SAME亮点 | 数字化标校，助力光学系统看得更准、性能更稳
导读
舰载、机载、车载等各类平台复杂光机系统，要想保持长期稳定的光机性能，精准的数字化标校尤为重要。其中光轴指向误差数字化标校是一种基于指向误差数学模型对系统误差进行标定并由伺服执行机构进行误差补偿校正的技术。相比传统的光机装调标校，其具有高效、高精度、可集成等优势。
华中光电技术研究所智能光电与数字制造实验室基于天文导航基本原理构建标校基准，并针对一型离散式光学系统的光轴指向误差进行了数字化标校的数学建模和原理验证，为复杂光学系统光轴指向误差标校提供有益参考，被选为《光学学报》空间、大气、海洋与环境光学SAME专题刊亮点文章。
文章来源：赵宏达, 李顺合, 江涛, 方昉. 离散式光学系统光轴指向误差建模与数字化标校[J]. 光学学报, 2023, 43(18): 1812004.
1. 研究背景
为了满足复杂光学系统误差快速标校并保持长期稳定的光机性能需求，数字化标校成为了舰载、机载、车载等各类平台复杂光电系统指向误差标校的主要技术手段，其建模和测试方法已成为目前光学系统标校的研究热点。
近年来，随着光学系统焦距、作用距离、敏捷性等核心性能指标的提升，新一代光电系统普遍采用离散式光机体制将离轴三反、扫描反射镜、快反镜和折转镜等一系列光机组件以及惯性测量单元（IMU）等测量传感器进行集成，急剧增大了光路复杂程度，降低了装调精度和光机稳定性。相比传统的物理标校，数字化标校不依赖于修切或研磨，而是通过对系统误差数学建模并对包含误差参量的方程组进行求解获得系统误差参量，并通过伺服控制加以补偿。数字化标校技术对提高指向精度、保持复杂光学系统光机稳定性具有重要意义。
数字标校技术的核心和难点是系统误差建模与目标基准构建。针对上述两个方面，华中光电技术研究所光学精密机械与控制中心以一型离散式光学系统为研究对象、开展了光学系统数字化标校的建模与基准构建研究，并进行了试验验证。
2.光轴指向误差建模与基准构建研究
本研究针对复杂光学系统提出了基于测星法的光轴指向误差建模与标校技术。以一型离散式光学系统为研究对象，分析总结了误差来源，如图1所示。该模型中影响光轴指向精度的误差因素包含：以扫描镜位姿误差、轴系正交性误差、折转镜位姿误差等为代表的系统误差；以扫描镜伺服旋转轴系倾角回转误差为代表的随机误差以及IMU漂移引入的量测误差等。采用四元数数学方法建立了包含系统误差和测量误差的光轴指向误差模型。
图1 离散式光学系统误差分析
误差解算模型是方法的关键技术之一。提出的技术路径如图2所示。在假设误差为小量的前提下，将包含误差参量的三角函数项作泰勒级数展开，忽略二阶及以上高阶小量，将指向误差方程线型化。以误差为未知量，合并同类项后，未知量系数中包含扫描镜测角值、IMU姿态读数以及基准地理系理论值。通过最小二乘原理可构建误差估计模型以及标校精度估计模型。
图2 误差参量及标校精度估计路线图
高精度目标基准构建是光学系统外场数字标校难点。随着天文导航技术的不断发展，在高精度时统和导航设备的加持下，星体地理系位置误差已控制在角秒以内，是一种天然的高精度标校基准。文中跟踪一定数量星体，同步记录日期、时间、经纬度信息，并由天文导航原理解算获得光轴指向理论值；同时记录光学系统的方位、俯仰轴系测角、IMU姿态数据等信息，构建误差参量解算方程中的系数矩阵和向量，最终由图2技术路线获得误差参量和精度估计值。
图3 测星采样过程
最后，根据解算误差参数在光学系统运动变换层进行误差补偿。通过跟踪验证星体并根据目标星体地理系理论值与测量值分别计算标校前后光轴指向误差。分析表明，针对研究采用的光学系统样机标校后指向误差均方根（RMS）值由398.15″降低为11.61″，指向精度提升97%，如图4所示。
图4 标校前后光轴指向误差对比
3.后续工作展望
数字化标校技术在实现复杂光学系统光轴指向误差校正，保持光机长期稳定性方面取得了显著效果。今后我们将从更复杂的光机体制、更高效的求解算法、更便捷的标校基准三个方面继续在相关领域开展前沿性研究工作，不断提高光电装备数字化标校技术水平。
课题组简介
光学精密机械与控制中心作为华中光电技术研究所三级研发部门，主要研究方向包括：光机集成建模、机电一体化建模、数字化装调建模、精密数字制造、高精度复合控制、精密执行元件等理论建模与工程化实现，主要任务是为所防务产业和应用产业有关产品的研制和改进提供有关理论支撑与技术服务。
通信作者简介
赵宏达，男，博士，高级工程师，现为华中光电技术研究所光学精密机械与控制中心光机方向负责人，主要从事复杂光学系统数字化标校、光机动力学、光机集成等方向相关研究。以第一作者在Applied Optics、光学学报、振动与冲击等国内外期刊发表SCI、EI等论文十余篇。
科学编辑 |赵宏达
编辑 |王晓琰
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（网络首发）