一种光轴指向误差数字化标校设备和方法与流程

1.本发明属于光机领域，具体涉及一种光电装备指向误差数字化标校设备和标校方法，特别适合于复杂光路光学系统光轴指向误差数字化标校。

背景技术：

2.针对多通道、共孔径复杂光路光学系统，目前主要的装调方法是通过将光路中各镜面通过六面体或平面镜引出镜面法线后逐件通过经纬仪和准直仪对准保证光轴指向。
3.上述装调方式存在两点明显不足：一方面是效率偏低，尤其对于光路中含有大量反射镜和分光镜光学系统；另一方面是该方法仅能保证单个位置(如零位)光轴指向精度，对于视场范围内其它视角则无法保证精度。
4.针对上述存在的问题，开展光轴指向误差数字化标校是一种行之有效的方法。
5.光学靶标作为数字化标校基准是进行光轴误差数字化标校的前提。目前光轴指向误差数字化标校靶标有天体准直仪等，但天体准直仪仅适用于潜望镜光轴标校，对于复杂两轴两框类指向器以及复杂光学系统则无法满足标校要求。

技术实现要素：

6.为了克服已有技术存在的缺陷，本发明的目的之一是提供一种光轴指向误差数字化标校设备，一方面满足复杂光学系统光轴指向误差数字化标校，另一方面同时满足捷联式光电系统惯导安装误差数字化标校。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光轴指向误差数字化标校设备，包括控制机柜、光源以及固定在地基上的台体和用于放置待标校光电设备的六自由度摇摆台，所述的台体上设置有横截面为圆弧形的台架，所述的台架上设置有由若干平行光管排列组成的阵列靶标，所述台架在水平面的弧面圆心位于六自由度摇摆台的台面中心正上方。
8.所述的一种光轴指向误差数字化标校设备，其平行光管为口径300mm，焦距1200mm的反射式卡式平行光管。
9.所述的一种光轴指向误差数字化标校设备，其台面中心距离平行光管平行光汇聚点高度为1.5m。
10.所述的一种光轴指向误差数字化标校设备，其平行光管通过螺栓和销钉紧密地固连于台架上预留的安装孔内，方位和俯仰方向的安装孔孔径为380mm。
11.所述的一种光轴指向误差数字化标校设备，考虑平行光管稳定性和变形量精度要求，所述台架采用铸铁加工成型。
12.所述的一种光轴指向误差数字化标校设备，其平行光管数量为20根，按4
×
5排列。
13.所述的一种光轴指向误差数字化标校设备，其台体和六自由度摇摆台的地基通过振动隔离带设置在外部地基上。
14.本发明的目的之二是提供一种光轴指向误差数字化标校设备的标校方法，步骤
为：
15.s1，光电系统地理系光轴指向误差数字化标定前提是建立建立地理系下含有待标定误差参数的光轴指向数学模型los＝f(e1,e2,...,en,ψ,θ)，式中e1,e2,...,en为光路误差参量，其物理含义及个数n随待标定设备结构形式不同而有所差异，ψ,θ分别为方位角和俯仰角；然后根据光轴指向数学模型建立光轴指向误差目标函数式中bi为平行光管目标点在地理系x/y/z轴的投影；最后将目标函数a取极小值即可获得光轴误差参量向量e[e1,e2,...,en]；
[0016]
s2，采用陀螺经纬仪对平行光管阵列靶标的基准进行校准(此步骤需每半年校准一次)，获得20个目标点地理系方位和俯仰值；
[0017]
s3，将待标校光电设备置于六自由度摇摆台的台面中心，调整待标校光电设备在六自由度摇摆台上的位置，使得零位时待标校光电设备的成像传感器位于平行光管阵列靶标的汇聚交点处；
[0018]
s4，通过伺服控制待标校光电设备成像传感器的光轴指向左下角1号的第一个平行光管作为基准，然后开启目标跟踪模式使得平行光管的十字丝位于图像十字丝中心；
[0019]
s5，设置六自由度摇摆台的摇心大致位于待标校光电设备的成像传感器位置，摇摆幅度为
±6°
，摇摆周期为15s、12s，和8s，然后启动六自由度摇摆台；
[0020]
s6，记录不同摇摆姿态下待标校光电设备的方位俯仰测角读数，惯导姿态数据以及目标平行光管地理系真值，数据量不少于10组；
[0021]
s7，切换跟踪模式为目指模式，根据平行光管地理系真值将待标校光电设备成像传感器的光轴调转至指向下一个目标平行光管，待平行光管十字丝像进入视场后通过波门引导后进入目标跟踪模式，使得目标十字丝像位于图像十字丝中心；
[0022]
s8，重复s6、s7步骤，直至遍历20个目标平行光管；
[0023]
s9，将测试所得目标平行光管地理系真值、测角读数以及惯导姿态数据带入光轴误差解算方法进行误差参量数字化标校，输出误差参量拟合结果；
[0024]
s10，设定初次标定时原误差参量为0向量，将标定的误差参量结果e[e1,e2,...,en]替换光轴指向数学模型中原误差参量e'[e1',e'2,...,e'n]，进行光轴指向误差参数修正；
[0025]
s11，随机选取3个平行光管作为目标点，将待标校光电设备成像传感器的光轴调转至选定目标点，进行指向精度和稳定精度评估；
[0026]
s12，关闭六自由度摇摆台以及平行光管电源，完成标校。
[0027]
所述的一种光轴指向误差数字化标校设备，其步骤s1中的光路误差包括探测器安装误差、方位轴与俯仰轴不正角性误差、方位或俯仰零位误差。
[0028]
本发明的有益效果是：
[0029]
1，本发明的平行光管基准在视场范围内均布，可以采集不同方位和俯仰角下光轴指向数据，提高指向误差数字化标定精度；
[0030]
2，本发明在瞄准目标点的通过六自由度摇摆台激励可同时对惯导安装误差进行数字化标校，提高标校效率。
附图说明
[0031]
图1为本发明系统工作示意图；
[0032]
图2为本发明所用卡式平行光管的结构示意图；
[0033]
图3为添加某光电设备标校前后光轴指向误差对比曲线。
[0034]
各附图标记为：1—台架，2—平行光管，3—六自由度摇摆台，4—待标校光电设备，5—地基，6—台体，7—外部地基。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
[0036]
实施例1
[0037]
参照图1所示，本发明的一种光轴指向误差数字化标校设备，包括控制机柜、光源以及固定在地基5上的台体6和用于放置待标校光电设备05的六自由度摇摆台3，其中台体6和六自由度摇摆台3的地基5通过振动隔离带设置在外部地基7上，所述的台体6上设置有横截面为圆弧形的台架1，所述的台架1上设置有由20根平行光管2排列组成的4
×
5阵列靶标，所述台架1在水平面的弧面圆心位于六自由度摇摆台3的台面中心正上方，本发明以台架1的弧心为圆心，为数字化标校提供靶标基准，台架1实现平行光管2阵列支撑且长期保持光管相对位置稳定功能。
[0038]
参照图2所示，所述的平行光管2为口径300mm，焦距1200mm的反射式卡式平行光管；所述的台面中心距离平行光管2平行光汇聚点高度为1.5m；平行光管2通过螺栓和销钉紧密地固连于台架1上预留的安装孔内，方位和俯仰方向的安装孔孔径为380mm。考虑平行光管2稳定性和变形量精度要求，所述台架1采用铸铁加工成型；而六自由度摇摆台3提供摇摆环境，实现惯导激励功能。
[0039]
实施例2
[0040]
对本发明标校方法的实施过程作进一步说明如下：
[0041]
s1，光电系统地理系光轴指向误差数字化标定前提是建立地理系下含有待标定误差参数的光轴指向数学模型los＝f(e1,e2,...,en,ψ,θ)，式中e1,e2,...,en为光路误差参量，如探测器安装误差、方位轴与俯仰轴不正角性误差、方位或俯仰零位误差等，其物理含义及个数n随待标定设备结构形式不同而有所差异，ψ,θ分别为方位角和俯仰角；然后根据光轴指向数学模型建立光轴指向误差目标函数式中bi为平行光管2目标点在地理系x/y/z轴的投影；最后将目标函数a取极小值即可获得光轴误差参量向量e[e1,e2,...,en]；
[0042]
s2，采用陀螺经纬仪对平行光管2阵列靶标的基准进行校准(此步骤需每半年校准一次)，获得20个目标点地理系方位和俯仰值；
[0043]
s3，将待标校光电设备4置于六自由度摇摆台3的台面中心，调整待标校光电设备4在六自由度摇摆台3上的位置，使得零位时待标校光电设备4的成像传感器位于平行光管2阵列靶标的汇聚交点处。
[0044]
s4，通过伺服控制待标校光电设备4成像传感器的光轴指向左下角1号的第一个平行光管2作为基准，然后开启目标跟踪模式使得平行光管2的十字丝位于图像十字丝中心。
[0045]
s5，设置六自由度摇摆台3的摇心大致位于待标校光电设备4的成像传感器位置，摇摆幅度为
±6°
，摇摆周期为15s、12s，和8s，然后启动六自由度摇摆台3。
[0046]
s6，记录不同摇摆姿态下待标校光电设备4的方位俯仰测角读数，惯导姿态数据以及目标平行光管2地理系真值，数据量不少于10组。
[0047]
s7，切换跟踪模式为目指模式，根据平行光管2地理系真值将待标校光电设备4成像传感器的光轴调转至指向下一个目标平行光管2，待平行光管2十字丝像进入视场后通过波门引导后进入目标跟踪模式，使得目标十字丝像位于图像十字丝中心。
[0048]
s8，重复s6、s7步骤，直至遍历20个目标平行光管2。
[0049]
s9，将测试所得目标平行光管2地理系真值、测角读数以及惯导姿态数据带入光轴误差解算方法进行误差参量数字化标校，输出误差参量拟合结果。
[0050]
s10，将误差参量拟合结果对光轴指向伺服控制模型进行参数修正，并重新进行代码烧写：设定初次标定时原误差参量为0向量，将标定的误差参量结果e[e1,e2,...,en]替换光轴指向数学模型中原误差参量e'[e'1,e'2,...,e'n]，进行光轴指向误差参数修正。
[0051]
s11，随机选取3个平行光管2作为目标点，将待标校光电设备4成像传感器的光轴调转至选定目标点，进行指向精度和稳定精度评估。
[0052]
s12，关闭六自由度摇摆台3以及平行光管2电源，完成标校。
[0053]
上述设备基于光轴指向误差数字化标校设备和方法标校前后指向误差对比如图3所示。
[0054]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种光轴指向误差数字化标校设备，其特征在于：包括控制机柜、光源以及固定在地基(5)上的台体(6)和用于放置待标校光电设备(4)的六自由度摇摆台(3)，所述的台体(6)上设置有横截面为圆弧形的台架(1)，所述的台架(1)上设置有由若干平行光管(2)排列组成的阵列靶标，所述台架(1)在水平面的弧面圆心位于六自由度摇摆台(3)的台面中心正上方。2.根据权利要求1所述的一种光轴指向误差数字化标校设备，其特征在于，所述的平行光管(2)为口径300mm，焦距1200mm的反射式卡式平行光管。3.根据权利要求2所述的一种光轴指向误差数字化标校设备，其特征在于，所述的台面中心距离平行光管(2)平行光汇聚点高度为1.5m。4.根据权利要求1或2或3所述的一种光轴指向误差数字化标校设备，其特征在于，所述的平行光管(2)通过螺栓和销钉固连于台架(1)上安装孔内，安装孔孔径为380mm。5.根据权利要求4所述的一种光轴指向误差数字化标校设备，其特征在于，所述台架(1)采用铸铁加工成型。6.根据权利要求5所述的一种光轴指向误差数字化标校设备，其特征在于，所述的平行光管(2)为20根，按4
×
5排列。7.根据权利要求5所述的一种光轴指向误差数字化标校设备，其特征在于，所述的地基(5)通过振动隔离带设置在外部地基(7)上。8.一种如权利要求1所述光轴指向误差数字化标校设备的标校方法，其特征在于，步骤为：s1，首先建立地理系下含有待标定误差参数的光轴指向数学模型los＝f(e1,e2,...,e
n
,ψ,θ)，式中e1,e2,...,e
n
为光路误差参量，ψ,θ分别为方位角和俯仰角；然后建立光轴误差解算模型：根据光轴指向数学模型建立光轴指向误差目标函数式中b
i
为平行光管(2)目标点在地理系x/y/z轴的投影；最后将目标函数a取极小值即可获得光轴误差参量向量e[e1,e2,...,e
n
]；s2，采用陀螺经纬仪对平行光管(2)阵列靶标的基准进行校准，获得20个目标点地理系方位和俯仰值；s3，将待标校光电设备(4)置于六自由度摇摆台(3)的台面中心，调整位置使得零位时待标校光电设备(4)的成像传感器位于平行光管(2)阵列靶标的汇聚交点处；s4，控制待标校光电设备(4)成像传感器的光轴指向第一个平行光管(2)，然后使平行光管(2)的十字丝位于图像十字丝中心；s5，设置六自由度摇摆台(3)的摇心位于待标校光电设备(4)的成像传感器位置，摇摆幅度为
±6°
，摇摆周期为15s、12s，和8s，然后启动六自由度摇摆台(3)；s6，记录不同摇摆姿态下待标校光电设备(4)的方位俯仰测角读数，惯导姿态数据以及平行光管(2)地理系投影真值，数据量不少于10组；s7，根据平行光管(2)地理系投影真值将待标校光电设备(4)成像传感器的光轴指向下一个平行光管(2)，待平行光管(2)十字丝像进入视场使得目标十字丝像位于图像十字丝中心；s8，重复s6、s7步骤，直至遍历20个目标平行光管(2)；
s9，将测试所得平行光管(2)地理系投影真值、测角读数以及惯导姿态数据带入光轴误差解算方法进行误差参量数字化标校，输出误差参量拟合结果；s10，设定初次标定时原误差参量为0向量，将标定的误差参量结果e[e1,e2,...,e
n
]替换光轴指向数学模型中原误差参量e'[e
′1,e'2,...,e'
n
]，进行光轴指向误差参数修正；s11，随机选取3个平行光管(2)作为目标点，将待标校光电设备(4)成像传感器的光轴调转至选定目标点，进行指向精度和稳定精度评估；s12，关闭六自由度摇摆台(3)以及平行光管(2)。9.根据权利要求8所述的一种光轴指向误差数字化标校设备，其特征在于，所述步骤s1中的光路误差包括探测器安装误差、方位轴与俯仰轴不正角性误差、方位或俯仰零位误差。

技术总结

本发明公开了一种光轴指向误差数字化标校设备，包括控制机柜、光源以及固定在地基上的台体和用于放置待标校光电设备的六自由度摇摆台，所述的台体上设置有横截面为圆弧形的台架，所述的台架上设置有由若干平行光管排列组成的阵列靶标，所述台架在水平面的弧面圆心位于六自由度摇摆台的台面中心正上方；还公开了其标校方法；在瞄准目标点的通过六自由度摇摆台激励可同时对惯导安装误差进行数字化标校，提高标校效率。提高标校效率。提高标校效率。