方無迪，楊 勇，范 凡，張歷濤，彭海闊

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采用激光PSD技術(shù)的載荷指向角度測量系統(tǒng)

方無迪1，楊 勇1，范 凡2，張歷濤1，彭海闊1

( 1. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海200240；2. 上海航天技術(shù)研究院，上海201100 )

由于衛(wèi)星星體結(jié)構(gòu)熱變形以及機(jī)械振動(dòng)的影響，高精度載荷指向相對(duì)于精度基準(zhǔn)會(huì)發(fā)生小角度的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。在此背景下，本文提出了基于激光位置敏感器(PSD)技術(shù)的載荷指向角度測量方法，并研制了測量系統(tǒng)原理樣機(jī)。該方法使用了有夾角雙光束，并且是雙光源、雙反射鏡、雙傳感器，可以使得測量裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕，布局位置靈活。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測量裝置能夠適用于衛(wèi)星應(yīng)用，滿足載荷指向的轉(zhuǎn)角測量需求。

載荷指向；角度測量；激光；位置敏感器

0 引 言

在衛(wèi)星工程領(lǐng)域，高精度載荷的指向是關(guān)注的重點(diǎn)。由于衛(wèi)星星體結(jié)構(gòu)熱變形以及機(jī)械振動(dòng)的影響，高精度載荷的安裝座相對(duì)于精度基準(zhǔn)(比如星敏感器)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)變形，由此使得高精度載荷指向發(fā)生小角度的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，有必要對(duì)載荷指向的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行測量，以便進(jìn)一步的修正。在此背景下，所需研究的角度測量技術(shù)，一般要求范圍為0.12至30￠，測量精度要求在角秒級(jí)。

常用的角度傳感器，比如電位式、電阻應(yīng)變式、磁柵式、光柵式角度傳感器，由于其傳遞距離較小，要通過剛性連接進(jìn)行角度信息的傳遞，傳遞精度容易受連接件精度特性、穩(wěn)定性等因素的限制[1]。因此，在測量行程較大，也就是基準(zhǔn)點(diǎn)和被測點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，就不宜采用類似的接觸式角度傳感器，而應(yīng)考慮光學(xué)測角方法。俯仰角和偏擺角的光學(xué)測量方法主要有自準(zhǔn)直法、激光干涉法、光學(xué)內(nèi)反射法[2]；扭轉(zhuǎn)角的測量方法主要有偏振光法、莫爾條紋法、光源靶標(biāo)法、像形畸變法。此外光學(xué)測角方法還有環(huán)形激光法、平行干涉圖法、攝影/攝像測量法等[3-6]。其中涉及滾轉(zhuǎn)角的測量，比較合適的方法是采用幾何光學(xué)法。馬軍山等[7]提出了使用長平面鏡的兩點(diǎn)法滾轉(zhuǎn)角測量。張之江等[8]提出了一種利用反射V型鏡作為測量敏感器的三維小角度測量系統(tǒng)。Fan[9]提出了使用角錐棱鏡的平行雙光束法測量方法。曹睿等[10]提出一種采用特殊斜方棱鏡的平行雙光束法的滾轉(zhuǎn)角測量方法。Avanesov[11]等提出了一種使用線陣CCD的滾轉(zhuǎn)角測量方法。

這些傳統(tǒng)方法在小角度的精密測量中已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用，有較高的測量精度和測量靈敏度，但是這些光學(xué)測量方法的測量裝置結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜，而且難以滿足高測量精度中的自動(dòng)化測量要求，并且上述測角方法只適用于一維或二維角度測量，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)角的測量[3]。而對(duì)于衛(wèi)星工程領(lǐng)域，需要角度測量系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單，能夠適應(yīng)受限的布局安裝環(huán)境。

本文結(jié)合衛(wèi)星應(yīng)用背景，提出了基于激光位置敏感器(Position Sensitive Device，PSD)技術(shù)的載荷指向角度測量方法，并研制了測量系統(tǒng)原理樣機(jī)。該方法使用了有夾角雙光束，且是雙光源、雙反射鏡、雙傳感器，使得測量裝置適用于衛(wèi)星工程領(lǐng)域應(yīng)用，能夠滿足載荷指向的轉(zhuǎn)角測量需求。

1 系統(tǒng)方案

載荷指向角度測量系統(tǒng)的主要功能為：實(shí)現(xiàn)載荷指向的相對(duì)轉(zhuǎn)角測量。載荷指向角度測量裝置主要由激光角度測量單元、反射鏡、數(shù)據(jù)采集與處理單元組成。激光角度測量單元安裝于精度基準(zhǔn)座，配合裝于載荷的反射鏡，通過激光PSD方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷的相對(duì)轉(zhuǎn)角測量。其中主激光角度測量單元和主反射鏡完成主要測量工作，輔激光角度測量單元和輔反射鏡進(jìn)行誤差補(bǔ)償。數(shù)據(jù)采集與處理單元實(shí)現(xiàn)對(duì)激光角度測量單元的控制和數(shù)據(jù)處理及傳輸。

載荷指向角度測量系統(tǒng)的布局示意圖如圖1所示。其中，主反射鏡安裝于載荷出口段，并且反射鏡朝向?yàn)樾毕蛳鲁梢欢ń嵌?，?duì)準(zhǔn)基座上的主激光角度測量單元；輔反射鏡朝向?yàn)樗?，?duì)準(zhǔn)基座上的輔激光角度測量單元。當(dāng)載荷指向軸線相對(duì)基座發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由主激光角度測量單元發(fā)射再經(jīng)由主反射鏡反射的光線會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)偏轉(zhuǎn)，再由主激光角度測量單元內(nèi)置的PSD位置傳感器檢測該光線偏移，最后就可以求解得到兩者的相對(duì)轉(zhuǎn)角。

以圖2所示為例，說明繞軸和繞軸轉(zhuǎn)角的測量。在變形前，激光角度測量單元內(nèi)置的激光發(fā)射器，所發(fā)射出的激光經(jīng)由載荷上的反射器反射，打在PSD位置傳感器的中心。而當(dāng)載荷軸線相對(duì)基座發(fā)生了繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)角θ時(shí)，反射激光會(huì)產(chǎn)生2θ的轉(zhuǎn)角偏移，由此PSD位置傳感器所接收光斑會(huì)發(fā)生沿向的偏移S。根據(jù)激光角度測量原理，該偏移S及距離與相對(duì)轉(zhuǎn)角θ滿足一定關(guān)系式，就可以通過檢測偏移S，求解出相對(duì)轉(zhuǎn)角θ。

同樣的，繞軸轉(zhuǎn)角也可以通過相同方法測量得到。當(dāng)載荷指向軸線相對(duì)基座軸線同時(shí)發(fā)生了繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過檢測光線偏移S和S，即可對(duì)應(yīng)解算出繞軸相對(duì)轉(zhuǎn)角θ、繞軸相對(duì)轉(zhuǎn)角θ。與上述繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)不同的是，由于主反射鏡水平角的存在，載荷的繞軸轉(zhuǎn)角θ，所引起的主反射鏡法線相應(yīng)轉(zhuǎn)角應(yīng)為2θcos。

最后，載荷軸線相對(duì)基座軸線的繞軸相對(duì)轉(zhuǎn)角θ、繞軸相對(duì)轉(zhuǎn)角θ，可以用主激光角度測量單元的PSD傳感器測量值S和S表示，即：

另外需說明的是，圖1所示的水平安裝的輔激光角度測量單元和輔反射鏡所起到的作用是進(jìn)行誤差補(bǔ)償。需要進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)墓r為，當(dāng)載荷繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)相對(duì)于所需測量的繞軸繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)不可忽略的情況下。雖然載荷繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并不會(huì)導(dǎo)致載荷軸線與精度基準(zhǔn)座的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是會(huì)影響到主反射鏡的反射功能(因?yàn)橹鞣瓷溏R的朝向沒有和載荷平行)，進(jìn)而會(huì)影響到主激光角度測量單元的測量精度(當(dāng)載荷的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)足夠大的時(shí)候)?；诖?，設(shè)計(jì)了水平安裝的輔激光角度測量單元和輔反射鏡，用于測量載荷的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并將測得轉(zhuǎn)角用于上述兩個(gè)轉(zhuǎn)角測量的誤差補(bǔ)償。經(jīng)輔助測量可以得到θ表達(dá)式。

圖2 轉(zhuǎn)角測量示意圖

采用輔助激光角度測量單元進(jìn)行誤差補(bǔ)償，是通過測量載荷的軸轉(zhuǎn)動(dòng)θ，計(jì)算得到繞軸和繞軸測量的誤差補(bǔ)償項(xiàng)，具體如下所述。當(dāng)載荷既不繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)、也不繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，那么不論載荷是否繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，預(yù)期測量得到數(shù)值均應(yīng)該位于零位，也就是繞軸轉(zhuǎn)角和繞軸轉(zhuǎn)角均為零。然而由于主反射鏡的朝向沒有和載荷平行，也就是存在大于零的水平角(如圖3所示)，那么當(dāng)載荷發(fā)生軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在測得繞軸轉(zhuǎn)角和繞軸轉(zhuǎn)角上引起誤差附加項(xiàng)，即β、β。

圖3 Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)誤差分析

如圖3所示，將激光測量單元繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)θ角度(等效于載荷發(fā)生軸轉(zhuǎn)動(dòng))，那么光軸的變化角在面的投影分量β和在面的投影分量β即為激光測量單元在測量繞軸轉(zhuǎn)角和繞軸轉(zhuǎn)角時(shí)的誤差項(xiàng)。經(jīng)過相關(guān)幾何計(jì)算，可以得到下式。

經(jīng)補(bǔ)償后，載荷軸線相對(duì)基座的繞軸相對(duì)轉(zhuǎn)角、繞軸相對(duì)轉(zhuǎn)角為

代入并作簡化計(jì)算，可將式中二階小量略去(本文轉(zhuǎn)角小于10￠)，則得到最終結(jié)果表達(dá)式：

2 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

按照上述方案，研制了一套載荷指向角度測量系統(tǒng)的原理樣機(jī)，并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其原理圖如圖4所示。圖中的激光PSD組件即包含了上述的主、輔激光角度測量單元，及相關(guān)支持電路。主、輔反射棱鏡安裝于載荷模擬工裝上，并將兩路激光反射回對(duì)應(yīng)的PSD傳感器。數(shù)據(jù)采集與處理單元負(fù)責(zé)控制激光器的開關(guān)和PSD信號(hào)的采集，并同工控機(jī)軟件保持通信。工控機(jī)軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示以及人機(jī)交互。

圖4 實(shí)驗(yàn)原理圖

針對(duì)載荷指向角度測量系統(tǒng)，展開了功能測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場照片如圖5所示。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為無風(fēng)的暗室環(huán)境。

圖5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖

長時(shí)測試結(jié)果如圖6所示。圖中每個(gè)測點(diǎn)間隔1 s。觀察曲線可以發(fā)現(xiàn)初始有10 s的過渡期。經(jīng)分析，是由于激光器和PSD傳感器啟動(dòng)工作后需要一定的熱平衡時(shí)間。在這之后，數(shù)據(jù)波動(dòng)量小于0.52(峰峰值)。

圖6 長時(shí)測試(繞X軸轉(zhuǎn)角)

穩(wěn)定后繞轉(zhuǎn)角和繞轉(zhuǎn)角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，重復(fù)測量誤差優(yōu)于0.52。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果(穩(wěn)定后)

3 結(jié) 論

本文結(jié)合衛(wèi)星應(yīng)用背景，提出了基于激光PSD技術(shù)的載荷指向角度測量方法，并研制了測量系統(tǒng)原理樣機(jī)?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：

1) 所提出的方法，使用了有夾角雙光束，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于衛(wèi)星載荷指向角度測量；

2) 所研制的原理樣機(jī)經(jīng)過測試結(jié)果表明，重復(fù)測量誤差優(yōu)于0.52。

參考文獻(xiàn)：

[1] Venkateswara Krishna，Hagedom Charles A，Tumer Matthew D，. A high-precision mechanical absolute-rotation sensor [J]. Review of Scientific Instruments(S0034-6748)，2014，85(1)：71-79.

[2] 殷延鶴，喬彥峰，蔡盛，等. 大型結(jié)構(gòu)角度變形測量中的光學(xué)方法[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用，2014，29(4)：69-75.

YIN Yanhe，QIAO Yanfeng，CAI Sheng，. Optical Method for Angular Deformation Measurement of Large Structure [J]. Electro-Optic Technology Application，2014，29(4)：69-75.

[3] 王文亮. 角秒級(jí)小角度測量技術(shù)及其在航天器中的應(yīng)用研究[D]. 長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010：1-4.

[4] 周紅鋒，宮愛玲. 小角度測量的光學(xué)方法 [J]. 計(jì)量技術(shù)，2006(7)：17-19.

ZHOU Hongfeng，GONG Ailing. Optical Methods for Measuring Small Angles [J]. Measurement Technique，2006(7)：17-19.

[5] 馮萍，劉震. 舵面角度測量中結(jié)構(gòu)光光條圖像自動(dòng)定位方法[J]. 中國光學(xué)，2014，7(6)：911-916.

FENG Ping，LIU Zhen. Automatic localization method of the multi-planar strip in rudder angle measurement [J]. Chinese Optics，2014，7(6)：911-916.

[6] GAO Hua，CHEN Hao，ZHANG Zhaoxiang，. Method of Binocular Rotation Angle Measurement Based on Machine Vision [C]// International Conference on Instrumentation and Measurement，Computer，Communication and Control，Harbin，China，Sept 18-20，2014：462-467.

[7] 馬軍山，王向朝，方祖捷. 滾轉(zhuǎn)角誤差的光學(xué)精密測量技術(shù)研究 [J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2000，20(10)：1403-1406.

MA Junshan，WANG Xiangzhao，F(xiàn)ANG Zujie. Optical Precision Measurement Technique of Rolling Error [J]. Acta Optica Sinica，2000，20(10)：1403-1406.

[8] 張之江，于瀛潔. 三維小角度測量系統(tǒng)建模[J]. 計(jì)量學(xué)報(bào)，2003，24(1)：21-25.

ZHANG Zhijiang，YU Yingjie. Modeling of Three-Dimensional Small Angle Measurement System [J]. Acta Metrologica Sinica，2003，24(1)：21-25.

[9] FAN Kuangchao，CHEN Mujung，HUANG W M. A six-degree-of-freedom measurement system for the motion accuracy of linear stages [J]. International J Mach Tools Manufact(S0890-6955)，1998，38(3)：155-164.

[10] 曹睿，張斌，馮其波，等. 多自由度誤差同時(shí)測量中的滾轉(zhuǎn)角測量方法[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(12)：2344-2348.

CAO Rui，ZHANG Bin，F(xiàn)ENG Qibo，. A Method for Roll-Angle Measurement in Multi-Degree-of-Freedom Measuring System [J]. Acta Optica Sinica，2008，28(12)：2344-2348.

[11] Avanesov Yu L，Gorokhovsky K S，Granovskii V A，.Rotation angle measurement device Principle of operation and initial calibration results [C]// International Muti-Conference on Systems，Signals & Devices，Castelldefels-Barcelona，Spain，F(xiàn)eb 11-14，2014：1-6.

Payload Pointing Angle Measuring System by Employing Laser-PSD Technology

FANG Wudi1，YANG Yong1，F(xiàn)AN Fan2，ZHANG Litao1，PENG Haikuo1

( 1. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai201100, China)

As a result of the thermal deformation and mechanical vibration on satellite structure, the payload’s pointing regarding to the precision standard will be rotated with a small angle. In this background, a measurement method based on laser Position Sensitive Detector (PSD) technology for this purpose was suggested and a prototype was developed. This method uses unparallel double-beams, double light sources, double mirrors, and double sensors. And the measuring device has compact structure, small volume, light weight, and flexibility for layout. This experiment result shows that the measuring system is very suitable for satellite application and can meet the measurement requirement.

payload pointing; angle measuring; laser; position sensitive device

1003-501X(2016)09-0051-05

V47

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.09.009

2015-12-31；

2016-03-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51505294)

方無迪(1990-)，男(漢族)，福建莆田人。碩士，助理工程師，主要從事衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變形測量技術(shù)的研究工作。E-mail：fangwudi@foxmail.com。