溫中凱，張慶君 ，李 爽 ，雷文平，杜國軍

（1. 南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，江蘇 南京 211106；2. 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094；3. 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

1 引 言

天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)是我國戰(zhàn)略預(yù)警體系的重要組成部分[1]，而空間光電跟瞄系統(tǒng)作為其主要載荷之一，具有在復(fù)雜天空背景下自動識別、捕獲目標(biāo)并進(jìn)行高精度自閉環(huán)光學(xué)跟蹤和高分辨率成像的能力[2]。由于空間光電跟瞄系統(tǒng)集高分辨率成像相機(jī)、寬視場搜索相機(jī)、激光測距發(fā)射機(jī)和激光測距接收機(jī)等多個光學(xué)子系統(tǒng)于一體，必然會產(chǎn)生各子系統(tǒng)間的光軸平行性標(biāo)校問題。而標(biāo)校精度將直接影響空間光電跟瞄系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度，是制約系統(tǒng)最終測量精度和跟瞄性能的關(guān)鍵。

目前國內(nèi)外對多光軸平行性的研究多集中在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和外場環(huán)境兩個方面。國內(nèi)典型研究成果：徐丹慧、謝國兵等人研究了適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的多光軸平行性檢測方法[3-5]；葉露、黃富瑜等人研究了適用于外場環(huán)境的多光軸標(biāo)校系統(tǒng)[6-11]；國外典型研究成果：美國AAI公司研制的校軸設(shè)備ABE-301A[12-13]，德國Carl Zeiss公司研制的武器裝備校軸調(diào)整系統(tǒng)WASVB[14]，瑞典SCHILL公司研制的艦船軸線檢測系統(tǒng)aligner-308[15]，挪威METRONOR公司研制的HarmoLign武器校準(zhǔn)系統(tǒng)[16]，以色列CI公司研制的AWBS武器軸線檢測系統(tǒng)[17-18]等。然而，以上研究均未涉及真空環(huán)境下多光軸平行性標(biāo)校技術(shù)，究其原因主要有三個方面：一是太空環(huán)境下，多光軸光電系統(tǒng)與觀測目標(biāo)的距離動輒數(shù)百公里，常需要系統(tǒng)具有不同功率的激光穩(wěn)定地追蹤目標(biāo)，從而要求多光軸標(biāo)校系統(tǒng)具有同時響應(yīng)不同波長激光的能力，對多光軸標(biāo)校系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求較高；二是在太空尺度下，極小的多光軸標(biāo)校誤差也會放大到不能接受的地步，從而要求空間多光軸光電系統(tǒng)具有極高的光軸一致性精度，一般的標(biāo)校設(shè)備無法滿足；三是真空環(huán)境不同于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和外場環(huán)境，其對整個多光軸標(biāo)校過程的環(huán)境要求極高，不僅要求測試平臺在整個測試期間保持儀器設(shè)備處在小于1Hz級別的檢測環(huán)境中，還要求真空度極高的真空空間來模擬空間環(huán)境。

本文基于空間光電跟瞄系統(tǒng)的多光軸一致性檢測要求，設(shè)計(jì)了一套多光軸標(biāo)校系統(tǒng)。對該系統(tǒng)進(jìn)行了詳盡的誤差分析，并給出了去除核心分系統(tǒng)誤差影響的方法。同時對通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星三號的光電跟瞄主機(jī)正樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與真空環(huán)境下的技術(shù)測試，給出了測試結(jié)果，分析了多光軸標(biāo)校系統(tǒng)在兩種測試環(huán)境下的誤差源與標(biāo)校精度，并對標(biāo)校精度進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 多光軸標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空間光電跟瞄系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對空間目標(biāo)的跟蹤成像與瞄準(zhǔn)，為減小噪聲、提高系統(tǒng)性能，其激光束散角和接收鏡頭視場角都很小。故為保證系統(tǒng)能夠有效工作，要求各單機(jī)光軸必須擁有極高的平行度裝調(diào)一致性。通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星三號要求其空間光電跟瞄主機(jī)具有1.5″的多光軸檢測精度。

目前常用的多光軸平行性檢測方法有投影靶法[19]、激光光軸儀法[20]、上轉(zhuǎn)換板檢測法[21]、慣性測量法[22]、五棱鏡法[23]、相交校靶法、攝影測量法[24]、小口徑平行光管法[25]、大口徑平行光管法[26]等。投影靶法易受氣候和場地條件限制, 自動化程度低且隨機(jī)誤差較大；激光光軸儀法裝配難度大且專用性強(qiáng)，常用于檢測望遠(yuǎn)鏡兩鏡筒的光軸平行性；上轉(zhuǎn)換板檢測法僅適用于特定波段的檢測，且上轉(zhuǎn)換材料制備的不均勻性會產(chǎn)生附加誤差；慣性測量法對陀螺儀的安裝精度要求很高，校準(zhǔn)過程不直觀，且整體校準(zhǔn)精度不高；五棱鏡法中五棱鏡的移動會導(dǎo)致其特征方向發(fā)生變化，會對測量結(jié)果產(chǎn)生隨機(jī)性的附加誤差；相交校靶法在進(jìn)行光軸標(biāo)校時容易受到環(huán)境的影響，校準(zhǔn)精度不高；攝影測量法成本較高，且多光軸檢測精度不高；小口徑平行光管法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，誤差環(huán)節(jié)多，整體精度較低。以上方法均無法滿足空間光電跟瞄系統(tǒng)的高精度檢測要求。

大口徑平行光管法誤差環(huán)節(jié)少、檢測精度高，可在全波段進(jìn)行測試且沒有色差?？蔀榭臻g光電跟瞄系統(tǒng)建立一個既包含可見光又包含近紅外激光的測量基準(zhǔn)，保證空間光電跟瞄系統(tǒng)可見光和近紅外激光都能被探測器所接收。此外，為去除傳統(tǒng)拋物面系統(tǒng)中心遮攔的影響，保證較高的像面照度，本文選擇大口徑離軸反射式平行光管作為多光軸標(biāo)校設(shè)備的主要部件設(shè)計(jì)了一套多光軸校準(zhǔn)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 多光軸標(biāo)校系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 The structure of the multi-axis calibration system

該系統(tǒng)主要由大口徑離軸反射式平行光管系統(tǒng)、分光衰減系統(tǒng)、激光衰減片、光電設(shè)備安裝臺等部件組成。

大口徑離軸反射式平行光管系統(tǒng)主要由離軸拋物面主鏡和次鏡兩個反射式光學(xué)元件構(gòu)成，其主要作用是為空間光電跟瞄系統(tǒng)提供無限遠(yuǎn)目標(biāo)以及將激光成像在CCD探測器上。

分光衰減系統(tǒng)主要由45°反射鏡，雙五棱鏡、CCD探測器、小孔光闌、二維平移臺、光纖光源以及支撐結(jié)構(gòu)等部分組成。該系統(tǒng)是為了滿足空間光電跟瞄系統(tǒng)的特殊應(yīng)用環(huán)境而單獨(dú)設(shè)計(jì)的，主要用于校準(zhǔn)衛(wèi)星光電跟瞄設(shè)備在空間狀態(tài)下激光測距儀的多光軸一致性。

激光衰減片主要用于衰減激光能量，避免能量過高而損傷CCD探測器。

光電設(shè)備安裝臺主要由臺面和通用螺孔等組成，其主要用于固定空間光電跟瞄設(shè)備，隔離外界環(huán)境振動，以及對跟瞄設(shè)備進(jìn)行俯仰角以及方位角調(diào)節(jié)。

在進(jìn)行多光軸標(biāo)校時，首先將空間光電跟瞄設(shè)備固定于光電設(shè)備安裝臺上，并對準(zhǔn)平行光管的入瞳。將小孔光闌和CCD探測器分別定位在平行光管的焦面和共軛焦面處。小孔光闌由光源照明，被接收系統(tǒng)接收，CCD探測器用于接收激光發(fā)射端發(fā)射的激光。根據(jù)激光能量大小，在激光發(fā)射機(jī)前添加透射式激光衰減片，其衰減倍率需要在試驗(yàn)現(xiàn)場根據(jù)多光軸標(biāo)校裝置內(nèi)部相機(jī)的圖像響應(yīng)來確定。此外，激光發(fā)射端所發(fā)射的激光有1064 nm和635 nm兩種，1064 nm激光能量密度較高，635 nm激光功率密度較低，故本文在分光衰減系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個雙五棱鏡衰減裝置，該裝置不僅可將目標(biāo)靶和CCD分別定位在平行光管的焦面和共軛焦面處，還能配合激光衰減片確保激光發(fā)射端的高強(qiáng)度激光和低功率激光都能在CCD動態(tài)范圍內(nèi)。

3 綜合誤差分析

任何一套測試系統(tǒng)都存在不可避免的測量誤差，為提升本文所設(shè)計(jì)多光軸標(biāo)校系統(tǒng)的標(biāo)校精度，按照系統(tǒng)組成分別對平行光管系統(tǒng)、分光衰減系統(tǒng)、激光衰減片、光電設(shè)備安裝臺等部件進(jìn)行了誤差分析。

3.1 平行光管系統(tǒng)

大口徑離軸反射式平行光管系統(tǒng)的主要誤差源有3個，分別為面形誤差、彗差與像散、焦距加工誤差。

3.1.1 面形誤差

平行光管面形誤差主要是指拋物面的面形誤差，當(dāng)使用波像差對平行光管進(jìn)行光學(xué)質(zhì)量評價時，可推導(dǎo)出如下平行差計(jì)算公式：

其中，?ω為拋物面的加工允差，D為拋物面口徑。

3.1.2 彗差與像散

CCD探測器接收的激光光斑相當(dāng)于軸外物點(diǎn)的像點(diǎn)，存在著彗差和像散。當(dāng)孔徑光闌位于焦平面上時，主要產(chǎn)生的是弧矢彗差角彌散，其大小為：

其中，(F/#)是F數(shù)，即f/D，ω為半視場角，且有ω=d/f，其中d為目標(biāo)點(diǎn)源半徑。

3.1.3 焦距加工誤差

平行光管實(shí)際焦距與理想值之間有一定的誤差，若將小孔光闌與CCD直接定位在平行光管的理想焦面與共軛焦面處會產(chǎn)生光線準(zhǔn)直誤差。本文使用干涉儀將小孔光闌與CCD分別定位在平行光管的實(shí)際焦面與相應(yīng)共軛焦面處，此時焦距誤差對于準(zhǔn)直目標(biāo)點(diǎn)源光線與入射光線匯聚而言不產(chǎn)生多余誤差，從而可消除平行光管焦距加工誤差帶來的測試誤差。

3.2 分光衰減系統(tǒng)

分光衰減系統(tǒng)的主要誤差源是其各個部件的定位誤差，定位不準(zhǔn)會導(dǎo)致整體校準(zhǔn)精度降低。本文采用“標(biāo)定+角鏡準(zhǔn)直”方法來消除分光衰減系統(tǒng)整體的標(biāo)定誤差。

3.2.1 標(biāo)定

本文標(biāo)定示意圖和標(biāo)定設(shè)備參數(shù)分別如圖2和表1所示。

圖 2 標(biāo)定系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Principle diagram of the calibration system

表1 分光衰減系統(tǒng)的測試設(shè)備Tab. 1 Test equipment of the spectroscopic attenuation system

標(biāo)定流程如下：

（1）將裝配后的分光衰減系統(tǒng)置于干涉儀前，并搭建干涉測量光路，球面反射鏡安裝于測量光路中；

（2）粗調(diào)干涉儀使其聚焦點(diǎn)對準(zhǔn)小孔光闌，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球面鏡，使干涉儀經(jīng)過分光衰減系統(tǒng)共軛光路后被球面反射鏡返回的光自準(zhǔn)直，并調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球面鏡使干涉條紋數(shù)少于3條，固定標(biāo)準(zhǔn)鏡；

（3）調(diào)整小孔光闌，使其位于干涉儀的聚焦點(diǎn)位置，通過觀察光焦度（Power）判斷是否為焦面，觀察能透光的兩側(cè)極限位置確定中心，并將固定小孔光闌的二維導(dǎo)軌清零；

（4）采用可見光照明小孔光闌，在共軛光路安裝激光專用CCD探測器，調(diào)整CCD前后位置，使CCD上小孔光闌像的大小和小孔尺寸一致，調(diào)整CCD位置，使小孔光闌像位于CCD中心像元上，將CCD位置固定，記錄小孔光闌像在CCD中的位置坐標(biāo)和小孔光闌像的大小。

3.2.2 標(biāo)定精度

本文標(biāo)定所采用的標(biāo)準(zhǔn)球面鏡的口徑D為100 mm，根據(jù)公式 α=λ/30D可得，測量精度所對應(yīng)的角度偏差為α= 0.04″，完全滿足多光軸標(biāo)校系統(tǒng)的標(biāo)定精度要求。

3.2.3 角鏡準(zhǔn)直

在標(biāo)定后的測試過程中，可將角鏡放置于接收系統(tǒng)旁，根據(jù)角鏡自準(zhǔn)直的特點(diǎn)，測試小孔光闌在CCD上的像元位置，則最終可消除分光衰減系統(tǒng)共軛光路的標(biāo)定誤差。

3.3 激光衰減片

激光衰減片的主要誤差源有2個，分別是制造誤差和熱變形。

3.3.1 制造誤差

激光衰減片因制造誤差而產(chǎn)生的楔角α?xí)鸸饩€平行差，從而影響質(zhì)心的提取誤差。實(shí)際測試中激光垂直衰減片入射，故激光衰減片制造誤差所產(chǎn)生的標(biāo)校誤差為：

顯然激光衰減片制造誤差的影響具有對稱性，故本文采取旋轉(zhuǎn)衰減片的方式來去除該誤差的影響。分別測試衰減片處于0°和180°的位置，并對100次測量結(jié)果取平均值，則可認(rèn)為完全消去了制造誤差的影響。

3.3.2 熱變形

激光衰減片在工作時會吸收激光能量而產(chǎn)生熱變形，主要引起質(zhì)心的提取誤差。

目前尚未發(fā)現(xiàn)合適的抑制激光衰減片熱變形影響的方法，但通過實(shí)測發(fā)現(xiàn)，激光在衰減片上的熱變形量隨時間增長而增大，在3 min后保持平衡，最大變形量小于0.05λ，而且通過旋轉(zhuǎn)衰減片也不能去除此項(xiàng)偏差。經(jīng)Zemax仿真分析表明，此項(xiàng)誤差為0.1″。

3.4 光電設(shè)備安裝臺

可通過調(diào)節(jié)光電設(shè)備安裝臺的俯仰角與方位角使空間光電跟瞄系統(tǒng)的某分系統(tǒng)接收器中心與平行光管焦線對準(zhǔn)，從而確定基準(zhǔn)光電系統(tǒng)的光軸。若存在調(diào)整誤差，則無限遠(yuǎn)目標(biāo)點(diǎn)源便無法精確成像在基準(zhǔn)光電系統(tǒng)的焦點(diǎn)處。

本文利用基準(zhǔn)光電系統(tǒng)探測器的讀數(shù)來確定基準(zhǔn)光軸與平行光管焦線的空間相對位置，該方法可去除光電設(shè)備安裝臺所產(chǎn)生的光軸標(biāo)校誤差。

4 測量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

本文以通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星3號的光電跟瞄主機(jī)正樣為測試對象，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和真空環(huán)境下的激光測量分系統(tǒng)收發(fā)平行度測試，以驗(yàn)證多光軸標(biāo)校系統(tǒng)的精度和可行性。

4.1 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測試

4.1.1 測試流程

根據(jù)型號測試要求，對空間光電跟瞄主機(jī)正樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測試，測試圖如圖1所示，測試流程如下。

（1）將空間光電跟瞄主機(jī)正樣安裝在光電設(shè)備安裝臺上，對準(zhǔn)平行光管入瞳，并將小孔光闌和CCD探測器分別定位在平行光管的焦面和共軛焦面處；

（2）利用經(jīng)緯儀找到小孔光闌代表的視軸，調(diào)整激光測量分系統(tǒng)使其0°視場和小孔光闌一致，使測試系統(tǒng)和被測試系統(tǒng)對準(zhǔn)，并在激光發(fā)射機(jī)前加衰減片；

（3）利用可見光源照明小孔光闌，通過在激光發(fā)射機(jī)和寬視場相機(jī)中間放置角鏡，測試返回光在CCD上的質(zhì)心位置，角鏡旋轉(zhuǎn)180°，記錄光斑位置，兩個位置取平均值消除角鏡誤差的影響；

（4）激光發(fā)射機(jī)發(fā)射激光，觀察激光在標(biāo)校裝置CCD上的位置，調(diào)整使其位于中心，調(diào)整CCD的增益，暗噪聲，去除本底噪聲，測試激光發(fā)射機(jī)在標(biāo)校裝置CCD上的質(zhì)心位置，記錄采樣區(qū)域起始點(diǎn)位置，激光聚焦點(diǎn)質(zhì)心位置；

（5）分別測試衰減片0°和180°位置，取100次測量的平均值；

（6）通過照明小孔光闌，使APD感光，通過二維平移臺掃描小孔光闌，得出平移量和APD信號的對應(yīng)關(guān)系，擬合得到接收系統(tǒng)的視軸，最終完成測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的測試結(jié)果Tab. 2 Test results in a laboratory environment (″)

4.1.2 多光軸標(biāo)校系統(tǒng)測試精度分析

在收發(fā)平行度標(biāo)定過程中，主要存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。

4.1.2.1 系統(tǒng)誤差

采用本文給出的抑制誤差影響措施后仍有較大的殘留誤差項(xiàng)。

(1)平行光管面形誤差：本文使用的平行光管口徑為600 mm，焦距為12000 mm，視場角小于0.1°，波前RMS優(yōu)于1/15λ，經(jīng)計(jì)算面形誤差對光軸對準(zhǔn)帶來的影響小于0.14″，故令θ1= 0.14″；

(2)平行光管定焦面誤差：本文定焦面方法的定焦誤差為1.07 mm，接收系統(tǒng)和激光發(fā)射機(jī)的距離為534 mm，經(jīng)計(jì)算離焦對光軸對準(zhǔn)帶來的影響為0.822″，故令θ2= 0.822″；

(3) CCD光斑定位誤差：對于激光發(fā)射器，CCD像元尺寸為9 μm，本文采用了1/10像元細(xì)分技術(shù)，經(jīng)計(jì)算，激光發(fā)射器光軸對準(zhǔn)精度優(yōu)于0.015″，故令θ3= 0.015″；

⑷ CCD焦面傾斜：對于多光軸標(biāo)校系統(tǒng)，其CCD焦面傾斜主要通過自準(zhǔn)直來調(diào)整，本文所采用自準(zhǔn)直調(diào)整的整體誤差小于0.2°，而整個焦面的長度為36 mm，經(jīng)軟件計(jì)算知，在整個長度范圍內(nèi)因焦面傾斜引起的光軸偏差為0.023″，故令θ4=0.023″；

(5)激光衰減片熱變形：激光衰減片熱變形產(chǎn)生的誤差為0.1″，故令θ5= 0.1″；

(6)接收系統(tǒng)光闌中心掃描誤差：接收系統(tǒng)視場光闌中心是通過多光軸標(biāo)校裝置的小孔光闌平移掃描的，而小孔光闌的掃描精度為0.03 mm，對應(yīng)接收視場光闌的掃描精度為0.003 mm，焦距為1300 mm，經(jīng)計(jì)算，接收系統(tǒng)光軸對準(zhǔn)精度優(yōu)于0.516″，故令θ6= 0.516″；

(7)軟件質(zhì)心計(jì)算誤差：本文計(jì)算質(zhì)心采用的是Spiricon公司的軟件，該軟件的測量精度優(yōu)于一個像元，對應(yīng)偏差為0.155″，故令θ7= 0.155″；

(8)激光光斑不均勻性誤差：本文所采用激光器的光斑近似高斯分布，其對質(zhì)心計(jì)算的影響很小，可認(rèn)為優(yōu)于0.002″，故令θ8= 0.002″。

4.1.2.2 隨機(jī)誤差

隨機(jī)誤差主要有兩項(xiàng)，分別為激光發(fā)射機(jī)的指向抖動誤差和能量分布誤差。根據(jù)白俄測量結(jié)果，這兩項(xiàng)誤差綜合預(yù)估值優(yōu)于0.6″，故令θ9=0.6″。

綜上，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下多光軸標(biāo)校系統(tǒng)的隨機(jī)誤差θ為：

收發(fā)平行度標(biāo)定誤差δ為：

4.2 真空環(huán)境測試

空間光電跟瞄主機(jī)正樣的真空環(huán)境測試流程與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測試流程大致相同，不同點(diǎn)在于真空測試環(huán)境下，平行光管系統(tǒng)位于真空罐內(nèi)，而分光衰減系統(tǒng)位于真空罐外。由于實(shí)際測試需要，真空罐內(nèi)平行光管的焦距是10500 mm，而不是12000 mm，測試設(shè)備和測試結(jié)果分別如圖3和表3所示。

圖 3 真空環(huán)境測試設(shè)備Fig. 3 Test equipment under vacuum environment

表3 空間光電跟瞄系統(tǒng)的真空環(huán)境測試結(jié)果Tab. 3 Test results of space photoelectric tracking and aiming system in a vacuum environment (″)

相對于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，真空環(huán)境的多光軸標(biāo)校不確定性增量主要由平行光管面形變化、焦距變化以及真空罐內(nèi)振動所引起。在這3種因素影響下，真空環(huán)境相對于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境有不同的誤差源，如下：

(1)平行光管面形誤差：根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，波前RMS優(yōu)于1/15λ的平行光管在真空影響下的波前RMS仍優(yōu)于1/10λ，經(jīng)計(jì)算面形誤差對光軸對準(zhǔn)帶來的影響小于0.2″，故令θ1′ = 0.2″；

(2)平行光管定焦面誤差：真空環(huán)境所采用的平行光管焦距為10500 mm，經(jīng)計(jì)算在此變化下離焦對光軸對準(zhǔn)帶來的影響為1.07″，故令θ2′ = 1.07″；

(3) CCD光斑定位誤差：將平行光管焦距從12000 mm變?yōu)?0500 mm后，激光發(fā)射器光軸對準(zhǔn)精度優(yōu)于0.017″，故令θ3′ = 0.017″；

(4)隨機(jī)誤差：多光軸標(biāo)校中由振動帶來的隨機(jī)誤差主要影響各器件入射光線的變化，這些變化的影響可由本文提出的各項(xiàng)措施抑制或消除，故仍可認(rèn)為隨機(jī)誤差預(yù)估值優(yōu)于0.6″，即令θ9′ =0.6″。

真空環(huán)境下其余誤差的影響相較于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境變化不大，故可認(rèn)為真空環(huán)境下多光軸標(biāo)校系統(tǒng)的隨機(jī)誤差θ′為：

收發(fā)平行度標(biāo)定誤差δ′為：

4.3 多光軸標(biāo)校精度驗(yàn)證

對多光軸標(biāo)校系統(tǒng)的誤差分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)同時滿足實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和真空環(huán)境下1.5″的多光軸標(biāo)校精度要求。為驗(yàn)證該分析結(jié)果的正確性，將圖1與圖3中的空間光電跟瞄系統(tǒng)反轉(zhuǎn)放置后再進(jìn)行測試。反置后的跟瞄主機(jī)各光軸位置顛倒，則在平行度測試中，系統(tǒng)誤差方向改變。反置后的跟瞄系統(tǒng)收發(fā)平行度測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 反置后的跟瞄系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與真空環(huán)境收發(fā)平行度測試數(shù)據(jù)對比Tab. 4 Comparison of parallelism test results of reversed placed tracking and aiming system in the laboratory environment and the vacuum environment (Unit: ″)

由表2、表3和表4可知，本文誤差分析結(jié)果正確，即本文設(shè)計(jì)的多光軸標(biāo)校系統(tǒng)完全滿足1.5″的多光軸標(biāo)校精度要求。

4.4 相似系統(tǒng)精度統(tǒng)計(jì)

目前公開的涉及真空環(huán)境下多光軸平行性標(biāo)校的設(shè)備較少，本文將幾款同樣以離軸反射式平行光管作為主要部件的多光軸標(biāo)校系統(tǒng)的測試精度統(tǒng)計(jì)如表5。

表5 同類多光軸平行性標(biāo)校設(shè)備的標(biāo)校精度統(tǒng)計(jì)表Tab. 5 Calibration accuracy statistics of similar multiaxis parallelism calibration equipment (Unit: ″)

此外，本文還調(diào)研了傳統(tǒng)的以離軸反射式平行光管作為主要部件的多光軸標(biāo)校系統(tǒng)。如2015年由劉亞辰、張新磊等[27]人研制的多光軸標(biāo)校系統(tǒng)，其標(biāo)校精度如下：方位方向?yàn)?.8″、俯仰方向?yàn)?.4″；2007年由黃靜、劉朝暉等人研制的多光軸標(biāo)校系統(tǒng)的標(biāo)校精度為4.05″[28]。而空間光電跟瞄系統(tǒng)要求多光軸標(biāo)校系統(tǒng)滿足1.5″的多光軸一致性檢測精度要求。在此要求下，本文設(shè)計(jì)的多光軸標(biāo)校系統(tǒng)最佳。

5 結(jié) 論

本文針對空間光電跟瞄系統(tǒng)在真空環(huán)境下的多光軸平行性測量問題，設(shè)計(jì)了一套多光軸標(biāo)校系統(tǒng)。然后對該系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的誤差分析，并給出了相應(yīng)抑制誤差影響的方法。最后對通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星3號的光電跟瞄主機(jī)正樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和真空環(huán)境下的技術(shù)測試，給出了多光軸標(biāo)校系統(tǒng)在兩種測試環(huán)境下的測試結(jié)果、誤差源以及標(biāo)校精度，并對標(biāo)校精度進(jìn)行了驗(yàn)證。最終結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的多光軸標(biāo)校系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的標(biāo)校精度為0.998″，收發(fā)平行度標(biāo)定誤差為1.165″；在真空環(huán)境下的標(biāo)校精度為1.219″，收發(fā)平行度標(biāo)定誤差為1.359″。完全滿足空間光電跟瞄系統(tǒng)1.5″的多光軸檢測精度要求。