大口徑光電探測系統不同仰角下波像差室內檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學檢測與光學測量領域，特別涉及一種大口徑光電探測系統不同仰角下波像差室內檢測方法。
【背景技術】
[0002]伴隨地基光電探測系統中主光學系統口徑不斷增大，光電探測系統跟蹤成像過程中大口徑主光學系統仰角改變將對其光學性能穩定性產生較大影響。相關仿真與實驗表明，當光學系統口徑接近3m，其仰角由水平(0°)變化至天頂(90°)所引發的面形變化約達到入/11(1?^，人=632.811111)以上，由仰角變化引發的離焦量超過17111111，光軸動態指向誤差超過
0.01°。作為光學性能穩定性的兩個方面，成像質量及光學參數的穩定性直接影響成像分辨力與測量精度。目前大口徑光電探測系統大多通過加裝自適應光學系統對上述波前像差與大氣擾動引入的綜合波前畸變進行自適應矯正，但受限于自適應光學系統動態矯正速度與矯正范圍之間的矛盾，需要確保光學系統綜合波前變化量在矯正范圍內方可保證光電探測系統的成像質量。而上述不同仰角下重力引發的系統波前畸變多為量級較大的低頻波前誤差，需要在自適應光學系統加裝前予以測量和驗證并控制在一定范圍內。
[0003]目前用于系統波像差檢測的大口徑平面反射鏡、平行光管自準直干涉檢測法，或子孔徑拼接干涉檢測法均難以適用于不同仰角下大口徑光電探測系統波前檢測。為此，本發明提出了一種基于子孔徑波面斜率采樣測量，再重構全口徑波前的測量光路布置方案及相應的測試設備技術方案，可用于檢測大口徑光電探測系統不同仰角下的系統波像差。目前，上述子孔徑斜率采樣測量原理受制于采樣密度、系統構型等所限，至今仍無法完全取代全口徑干涉檢測或室外觀星檢測，其目前存在的主要局限性包括:
[0004](I)子孔徑掃描過程中自身的傾斜誤差難以控制，目前的技術思路大多通過提高機械掃描系統的運動精度、定位精度等被動降低該項誤差。由此導致儀器體積、重量大幅增加。而受由此引起的采樣累積誤差所限，子孔徑采樣密度難以提高、子孔徑傾斜誤差的抑制殘差仍不滿足到波前重構的精度需求。
[0005](2)子孔徑掃描過程中，受氣流擾動、非等相位振動等環境誤差影響，子孔徑斜率存在隨機測量誤差，相當于在最終重構的波前中附加了一個隨機誤差本底，對波前信息中的中高頻部分帶來較大的測量誤差。
[0006](3)為保證掃描精度，目前的測量裝置大多體積重量龐大，不易實現不同仰角下使用，靈活性與適用性均較差。
【發明內容】
[0007]為解決目前大口徑、甚大口徑光電探測系統在工程研制過程中，系統成像質量及其穩定性難以定量、客觀評價的工程難題，基于目前的子孔徑斜率掃描并重構全口徑波前的基本方法，本發明提供一種大口徑光電探測系統不同仰角下波像差室內檢測方法。
[0008]為了解決上述技術問題，本發明的技術方案具體如下:
[0009]—種大口徑光電探測系統不同仰角下波像差室內檢測方法，在檢測光路上依次設置有:目標靶板與照明系統；帶有可變光欄的小口徑準直光學系統;第一折轉分束棱鏡;第二折轉分束棱鏡;測量頭部第三折轉分束棱鏡;測量頭部第一分束棱鏡;第二分束棱鏡;第一光電自準直儀;第三分束棱鏡;第二光電自準直儀；
[0010]該方法包括以下步驟:
[0011 ] (I)、控制待測光電探測系統轉動俯仰軸系至一固定俯仰角，并鎖緊該軸系保證測量過程中俯仰軸穩定；
[0012](2)、目標靶板與照明系統中的激光光源經空間濾波器后照明目標板上的星點目標，并經帶有可變光欄的小口徑準直光學系統準直為小口徑平行光束照射進入第一折轉分束棱鏡；
[0013](3)、第一折轉分束棱鏡將入射光分為兩束，其中一束折轉90°后照射進入待測光電探測系統，并由其CCD接受成像；
[0014](4)、經第一折轉分束棱鏡分束的另一路小口徑平行光照射進入第二折轉分束棱鏡并分為兩束，其中一束折轉90°后照射進入待測光電探測系統作為參考光束，當高速機械快門開啟時，由待測光電探測系統中的CCD探測器接收對應的星點像，并經圖像處理后記錄像點的二維坐標；
[0015](5)、另一束照射進入測量頭部，作為測量光束，經測量頭部第三折轉分束棱鏡、測量頭部第一分束棱鏡分束后照射進入待測光電探測系統；當對應的測量頭部高速機械快門開啟時，由待測光電探測系統中的CCD探測器接收對應的星點像，并經圖像處理后記錄像點二維坐標；
[0016](6)、經測量頭部第三折轉分束棱鏡分束的另一束小口徑平行光束直接由第一光電自準直儀接收，并測量得到子孔徑掃描位置相對初始位置間由y向掃描位移臺、z向掃描位移臺的機械運動誤差引起的掃描頭部繞z軸和繞X軸的轉動；
[0017](7)、經測量頭部第一分束棱鏡分束的另一束小口徑平行光束經第二分束棱鏡、第三分束棱鏡后照射進入第二光電自準直儀，由第二光電自準直儀直接測量出子孔徑掃描位置相對初始位置間由y向掃描位移臺、Z向掃描位移臺機械運動誤差引起的掃描頭部繞y軸的轉動；
[0018](8)、完成上述(I)?(7)步測量步驟后，由綜合電控系統記錄對應該處掃描子孔徑的測量數據包括:步驟(3)中由待測系統記錄的像點二維坐標、步驟(4)中由待測系統CCD記錄的像點二維坐標、步驟(5)中由待測系統CCD所記錄的像點二維坐標，以及步驟(6)、步驟
(7)中由兩臺光電自準直儀分別記錄的角度值、y向掃描位移臺和z向掃描位移臺中直線光柵所反饋的子孔徑采樣點二維坐標;上述各測量數據將作為超定方程組中的一組數據記錄在數據處理與解算系統的測量數據庫中；
[0019](9)、由綜合電控系統控制y向掃描位移臺和z向掃描位移臺分別步進，使測量子孔徑移動至光瞳面內的下一采樣測量位置，再次重復上述測量步驟(I)?(7)后將另一組測量數據記錄在測量數據庫中；
[0020](10)、完成覆蓋待測光電探測系統;整個光瞳面的子孔徑掃描后，由數據處理系統調用上述各測量位置所記錄的各組測量數據，連同事先輸入的待測光電探測系統的焦距、相對孔徑等光學參數，再依據相應的算法解算超定方程組即可重構待測光電探測系統的波前信息及各項Zernike系數。
[0021]在上述技術方案中，在步驟(10)之后還包括步驟:
[0022](11)、采用子孔徑波前相對斜率測量，抑制中低頻氣流擾動引起的波前重構誤差；第二折轉分束棱鏡高速機械快門開啟，測量頭部高速機械快門關閉，此時小口徑準直光束經測量光路后由待測光電探測系統CCD記錄一個星點像的二維坐標;之后第二折轉分束棱鏡高速機械快門關閉，測量頭部高速機械快門開啟，則待測光電探測系統CCD再次記錄另一個星點像的二維坐標。
[0023]在上述技術方案中，在步驟(11)之后還包括步驟:
[0024](12)、完成上述測量步驟后，待測光電探測系統的俯仰軸系旋轉至下一測量角度并重復上述掃描測量步驟。
[0025]本發明具有以下的有益效果:
[0026](I)本發明的大口徑光電探測系統不同仰角下波像差室內檢測方法，主要用于大口徑光電探測系統不同仰角下波像差檢測，可以實現不同仰角下成像質量及其穩定性定量評價。目前對于系統波像差檢測僅能實現水平測量，對于其它仰角的成像質量只能理論估算或通過室外觀星驗證。理論估算存在較大誤差，而室外觀星方法受觀測條件、室外環境擾動等條件所限存在較大的隨機誤差，不易獲得準確和穩定的測量結果。而且室外觀星試驗需要在光電探測系統全部集成完畢后才可進行，如果自適應光學系統不足以補償像質波動，則需要回到主光機系統裝調的技術狀態，再次反復調試。而本發明可在室內進行像質檢測，測量環境、目標特性均人為可控，且精度與重復性較高。此外采用本發明的測量裝置可在主光機裝調階段實施檢測，滿足整體研制流程對測試的需求。
[0027](2)本發明的大口徑光電探測系統不同仰角下波像差室內檢測方法，提出子孔徑測量、子孔徑傾斜誤差監測、氣流擾動誤差抑制的一體化光路布置方案，可以有效提高單個子孔徑的測量精度。這樣就可降低整個掃描過程的累積誤差，有助于提高采樣密度并獲得接近干涉檢測的分辨率，大大提高子孔徑波面斜率采樣再重構全口徑波前這一基本測量方法的適用范圍。
[0028](3)本發明的大口徑光電探測系統不同仰角下波像差室內