天問一號高分相機主光機在線裝調技術研究

王克軍，董吉洪，朱時雨，李威，孟慶宇

天問一號高分相機主光機在線裝調技術研究

王克軍*，董吉洪，朱時雨，李威，孟慶宇

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

天問一號高分相機采用了離軸三反光學系統(tǒng)，指標精度高，結構復雜，研制周期短。鑒于上述要求，對離軸三反光學系統(tǒng)的計算機輔助裝調技術進行了深入研究，并應用到天問一號高分相機主光機結構的裝調過程中，利用計算機輔助裝調技術使天問一號高分相機主光機結構的裝調指標迅速收斂。各個視場的平均系統(tǒng)波像差優(yōu)于/14，在特征頻率57.1 lp/mm的平均傳遞函數0.381。此外，對主光機結構開展了一系列的環(huán)境模擬試驗，包括力學應力篩選試驗、高低溫循環(huán)試驗和失重環(huán)境適應性試驗。在經歷試驗后，各技術指標均變化很小，基本滿足總體設計指標要求。天問一號成功發(fā)射，傳回了清晰的火星照片，進一步驗證了計算機輔助裝調技術的裝調效果。

天問一號；空間遙感器；系統(tǒng)裝調；離軸三反；力學試驗

1 引　言

空間遙感相機的光學系統(tǒng)結構布局主要包括三種：折射式、折反式和全反式。光學系統(tǒng)全部由透鏡組成的叫做折射式光學系統(tǒng)，既有透鏡又有反射鏡組成的叫做折反射式系統(tǒng)，全部由反射鏡構成的叫做全反式系統(tǒng)。

簡單的光學系統(tǒng)可憑借裝調人員的裝調經驗、觀察星點、鑒別率等完成光學系統(tǒng)的裝調，周期長、費時費力。隨著空間觀測指標的增高，光學系統(tǒng)的復雜程度越來越高，尤其是對于復雜的離軸多反光學系統(tǒng)，傳統(tǒng)的裝調方法已經無能為力，計算機輔助裝調技術應運而生。計算機輔助裝調技術是通過實時檢測光學系統(tǒng)，得到整個光學系統(tǒng)的系統(tǒng)波像差，對該波像差進行處理和優(yōu)化，確定光學系統(tǒng)各個光學組件的調整方向及調整量，實現各個光學元件的最佳位置裝配，保證光學系統(tǒng)的成像質量接近理論設計值［1-3］。

本文基于天問一號選用的離軸三反光學系統(tǒng)的高精度指標設計和短周期裝調要求，深入研究了計算機輔助裝調的基本理論，結合天問一號離軸三反光學系統(tǒng)的特點，實現在線快速裝調，并對系統(tǒng)開展各項環(huán)模試驗和測試。

2 離軸三反計算機輔助裝調理論

光學系統(tǒng)的計算機輔助裝調技術是利用實測的手段獲得光學系統(tǒng)的波像差系數，利用計算機建立系統(tǒng)模型獲得光學系統(tǒng)中各個光學元件的失調量大小以及方向，確定裝調的開展方向，進行有限次數的迭代，保證最終的光學系統(tǒng)的光學像質接近光學系統(tǒng)的理論設計值，接近或達到系統(tǒng)的衍射極限。在理想情況下，光學系統(tǒng)的系統(tǒng)像差是能達到設計值的。在面形誤差達到設計指標的前提下，如果光學元件存在失調，將帶來系統(tǒng)像差的變化，光學元件的失調量與系統(tǒng)像差之間存在著對應關系。所以，如果已知系統(tǒng)像差，通過建立光學元件的失調量數學模型，也就是失調矩陣，可以獲得光學元件的失調量。

建立光學元件失調量數學模型-失調矩陣是開展計算機輔助裝調的必要環(huán)節(jié)，所建數學模型的精度與光學元件失調量求解的精度直接相關，建立失調量數學模型的常用方法有逆向優(yōu)化法（評價函數回歸法）、靈敏度矩陣法、人工神經網絡法、矢量像差法、差分波前采樣法、遺傳算法等［4-7］。在此，詳細介紹應用較多的逆向優(yōu)化法和靈敏度矩陣法。

2.1　逆向優(yōu)化法

在進行光學系統(tǒng)的設計時，要對光學系統(tǒng)的各個參量進行整體優(yōu)化，優(yōu)化的目標是獲得滿足指標要求的光學系統(tǒng)，誤差函數的值則代表了光學系統(tǒng)中的各個參數值與設計人員給出的設計目標值的偏差，在最理想情況下，誤差函數值應該是零。在光學設計軟件CODE V 中誤差函數如公式1所示：

2.2　靈敏度矩陣法

利用矩陣形式表示上述方程組可大大簡化該表達式。

則（4）式可簡單處理成：

靈敏度矩陣法的使用前提是光學系統(tǒng)的像差和失調量函數關系符合線性關系，而實際情況是該線性關系只有在失調量很小的情況下近似成立；也就是說，裝調誤差很小時，計算出的失調量準確度高，失調量很大時，計算出的失調量誤差很大，對裝調來說意義不大。逆向優(yōu)化法在失調量大的情況下也有很高的精度，克服了靈敏度矩陣法的缺點。但是，逆向優(yōu)化法是基于光學設計軟件的自動優(yōu)化功能來獲得系統(tǒng)失調量，假如光學系統(tǒng)失調量個數很多，優(yōu)化耗時會很長。

3 光學系統(tǒng)及主光機結構形式

3.1　光學系統(tǒng)

離軸三反光學系統(tǒng)是以三反消像散為基礎發(fā)展而來，離軸三反光學系統(tǒng)舍棄光學對稱性，增加鏡面偏心和偏軸等自由度，增加了像差校正的自由度，增加了視場角度，常作為空間光學遙感光學系統(tǒng)的重要選型。天問一號遙感器的光學系統(tǒng)采用了離軸三反光學系統(tǒng)，其結構布局形式見圖1。

圖1　天問一號高分相機光學系統(tǒng)結構布局

天問一號高分相機光學設計參數為：

（a）焦距′=4 640 mm；

（b）通光口徑D=387 mm；

（c）12；

（d）視場角2=2°（9 km幅寬對應視場角：2=1.95°）；

（e）系統(tǒng)波像差優(yōu)于/14（包括加工殘差和裝配殘差等）；

（f）光學傳遞函數在632.8 nm譜段上的全視場靜態(tài)平均MTF優(yōu)于0.34@57 lp/mm（包括加工殘差和裝配殘差等）。

（g）像面長度2＞157.90 mm（對應星下點9 km幅寬）；

（h）像面寬度2=56.13 mm（考慮TDI CCD拼接、彩色TDI CCD通道與面陣CMOS）。

3.2　光機結構

天問一號高分相機的主光機結構主要包括：框架、主鏡、次鏡、三鏡和調焦鏡，調焦鏡將系統(tǒng)焦面折轉到主三鏡之間的位置，使得整個結構緊湊，主光機結構詳見圖2。主光機結構裝調優(yōu)劣的評價指標是系統(tǒng)波像差和傳遞函數。

圖2　天問一號高分相機主光機結構

4 主光機結構裝調

4.1　裝調技術要求與難點分析

（1）單鏡面形RMS值優(yōu)于/50（=632.8 nm）；

（2）裝調檢測環(huán)境溫度：20 ℃±2 ℃；

（3）各個視場的平均系統(tǒng)波像差優(yōu)于/14；

（4）MTF要求：采用位相法檢測，在632.8 nm譜段全視場靜態(tài)平均MTF優(yōu)于0.34@57 lp/mm。

天問一號有效通光口徑為387 mm，離軸三反光學系統(tǒng)，三塊反射鏡，每個反射鏡有六個空間自由度，共計十八個空間自由度，空間定位難度大。

考慮發(fā)射成本，整個相機開展了高度的輕量化設計，尤其是反射鏡組件和框架組件，輕量化率很大，剛度和強度均有大幅度的降低，對外界載荷如裝配應力等因素的敏感度更高。

4.2　裝調策略

天問一號高分相機主光機結構的系統(tǒng)裝調分為粗調和精調，粗調采用補償器穿軸的手段完成，精調采用計算機輔助裝調技術靈敏度矩陣法來完成。粗調將各個反射鏡調整到接近理論位置，作為利用靈敏度矩陣法進行計算機輔助裝調的精度基礎，而靈敏度法計算機輔助裝調的前提恰恰是光學系統(tǒng)光學元件的各個自由度的失調量不能太大。

在離軸三反光學系統(tǒng)裝調中，首先要確定需要調整的自由度參數。系統(tǒng)中共有三個反射鏡，每個反射鏡有6個自由度，共18個調整自由度。根據反射鏡的公差情況，先固定一個反射鏡，即可減少6個自由度；由于該光學系統(tǒng)三塊反射鏡共母軸且母鏡鏡面繞母軸回轉對稱，可去掉次、三鏡繞光軸的旋轉的自由度；所以，在裝調中，需要調整的自由度為10個。

光機結構的裝調過程就是調整參數的過程，主要是由理論計算和實際操作兩部分構成。理論計算是確定裝調方向和調整量，實際操作則是實現理論計算，裝調流程見圖3。

圖3　裝調流程

對光學加工完成后的各個光學反射鏡進行檢測，獲得反射鏡實際的光學參數（如半徑，離軸量，面形等）。面形參數（頂點半徑、二次曲面系數、離軸量等）的加工誤差，可以通過調節(jié)各鏡面間間隔加以補償；各個鏡面和像面的位置誤差，在地面裝調時可以有多個相互補償的環(huán)節(jié)，例如可通過控制像面的離焦量加以補償。

將實際反射鏡的光學參數重新帶入到光學設計軟件中，重新確定系統(tǒng)間隔等光學參數，從新公差分析得出各反射鏡的公差，根據各反射鏡的公差嚴格程度來判斷裝調基準，即公差最嚴的反射鏡作為固定基準，其它參數就是要調整的參數。同時在公差分析中，對所確定的調整參數，分析計算出調整的靈敏度矩陣，確定調整參數的優(yōu)先級，明確調整參數的先后順序，從而指導裝調迅速收斂［8-11］。

4.3　光學裝調

選用高精度的大理石平臺做基準平臺，采用激光跟蹤儀或便攜式測量臂調整標定三個補償器的空間位置，依據三個補償器各自與對應反射鏡的相對位置關系，利用基準傳遞，確定三個反射鏡組件的空間位置，利用干涉儀粗調系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)波像差。以此系統(tǒng)波像差為基礎，利用計算機輔助裝調技術確定各個反射鏡的失調量并調整，檢測各個視場的像質和傳函，監(jiān)視三個反射鏡組件的空間位置，調整框架，令主鏡與框架無應力連接。按照理論位置安裝調焦鏡組件，將焦面引出到主三鏡組件的理論位置，監(jiān)視系統(tǒng)像質及各個反射鏡的空間位置，測量并修研次鏡調整墊，將次鏡與框架無應力連接。監(jiān)視系統(tǒng)像質，測量及修研三鏡組件修研墊，將三鏡組件與框架無應力連接，修研調焦鏡修研墊并連接，測量系統(tǒng)各個視場的像質、焦距、分辨率和靜態(tài)傳函，合格后將基準傳遞至框架，安裝調整指向棱鏡。

431光學系統(tǒng)粗裝調

相機的三個非球面反射鏡共計18個自由度，包括9個轉動量和9個平移量，分解后單獨測量、單獨調整，角度用自準式光管和經緯儀測量，平移用高度尺、測桿測量。

光學系統(tǒng)的裝調主要就是各個反射鏡平移量和旋轉量的調整，光學粗裝調是低精度裝調，粗裝調的目的是快速建立精裝調的基礎。

粗裝調前檢測三個反射鏡組件和調焦鏡的鏡面面形誤差，確保每個組件的面形精度優(yōu)于/50（=632.8 nm），見圖4～圖7。

采用三坐標精測鏡組件上與框架連接法蘭面的平面度、框架上與鏡組件連接法蘭面的平面度，防止裝配應力引入單鏡組件面形的變化。

將主鏡組件按照理論位置直接固定于桁架組件，配打銷釘。利用主鏡補償器和干涉儀檢測主鏡面形，將主鏡的位置基準傳遞到主鏡補償器上，按照主鏡補償器和三鏡補償器理論位置關系，以主鏡補償器作為基準，利用激光跟蹤儀確定三鏡補償器的空間位置，再以三鏡補償器為基準，確定三鏡組件的空間位置，位置精度在0.05 mm以內；同理，按照主鏡補償器與次鏡補償器之間的理論位置關系，以主鏡補償器為基準，同三鏡組件的空間定位手段一樣，確定次鏡組件的空間位置關系，將調焦鏡安裝到理論位置，把焦面折轉到實際的焦面位置。利用平面反射鏡和干涉儀搭建系統(tǒng)光路，系統(tǒng)波像差檢測光路見圖8，系統(tǒng)裝調現場如圖9所示。

圖4　主鏡組件面形誤差

圖5　次鏡組件面形誤差

圖6　三鏡組件面形誤差

圖7　調焦鏡組件面形誤差

圖8　系統(tǒng)波像差檢測光路

圖9　系統(tǒng)裝調現場

將平面反射鏡固定至大理石平臺，調整小型球面干涉儀與平面鏡使系統(tǒng)成像。檢測（0.1°，1°）視場、（+0.37°，0°）視場、（0.1°，+1°）視場等如圖10所示的9個視場的像質情況。

圖10　系統(tǒng)裝調視場分布

粗裝調完成后，系統(tǒng)的平均波像差為0.202 5λ（/4.9），平均傳遞函數0.110。

432光學系統(tǒng)精裝調

光學系統(tǒng)精裝調是在光學系統(tǒng)粗裝調基礎上開展的。精裝調的目的是將光學系統(tǒng)的成像質量調整到最佳狀態(tài)。

利用粗裝調獲得9個視場的系統(tǒng)波像差，計算出各視場出瞳處的Zernike多項式系數，根據多項式系數的大小確定出該系統(tǒng)中占主導地位的像差。光學裝調只是對初級像差進行裝調，所以只用三級像差來表示系統(tǒng)出瞳的波像差，也就是Zernike多項式的前9項即可；根據光學設計的公差分析，計算出各種三級像差相對于調整參數的靈敏度矩陣，確定每一種像差所對應的最敏感調整參數，從而確定針對不同像差的調整策略；根據像差的靈敏度矩陣和實際干涉圖計算出多項式系數，通過矩陣運算求解出針對特定像差的調整參數的失調量大小，對次、三鏡的位移及旋轉進行調整。系統(tǒng)離焦對次鏡、三鏡的平移（）敏感，像散對次鏡角度（TX和）、三鏡角度（和）、次鏡的平移（、）和三鏡的平移（、）都敏感，彗差對次鏡平移（和）和三鏡平移（和）敏感。隨著裝調過程進行，系統(tǒng)的主導像差也是在不斷變化的。在裝調過程中，逐項消除系統(tǒng)中的像差，即先消除主要像差，然后進行微量調整，經過四次迭代此過程，過程中的失調量計算見表1，系統(tǒng)波像差收斂曲線見圖11，最終獲得9個視場的最佳像質。9個視場的系統(tǒng)波像差面形云圖見圖12，各個視場的系統(tǒng)波像差及間接計算傳遞函數見表2。

表1失調計算

Tab.1　Values of misalignment

圖11　系統(tǒng)波像差收斂曲線

利用計算機輔助裝調使得系統(tǒng)的像質和傳函快速收斂到最佳狀態(tài)。系統(tǒng)的平均波像差0.070 8，優(yōu)于/14，平均傳遞函數0.381。精裝調后的指標相對粗裝調后的指標有了明顯的提升。

圖12　精裝調后各視場系統(tǒng)波像差

表2粗調和精裝調后各視場波像差及傳函

Tab.2　System wavefront aberration and transfer function after initial alignment and precision alignment

5 環(huán)境模擬試驗

為充分驗證主光機的環(huán)境適應能力，確保主光機結構具有抵抗外界干擾載荷的能力，對主光機結構開展了多項環(huán)境模擬試驗，包括力學應力篩選試驗、高低溫循環(huán)試驗和失重環(huán)境適應性試驗［12-14］。

5.1　力學應力篩選試驗

天問一號高分相機主光機結構裝調完成后，對主光機系統(tǒng)進行了總均方根加速度4g的隨機振動力學篩選試驗，隨機振動為三個方向。試驗現場見圖13。

圖13　隨機振動力學篩選試驗

試驗前后，分別檢測了主光機系統(tǒng)的系統(tǒng)波像差和傳遞函數，基本不變。說明主光機結構對惡劣的外界振動環(huán)境有足夠的適應能力。

5.2　高低溫循環(huán)試驗

天問一號高分相機工作于火星橢圓軌道，工作過程中溫度環(huán)境很惡劣，為早期驗證主光機結構的熱適應能力。對主光機結構進行了20 ℃～+52 ℃的高低溫循環(huán)試驗，共計8個循環(huán)，試驗環(huán)境見圖14。

圖14　主光機結構高低溫循環(huán)試驗環(huán)境

試驗前后，分別對光學系統(tǒng)進行全視場像質和傳遞函數檢測，基本沒有變化。

5.3　失重環(huán)境適應性試驗

光機裝調是在重力場下進行的，相機發(fā)射入軌后重力消失（或處于微重力狀態(tài)）。為驗證相機無重力狀態(tài)下的光學性能，使相機光機系統(tǒng)相對于裝調狀態(tài)翻轉180°，檢測系統(tǒng)波像差和傳遞函數，如圖15所示。對0°和180°的系統(tǒng)波像差和傳函進行比較，基本無變化，說明光機系統(tǒng)在無重力狀態(tài)下具有良好的光學性能，對重力載荷的有無具有很好的適應性。

圖15　失重環(huán)境適應性試驗

在歷經各項環(huán)模試驗后，復測主光機系統(tǒng)的系統(tǒng)波像差和傳遞函數，各個視場的系統(tǒng)波像差面形云圖見圖16，系統(tǒng)波像差和傳遞函數見表3。

圖16　環(huán)模試驗后各視場系統(tǒng)波像差

表3環(huán)境試驗后各視場波像差及傳函

Tab.3　System wavefront aberration and transfer function after environmental simulation tests

各個視場的平均系統(tǒng)波像差約/13.3，接近光學系統(tǒng)的衍射極限，傳遞函數平均值0.379，大于0.34。

天問一號火星探測相機于2020年7月23日12時41分在海南文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空。歷經大約7個月到達火星環(huán)繞軌道，拍攝傳回火星的圖片見圖17（距離火星約220萬公里）和圖18（拍攝距離火星表面約330～350 km高度，分辨率約0.7 m）。

圖17　火星全貌

圖18　火星局部細節(jié)

6 結　論

針對天問一號高分相機的指標精度高和研制周期短的要求，從研制周期占比較大的裝調入手，深入研究了計算機輔助裝調的原理，采用粗裝調與精裝調（計算機輔助裝調）相結合的裝調策略，使主光機系統(tǒng)的裝調指標迅速收斂，短周期內完成了系統(tǒng)裝調。在歷經力學篩選試驗、高低溫循環(huán)試驗和失重環(huán)境適應性試驗后，各個視場的平均系統(tǒng)波像差約/13.3，接近光學系統(tǒng)的衍射極限，傳遞函數平均值0.379，大于指標要求的0.34。

天問一號拍攝傳回的火星清晰圖片非常也有力地證明了輔助裝調的裝調效果。該裝調方法也可用于其它類似光學系統(tǒng)的裝調。

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Research on on-line alignment technology with main optical-mechanical structure of Tianwen-1 high-resolution camera

WANG Kejun*，DONG Jihong，ZHU Shiyu，LI Wei， MENG Qingyu

（，，，130033，），：1163

The Tianwen-1 high-resolution camera adopts an off-axis three-mirror optical system， with a high precision index， complex structure， and short development cycle. In view of the above requirements， the computer-aided alignment technology of the off-axis three-mirror optical system is thoroughly investigated and applied to the alignment process of the main optical-mechanical structure of the Tianwen-1 high-resolution camera. The application of this technology causes the alignment index of the main optical-mechanical structure of the camera to converge rapidly. The average system RMS is better than/14 for each field of view and the average transfer function is 0.381 at the characteristic frequency of 57.1 lp/mm. A series of environmental simulation tests， including a mechanical test， temperature cycling test， and weightlessness adaptability test， was conducted on the main optical-mechanical structure. Following the experiments， all the technical indexes changed only slightly， thus meeting the requirements of the overall design indexes. Finally， Tianwen-1 was successfully launched， and clear images of Mars were sent， thus proving the effectiveness of the computer-aided alignment technology.

Tianwen-1； space remote sensor； system alignment； off-axis three-mirror； mechanical test

TH751

A

10.37188/OPE.20223002.0199

王克軍（1982），男，山東樂陵人，博士，研究員，2006年、2008年于吉林大學分別獲得學士、碩士學位，2016年于中國科學院大學獲得工學博士學位?，F主要從事空間遙感器光機結構設計。E-mail：wangkejun1@163.com

1004-924X（2022）02-0199-11

2021-01-06；

2021-02-26.

國家青年科學基金項目（No.11703027）