基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试系统及方法与流程

本发明涉及快反镜测试系统及方法，具体涉及基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试系统及测试方法。

背景技术：

1、快反镜（即快速反射镜，fast steering mirror，简称fsm）是一种用于高速、高精度控制光束方向的关键光学组件，其通过微米级甚至纳米级的精准偏转，实时对激光束的指向进行高精度控制。快反镜具有体积小、质量轻、结构紧凑、速度快、精度高、带宽高等优点，广泛应用于天文望远镜、激光通讯、图像稳定光学系统、自适应光学系统、跟踪瞄准光学系统等领域。

2、在光电成像系统中，快反镜通常承担高精度图像稳定和步进凝视两大核心功能，其控制精度、重复定位精度和扫描线性度等性能指标直接决定了光电系统的稳定精度和成像质量。然而，由于加工精度、内部应力、机械间隙、非线性电子器件等因素的影响，快反镜的实际控制效果不可避免地存在非线性失真，因此需要对其光学定位能力进行充分测量并对控制系统进行补偿。

3、目前，快反镜的性能测试主要采用人工利用经纬仪对快反镜进行手动调整和测量，测试时需由两名以上测试人员配合操作，通过肉眼观测经纬仪读数并手动记录各测试点位的角度数据，再离线进行数据处理，单次完整测试耗时约为1至2小时，极易引入人为读数误差，人员培训成本高，测试过程中需始终保持高度专注，受制于人员疲倦，测量次数和测量点总数的限制，难以获得足够丰富的数据用于后续性能优化和补偿。

4、为了克服人工测试的弊端，现有技术出现了一些自动测试装置，如中国专利cn117309320a公开了一种快调反射镜测试装置，其利用光学自准直原理实现微小角度测量，具体包括光源模块、透镜、分划板、物镜、分光棱镜、光电传感器模块（采用光电位置敏感器件psd）、支承结构、调平机构及数据采集及可视化信号处理模块。其工作原理是：光源出射激光束经透镜压缩、分划板整形后，通过分光棱镜和物镜照射至被测反射镜表面，反射光经物镜和分光棱镜后成像于光电传感器上，光电传感器输出的电流信号经信号处理电路转换为与光斑位置成线性关系的电压信号，进而根据公式计算出反射镜的偏转角度。该装置集成了基于labview的测量软件，能够实时显示光斑位置和测试曲线，并可计算幅值、频率、均方根误差以及扫描线性度误差等参数。然而，上述装置仍存在以下问题：

5、一是功能定位单一，缺乏自动化测试系统架构。该方案实质上仍为一台光学测量仪器，被测快反镜需独立于装置外部固定，装置本身不具备对快反镜进行多角度、多点位自动遍历测试的能力，无法实现“装夹、对准、测试、记录、分析”的全流程自动化。测试过程中仍需大量人工干预，难以真正解放测试人员。

6、二是缺乏对转台轴系误差的修正手段。该装置中，反射镜布置在物镜背面，装置内部未涉及用于承载和驱动快反镜的多轴转台结构。当该装置与外部的多轴转台配合使用时，转台因机械加工和人工安装所引入的轴系非正交误差将直接影响测试精度，而该方案对此类系统性误差缺乏任何检测和补偿机制。

7、三是缺乏对不同型号快反镜的适配能力。该装置对不同尺寸、不同角度偏转范围、不同内部轴系结构（左手系/右手系）的快反镜缺乏灵活适配机制，测试不同型号时需要重新设计光路或调整硬件配置，通用性不足。

8、四是测试配置固化，缺乏灵活性。该装置虽具备数据采集和显示功能，但未能实现通过配置文件灵活调整测试速率、测试点阵、单点保持时间等测试参数的功能，难以根据不同快反镜的系统响应特性进行针对性的测试策略配置。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有快反镜测试装置缺乏全自动测试能力、无法修正转台轴系非正交误差、难以适配不同型号快反镜且测试配置固化，以及缺乏灵活性的技术问题，而提供基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试系统及方法。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案为：

3、一种基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试系统，其特殊之处在于，包括：稳压电源、测试控制单元、光学隔振平台，以及设置在光学隔振平台上的转台、升降支架；

4、所述转台为二维转台，其输出轴包括x输出轴和y输出轴；所述y输出轴通过俯仰电机安装在转台的基座上，x输出轴通过偏转电机安装在y输出轴上；所述x输出轴上安装有测试工装，测试工装用于安装平面镜或待测试二维快反镜；

5、所述升降支架的上侧设置有自准直仪，升降支架用于驱动自准直仪上下运动，以使自准直仪的正中心水平对准所述平面镜或待测试二维快反镜的镜面中心；

6、所述稳压电源的输出端通过电源线缆分别与转台、待测试二维快反镜及自准直仪的电源输入端电连接；

7、所述测试控制单元的输入端通过串口通信线缆分别与转台、自准直仪的数据输出端以及待测试二维快反镜的反馈端口通信连接；测试控制单元的输出端通过串口通信线缆分别与转台的控制端，以及待测试二维快反镜的控制端口相接；测试控制单元用于：根据自准直仪的读数，标定转台和待测试二维快反镜的正方向；基于施密特正交化方法对转台的实际非正交轴系进行修正；以及控制转台向与待测试二维快反镜偏转方向相反的方向偏转，以对待测试二维快反镜的反射光路进行补偿，使待测试二维快反镜的反射光线始终落入所述自准直仪的视场范围内。

8、进一步地，所述升降支架为手动支架，通过人工操作控制自准直仪的高度；

9、或者，所述升降支架为电动支架；电动支架的电源输入端通过电源线缆与稳压电源的输出端相接，其控制端通过串口通信线缆与所述测试控制单元的输出端相接，用于测试控制单元根据待测试二维快反镜的反射光线调整所述自准直仪的高度，以使待测试二维快反镜的反射光线始终落入所述自准直仪的视场范围内。

10、进一步地，还包括实验桌；

11、所述稳压电源和测试控制单元设置在实验桌的台面上；

12、所述光学隔振平台包括台面、隔振装置及支撑腿；

13、所述隔振装置的下端与支撑腿的上端相接，隔振装置的上端与台面的下侧相接；

14、所述转台和升降支架放置在台面上；

15、所述自准直仪包含校准激光器，用于自准直仪的初步对准。

16、同时，本发明还提供了一种基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

17、s1、搭建上述基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试系统；

18、s2、根据快反镜测试要求预设配置文件，并存储至测试控制单元的对应位置；所述配置文件包括快反镜控制指令θ快反镜_指令和转台控制指令θ转台_指令；

19、s3、启动自准直仪进行预热，使其读数波动低于预设阈值；将平面镜安装于测试工装的对应位置，进行自准直仪的校准；然后，通过测试控制单元控制转台带动平面镜进行摆扫运动，根据当前自准直仪的读数调整自准直仪的姿态，以消除自准直仪引入的像旋；

20、s4、拆除平面镜，将待测试二维快反镜安装在测试工装的对应位置，并与稳压电源和测试控制单元相接；然后，判断是否为所述基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试系统的首次测试，若是，则执行步骤s5；若否，则执行步骤s8；

21、s5、将转台、待测试二维快反镜及自准直仪的坐标系均定位到机械零点；然后，将待测试二维快反镜定位至预设坐标，记录此时的光线偏转方向以分别标定转台和自准直仪的正方向，并将标定结果存储至测试控制单元的对应位置；

22、s6、测试控制单元通过测角指令控制转台运动，采集转台的运动数据并计算转台的x输出轴和y输出轴的实际夹角θ，并判断实际夹角θ是否在90°的预设误差范围内，若是，则执行步骤s8，若否，则执行步骤s7；

23、s7、根据转台的x输出轴和y输出轴的实际夹角θ，利用施密特正交化方法求解转台非正交轴系的标准正交基，根据标准正交基推导非正交坐标系与正交坐标系之间的转换矩阵；然后，根据所述转换矩阵对转台控制指令θ转台_指令进行修正，得到转台修正控制指令θ转台_指令_修正后，并替换测试控制单元内存储的转台控制指令θ转台_指令；

24、s8、测试控制单元根据配置文件中的快反镜控制指令θ快反镜_指令控制待测试二维快反镜进行偏移测试，依次执行快反镜控制指令中的测试点阵，使待测试二维快反镜依次偏转至各目标角度，并在待测试二维快反镜偏转至各目标角度时，通过转台控制指令θ转台_指令或转台修正控制指令θ转台_指令_修正后控制转台向与待测试二维快反镜偏转方向相反的方向偏转，以对待测试二维快反镜的反射光路进行补偿，使待测试二维快反镜的反射光线始终落入所述自准直仪的视场范围内，直至遍历所有测试点阵，根据待测试二维快反镜在偏转至各目标角度时，转台输出的角度值θ转台反馈和自准直仪实时输出的角度偏差值θ自准直仪读数，计算得到所有测试点阵对应的待测试二维快反镜的光学偏转实测值θfsm，实现基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试。

25、进一步地，步骤s3具体为：

26、s3.1、启动自准直仪并等待预设时长以上进行预热，使自准直仪的读数波动低于预设阈值；

27、s3.2、将平面镜安装于测试工装的对应位置，通过自准直仪自带的校准激光器调整自准直仪的摆放姿态，使校准激光器的激光光斑照射于平面镜的几何中心，完成自准直仪的校准；

28、s3.3、测试控制单元控制转台带动平面镜进行摆扫运动，观察自准直仪中平面镜反射光线的读数偏离自准直仪内十字光标的情况，并微调旋转自准直仪，直至平面镜的摆扫读数轨迹与自准直仪内的十字光标重合，以消除自准直仪坐标系与转台坐标系之间的像旋偏差。

29、进一步地，步骤s3.1中，所述预设时长为40分钟；

30、步骤s3.3具体为：

31、s3.3.1、测试控制单元发送转台控制指令至转台，控制转台带动平面镜在转台的x输出轴或y输出轴的方向上进行摆扫运动；

32、s3.3.2、在x输出轴或y输出轴方向摆扫时，观察自准直仪中平面镜反射光线的读数偏离自准直仪内十字光标的x轴或y轴的情况，并根据偏离情况微调旋转自准直仪，直至平面镜在x输出轴或y输出轴的摆扫读数轨迹与自准直仪内十字光标的x轴或y轴重合，以消除自准直仪坐标系与转台坐标系之间的像旋偏差。

33、进一步地，步骤s5具体为：

34、s5.1、通过测试控制单元将转台和待测试二维快反镜的坐标系均定位到机械零点；同时，手动调整自准直仪的坐标系到机械零点；

35、s5.2、通过测试控制单元将待测试二维快反镜定位至预设坐标，记录此时的光线偏转方向，记为第一光线偏移方向；然后，通过测试控制单元将待测试二维快反镜重新定位至机械零点；

36、s5.3、通过测试控制单元控制转台在x输出轴方向上顺时针旋转，观测此时的光线偏转方向，记为第二光线偏移方向；若第二光线偏移方向与第一光线偏移方向一致，则将转台的x输出轴的顺时针方向定义为x输出轴的正方向；否则，将转台的x输出轴的逆时针方向定义为x输出轴的正方向；

37、s5.4、根据转台的x输出轴的正方向，利用右手系或左手系确定转台的y输出轴的正方向；

38、s5.5、通过测试控制单元将转台定位至机械零点，观察自准直仪的读数情况，将自准直仪内十字光标的x轴方向上与第一光线偏移方向一致的方向，定义为自准直仪内十字光标的x轴正方向；

39、s5.6、根据自准直仪内十字光标的x轴正方向，利用右手系或左手系确定自准直仪内十字光标的y轴正方向；

40、s5.7、将转台x输出轴、y输出轴的正方向，以及自准直仪内十字光标的x轴正方向、y轴正方向，存储至测试控制单元的对应位置。

41、进一步地，步骤s7具体为：

42、s7.1、根据转台的x输出轴和y输出轴的实际夹角θ，设转台的x输出轴及y输出轴实际非正交轴系的基向量分别为α1和α2，通过施密特正交化方法分别计算正交化后转台的x输出轴及y输出轴的标准正交基β1和β2；

43、s7.2、根据在真实物理空间中同一点的位置向量在非正交坐标系与正交坐标系下相等这一特征，得到位置向量的同一性等式，并根据该同一性等式推导转台的实际非正交坐标系与理想正交坐标系之间坐标转换关系；

44、s7.3、根据步骤s7.2得到的坐标转换关系，推导非正交坐标系与正交坐标系之间的转换矩阵；

45、s7.4、根据所述转换矩阵对转台控制指令θ转台_指令进行修正，得到转台修正控制指令θ转台_指令_修正后，并替换测试控制单元内存储的转台控制指令θ转台指令。

46、进一步地，步骤s7.1中，所述转台的x输出轴及y输出轴的标准正交基β1和β2的计算公式分别为：

47、、；

48、式中， t为矩阵的转置；

49、步骤s7.2中，所述坐标转换关系的表达式为：

50、；

51、式中，a为转台的基向量，即a=[α1，α2]；b为转台的标准正交基，即b=[β1，β2]；xorig为转台在非正交坐标系下的指令坐标值；xortho为转台在正交坐标系下的坐标值；

52、步骤s7.3中，所述转换矩阵为：

53、；

54、步骤s7.4中，所述转台修正控制指令θ转台_指令_修正后的矩阵形式为：

55、

56、所述转台修正控制指令θ转台指令_修正后的坐标形式的为：

57、。

58、进一步地，步骤s2中，所述快反镜控制指令θ快反镜_指令包括：

59、待测试二维快反镜的测试点阵、单点保持时间参数、单点测试调整时间参数，以及快反镜内部轴系类型标识；

60、步骤s6中，所述测角指令包括快反镜点阵指令和转台点阵指令；其中，快反镜点阵指令的坐标全部为零位指令，即坐标为（0，0），转台点阵指令的坐标分别为：（x1，0），…，（xm，0）和（0，y1），…，（0，yn）；式中，m为转台的x输出轴的坐标个数，n为转台的y输出轴的坐标个数；

61、步骤s8中，所述待测试二维快反镜的光学偏转实测值θfsm的计算公式为：

62、；

63、式中，θ转台反馈为转台的内置编码器反馈的角度值，θ自准直仪读数为自准直仪实时输出的角度偏差值。

64、与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

65、1、本发明基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试系统及方法，通过测试控制单元集成了正方向标定、转台轴系修正及反向偏转补偿等核心功能，实现了对待测试二维快反镜的全流程自动化闭环测试，无需人工读取经纬仪数据，测试过程中无需人工干预，大幅降低了测试人员的操作负担和人为读数误差，测试效率相比人工经纬仪测量方式提升数倍以上。通过测试控制单元控制转台向与快反镜偏转方向相反的方向进行偏转，对反射光路实施主动补偿，使快反镜在大角度偏转时反射光线始终落入自准直仪的有限视场范围内，突破了自准直仪视场受限的技术瓶颈，实现了对大角度偏转范围快反镜的高精度光学测量。同时，通过测试控制单元基于施密特正交化方法对转台的实际非正交轴系进行修正，消除了转台因机械加工和人工安装所引入的轴系非正交误差，从根源上保证了测试系统本身的精度和可靠性，无需频繁对转台进行人工机械校准，节省了系统维护成本。本发明能够适配不同型号不同角度偏转范围的快反镜，仅通过更换不同尺寸的转台和快反镜工装实现对各型号快反镜的适配，大幅度降低了测试成本。

66、2、本发明基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试系统，通过将升降支架设置为手动支架或电动支架的两种可选方案，用户可根据实际使用场景和成本预算灵活选择。其中，手动支架方案结构简单、成本低廉，适用于实验室环境中的单次对准操作；电动支架方案通过测试控制单元依据快反镜反射光线自动调节自准直仪高度，实现了对准环节的进一步自动化，特别适用于需频繁更换不同尺寸快反镜的批量测试场景，可有效减少人工对准耗时，提升批量测试效率。

67、3、本发明基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试系统，通过设置实验桌将稳压电源和测试控制单元与光学隔振平台分离布置，避免了电源设备和控制设备的振动源直接传递至光学平台，配合光学隔振平台自身的隔振装置，有效抑制了环境振动对自准直仪测量精度的干扰，保证了测试数据的重复性和准确性。同时，通过在自准直仪上集成校准激光器，在系统初始对准阶段可直观地通过激光光斑位置完成自准直仪的初步姿态调整，相比传统仅依靠目视观察的粗对准方式，大幅降低了操作难度和对操作人员的经验要求，缩短了测试准备时间。

68、4、本发明基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试方法，通过将首次测试与非首次测试进行路径分流，避免了同一台设备每次测试前重复进行耗时的标定操作，尤其适用于批量生产测试场景，显著提升了批量测试的整体效率。通过对转台x输出轴和y输出轴的实际夹角进行实时测量判断，仅在确认存在非正交误差时才触发施密特正交化修正，避免了在所有情况下均执行修正算法所造成的不必要计算，保证了测试控制单元的运算资源得到合理分配，提升了系统响应速度。同时，通过采用施密特正交化方法推导非正交坐标系与正交坐标系之间的转换矩阵，对转台控制指令进行修正后替换原始指令，修正过程无需拆卸或机械调整转台硬件，修正方式简便快捷。

69、5、本发明基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试方法，通过依次执行预热稳定、激光粗对准和摆扫消除像旋的三级初始化操作，构建了一套完整的自准直仪校准流程；预热步骤通过设置40分钟的最低预热时长阈值，确保了光源和电子器件的热稳定性，消除了温度漂移对读数的干扰；校准激光器粗对准步骤确保了反射光线能够初步进入自准直仪视场；摆扫消除像旋步骤通过转台带动平面镜主动摆扫，将自准直仪读数轨迹与十字光标精确重合，彻底消除了自准直仪摆放姿态引入的像旋误差。同时，在进行像旋消除时，仅在x输出轴或y输出轴中任意一个方向上进行摆扫即可完成消除操作，进一步简化了系统初始化流程，提升了操作效率。

70、6、本发明基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试方法，通过将待测试二维快反镜定位至预设坐标，记录其光线偏转方向作为基准方向，再驱动转台顺时针旋转并对比其光线偏转方向与基准方向的一致性，以判定转台x输出轴的正方向，判别逻辑清晰、操作简便，无需借助外部角度测量仪器即可完成正方向标定。在完成转台正方向标定后，利用右手系分别确定转台y轴正方向和自准直仪x、y轴正方向，确保了转台坐标系、快反镜坐标系和自准直仪坐标系三者方向定义的一致性，并将标定结果存储至测试控制单元，为后续测试中的坐标映射和数据融合提供了统一的基准，避免了坐标系方向混乱所导致的数据处理错误。

71、7、本发明基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试方法，通过将施密特正交化方法以明确的数学公式形式固化为转台轴系修正的计算核心，利用计算公式对转台的实际非正交轴系进行正交化处理，再通过矩阵求逆推导出非正交坐标系与正交坐标系之间的转换矩阵，修正过程具有严格的数学理论支撑，修正精度可控且可复现。最终推导得到修正后转台控制指令的矩阵形式与坐标形式，其中修正矩阵的结构简洁、计算量小，在嵌入式测试控制单元上即可实时完成修正运算，无需配备高性能计算机，降低了系统硬件成本，同时保证了转台在测试过程中的实时响应速度。

72、8、本发明基于正交化转台轴系修正的高精度快反镜测试方法，通过配置文件包含测试点阵、单点保持时间和调整时间，用户仅需修改配置文件即可灵活调整测试策略，以适应不同快反镜的系统响应特性，可使用本发明实现对快反镜二维点阵的测试，为快反镜后续性能优化算法提供了更丰富的数据支撑。在测角指令中将快反镜点阵指令全部设为零位指令，转台点阵指令分别独立分布于x轴正负半轴和y轴正负半轴，确保在测量转台轴系夹角时快反镜始终保持不动，排除了快反镜自身偏转对转台轨迹拟合的干扰，使得转台实际轴系夹角的测量结果更加纯净和准确。