远镜保持光轴一致；

6、s5、第一经纬仪与第二经纬仪互瞄，建立基准关系；

7、s6、固定第一经纬仪与第二经纬仪，分别对第一棱镜和第二棱镜的光轴指向进行监测，保证第一棱镜和第二棱镜视场一致；

8、s7、在光学成像望远镜上设置若干微振动激励器，分别用于模拟实际工作时其他设备对光学成像望远镜造成的微振动；

9、s8、固定光管位置，打开光源，关闭所有微振动激励器，大型光学望远镜对无穷远目标进行接收，成像探测器获得初始时刻无穷远目标的像斑位置；

10、s9、打开所有微振动激励器，通过成像探测器分别获得不同时刻无穷远目标的像斑位置，并计算不同时刻像斑位置的变化量；

11、s10、通过像斑位置的变化量以及重复性精度评价大型光学成像望远镜光轴指向稳定性精度。

12、本发明进一步限定的技术方案是：

13、进一步的，步骤s1中，所述平台设置为光学隔振平台。

14、如前所述的一种大型光学系统微振动抑制光轴指向稳定性精度测试方法，步骤s2中，第一棱镜和第二棱镜均设置为尺寸为30mm×30mm×30mm的立方棱镜。

15、如前所述的一种大型光学系统微振动抑制光轴指向稳定性精度测试方法，步骤s7中，微振动激励器设置为4个。

16、如前所述的一种大型光学系统微振动抑制光轴指向稳定性精度测试方法，步骤s8中，成像探测器获得初始时刻无穷远目标的像斑位置具体包括以下分步骤：

17、s8.1、通过成像探测器获取像斑灰度图像，利用中值滤波对图像进行去噪，得到去噪后的像斑灰度图像；

18、s8.2、采用高斯函数对像斑灰度图像进行灰度拟合，初步确定像斑的质心；

19、s8.3、计算像斑的精确质心位置，得到初始时刻像斑的中心坐标。

20、如前所述的一种大型光学系统微振动抑制光轴指向稳定性精度测试方法，步骤s8.1中，通过下式对图像进行去噪，

21、f(i，j)＝median{f(i-r，j-f)，.....，f(i+r，j+r)}   (1)

22、其中，i，j分别表示像斑在成像探测器上的横坐标和纵坐标，r表示滤波尺度，f(i，j)表示去噪后的像斑灰度。

23、如前所述的一种大型光学系统微振动抑制光轴指向稳定性精度测试方法，滤波尺度r设置为3。

24、如前所述的一种大型光学系统微振动抑制光轴指向稳定性精度测试方法，步骤s8.2中，通过下式，采用高斯函数对像斑灰度图像进行灰度拟合，利用高斯函数计算目标，并采用最小二乘拟合，计算得到使σ值最小时的参数，初步确定目标的质心(a，b)，

25、

26、其中，a表示固定系数，σ表示高斯函数的均方差，gguass(a，b)表示目标的像元灰度。

27、如前所述的一种大型光学系统微振动抑制光轴指向稳定性精度测试方法，步骤s8.3中，通过下式计算像斑的精确质心位置，得初始时刻成像探测器上像斑的中心坐标(x0，y0)，

28、

29、

30、其中，r(i，j)表示每个像素点的灰度值，d表示(i，j)到(a，b)的欧氏距离，(x0，y0)表示初始时刻像斑的中心坐标。

31、如前所述的一种大型光学系统微振动抑制光轴指向稳定性精度测试方法，步骤s9中，通过公式(1)至(4)获得不同时刻无穷远目标的像斑位置的坐标(x1，y2)，...，(xn，yn)，并通过下式分别计算出不同时刻像斑位置的变化量，

32、

33、其中，θ表示光轴偏移的角度，(x1，y2)，...，(xn，yn)表示当前状态下的像斑坐标。

34、本发明的有益效果是：

35、(1)本发明中，主要面向大型光学成像望远镜地面测试阶段，为保证其成像质量，开展光轴指向稳定性精度测试，为实现光轴指向稳定性精度测试，以大口径平行光管为测试提供无穷远测试光束，配合隔振平台、星点目标、光源、微振动激励器、立方棱镜、经纬仪、成像探测器等设备，搭建实现大型光学成像望远镜光轴指向稳定性测试的装置与系统；

36、针对实际待测系统的特点与测试难点，进行测试方法及装置的设计，星点目标的大小不超过5μm；平行光管的口径至少覆盖待测系统口径的三分之二，以保证待测目标的能量足够被光学系统像面的探测器有效接收；进一步的利用微振动激励器模拟光学系统实际开机工作振动状态，在不同时刻，多次记录同一视场下像斑的位置，通过探测器上接收到的像斑，提取像斑质心坐标，计算像斑在不同维度的偏移量，进而完成光轴指向精度测试计算实际像斑与理想像斑成像位置的差异，最终判断光学系统的光轴指向稳定性精度；

37、本发明方法还可灵活应用于多种不同结构形式的大型光学成像望远系统光轴指向稳定性精度测试，具有通用性强、测试精度高的特点。