多姿态鲁棒性误差分离的拼接探测器平面度测量方法

本技术涉及光学平面度测量，具体而言涉及一种多姿态鲁棒性误差分离的拼接探测器平面度测量方法。

背景技术：

1、拼接探测器是大口径望远镜焦平面系统的重要组成部分，多个探测器单元需要在空间上形成近似共面的焦平面。拼接探测器的空间位置一致性和焦面几何精度直接影响像面配准、焦面装调和全视场成像质量，其离焦、高度差及热载荷引起的面形变化会导致像质不均匀和测量精度下降。因此，拼接探测器的平面度检测是大口径大视场望远镜研制与装调中的关键环节。

2、现有平面度检测方法主要包括干涉测量、单探头扫描测量和双探头差分测量等。其中，干涉测量具有较高的面形检测精度，但对被测表面反射特性、环境稳定性和安装姿态要求较高；单探头扫描测量结构简单，但其结果容易同时包含平台运动误差、系统漂移和被测面形，难以在扫描过程中直接区分；双探头差分测量方法通过两个测量传感器同步采集标准面与被测面信息，可在一定程度上抵消平台公共漂移与环境缓变误差，适合用于拼接探测器或大尺寸平面元件的扫描式面形检测。

3、在以双探头同步测量为原理的拼接探测器平面度检测中，常用测量结构包括共架并列式和上下对称夹持式。其中，共架并列式结构安装方式简单，标准面与被测面均处于自然支承状态，不需要对拼接探测器进行夹持，可降低装夹应力和重力变形对测量结果的影响；同时，两个测量面位于同侧测量空间，便于坐标统一和区域配准。然而，在共架并列式双探头差分测量结构中，两个探头并非作用于完全相同的空间位置，连接架的垂向直线度误差、俯仰角误差和滚转误差会以不同权重叠加到两个探头的输出中，使差分结果残留系统误差，表现为低阶趋势项。此外，传动链推力波动、齿槽效应和周期性角运动会导致连接架姿态呈周期变化，该误差在扫描结果中表现为周期性条纹，常与真实面形混叠，难以区分。

4、针对上述问题，现有误差补偿方法大多使用单一姿态标定或简单平面扣除，难以区分仪器固定误差与标定镜自身面形，容易将标定镜面形误判为系统误差并予以扣除，或者将系统误差残留于被测面形中。同时，现有误差补偿多依赖固定查表或低阶模型，在面对局部异常点、边界缺失和不同测量区域时稳定性不足，难以同时抑制低阶趋势项与周期性条纹误差。

5、因此，亟需一种能够在共架并列式双探头同步差分测量结构下，区分仪器固定误差与标定镜自身面形，并抑制低阶趋势项与周期性条纹误差的拼接探测器平面度测量方法。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种多姿态鲁棒性误差分离的拼接探测器平面度测量方法，能够解决上述提到的至少一个技术问题。具体方案如下：

2、根据本技术的具体实施方式，本技术提供一种多姿态鲁棒性误差分离的拼接探测器平面度测量方法，包括以下步骤：

3、获取同步差分观测量数据；

4、获取所述标定镜处于多个姿态状态下对应的多个所述同步差分观测量数据，根据所述标定镜在不同姿态状态下相对于仪器坐标系的位置变化关系，建立所述仪器坐标系与标定镜坐标系之间的姿态映射关系；

5、根据所述姿态映射关系将不同姿态状态下的所述同步差分观测量数据按照标定镜坐标位置进行关联，形成多姿态约束数据；

6、根据所述多姿态约束数据建立鲁棒误差分离模型，所述鲁棒误差分离模型包括：系统误差场、标定镜面形和姿态漂移项；

7、根据所述鲁棒误差分离模型对所述系统误差场、所述标定镜面形和所述姿态漂移项进行鲁棒求解，获得所述系统误差场；

8、获取拼接探测器对应的实测差分观测量数据，根据所述系统误差场对所述实测差分观测量数据进行补偿，获得拼接探测器平面度测量结果。

9、进一步地，所述获取同步差分观测量数据，包括：

10、在同一测量位置获取标准面的高度信息和标定镜的高度信息；

11、根据所述标定镜的高度信息与所述标准面的高度信息之间的差值，得到所述同步差分观测量数据。

12、进一步地，获取多个所述同步差分观测量数据，包括：

13、控制所述标定镜相对于所述仪器坐标系进行平移和翻转，获得不同姿态状态下的所述同步差分观测量数据；

14、记录不同姿态状态相对于初始姿态状态的平移量和翻转方向，根据所述平移量和所述翻转方向确定不同姿态状态对应的姿态映射关系。

15、进一步地，所述形成多姿态约束数据，包括：

16、根据不同姿态状态对应的所述姿态映射关系，将不同姿态状态下仪器坐标系中的测量位置映射至所述标定镜坐标系；

17、将不同姿态状态下映射至同一标定镜坐标位置的所述同步差分观测量数据进行关联，形成跨姿态约束数据。

18、进一步地，所述建立鲁棒误差分离模型，包括：

19、根据不同姿态状态下所述同步差分观测量数据对应的测量位置，建立所述同步差分观测量数据与系统误差分量、标定镜面形分量和姿态漂移分量之间的对应关系；

20、根据所述系统误差分量在所述仪器坐标系中的位置对应关系以及所述标定镜面形分量在所述标定镜坐标系中的位置对应关系，建立所述鲁棒误差分离模型。

21、进一步地，将所述姿态漂移分量，包括：常数漂移、倾斜漂移和弱耦合漂移的多参数形式；

22、根据各测量位置在所述仪器坐标系中的归一化坐标确定所述姿态漂移分量对应的漂移系数。

23、进一步地，所述对所述系统误差场、所述标定镜面形和所述姿态漂移项进行鲁棒求解，包括：

24、根据所述同步差分观测量数据与所述鲁棒误差分离模型的当前预测结果之间的残差确定鲁棒权重；

25、根据所述鲁棒权重对所述残差进行加权，利用加权后的残差交替更新所述系统误差场、所述标定镜面形和所述姿态漂移项；

26、根据更新后的所述系统误差场、所述标定镜面形和所述姿态漂移项重新计算所述残差，并根据重新计算的所述残差进行迭代求解。

27、进一步地，所述交替更新所述系统误差场和所述标定镜面形，包括：

28、根据同一仪器坐标位置对应的多个姿态数据的残差和鲁棒权重，更新所述系统误差场；

29、将扣除所述系统误差场和所述姿态漂移项后的数据映射至所述标定镜坐标系，根据同一标定镜坐标位置对应的多个姿态数据的残差和鲁棒权重，更新所述标定镜面形。

30、进一步地，在所述系统误差场和所述标定镜面形的迭代更新过程中，分别对更新后的所述系统误差场和所述标定镜面形进行邻域平滑处理，对邻域平滑处理后的所述系统误差场和所述标定镜面形进行去均值处理；

31、根据所述系统误差场和所述标定镜面形的相邻迭代变化量与对应收敛阈值之间的关系确定是否停止迭代。

32、进一步地，所述根据所述系统误差场对所述实测差分观测量数据进行补偿，包括：

33、获取拼接探测器实测阶段各测点对应的所述实测差分观测量数据；

34、根据所述系统误差场在所述仪器坐标系中的分布，对所述实测差分观测量数据对应的各测点位置进行空间插值，得到各测点对应的系统误差补偿量；

35、将各测点对应的所述实测差分观测量数据减去对应的所述系统误差补偿量，得到各测点的校正值；

36、根据各测点的所述校正值进行去均值处理，获得拼接探测器平面度测量结果。

37、本技术实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

38、1、本技术提供的一种多姿态鲁棒性误差分离的拼接探测器平面度测量方法，通过在标定阶段控制标定镜相对于仪器坐标系发生平移和翻转，建立仪器坐标系与标定镜坐标系之间的姿态映射关系，将不同姿态状态下的同步差分观测量数据按照标定镜坐标位置进行关联，形成多姿态约束数据，使得固定在仪器坐标系中的系统误差场与固定在标定镜坐标系中的标定镜面形在不同姿态状态下呈现不同的变化规律，解决了单一姿态下系统误差场和标定镜面形因均固定于各自坐标系而无法区分的技术问题，避免了将标定镜面形误判为系统误差或将系统误差残留于被测面形中。

39、2、本技术提供的一种多姿态鲁棒性误差分离的拼接探测器平面度测量方法，通过基于多姿态约束数据建立包含观测方程、姿态漂移参数化形式以及零均值约束的鲁棒误差分离模型，采用huber型鲁棒权重对残差进行加权并交替更新系统误差场、标定镜面形和姿态漂移项，利用鲁棒权重降低局部异常点和随机脉冲噪声对系统误差估计的影响，利用姿态漂移项的多参数形式吸收各姿态特有的装夹和调整偏差，利用邻域平滑约束和去均值处理提高估计结果的空间连续性并抑制边界噪声，解决了现有误差补偿方法面对局部异常点、边界缺失和不同测量区域时稳定性不足、难以收敛的技术问题，提高了误差分离的准确性和求解过程的数值稳定性。

40、3、本技术提供的一种多姿态鲁棒性误差分离的拼接探测器平面度测量方法，通过在多姿态标定阶段获得系统误差场后，在实测阶段采用空间插值将系统误差场映射至实测测点位置并从实测差分观测量数据中扣除，经去均值归一化后输出拼接探测器平面度测量结果，整套方法不改变现有共架并列式双探头同步差分测量结构的硬件组成，仅需增加多姿态标定流程和数据处理算法，便于在既有扫描测量平台上实施，能够同时抑制沿扫描方向的低阶趋势项和沿另一方向调制的周期性条纹误差，有效提高校正后面形测量结果的重复性和可信度。