德国Attocube皮米精度激光干涉仪 IDS3010在航天飞行器形变检测上的应用探索

研究背景

       由于空间环境的特殊性，导致在设计航天器时对其所使用的材料有非常严格的限制和要求，尤其是材料的热稳定性。这些严格的限制也体现在飞行器在地面上的严格检测，包括精确表征、热力模拟环境和高真空试验的相关性活动。

       MTG气象卫星是指欧洲下一代地球同步轨道气象卫星计划MTG系列，是由泰雷兹阿莱尼亚太空公司主导。MTG成像卫星的性能将优于目前使用的卫星第二代气象卫星，将前所未有的空间分辨率测量和更快的接地半圆盘重复循环结合，以确保天气预报服务的连续性。MTG成像卫星将携带两台柔性组合成像仪（更换目前在第二代卫星上的旋转增强可见光和红外成像仪（SEVIRI））以及闪电成像仪（如图一所示4个小挡板）。

       德国卫星制造商OHB公司（德国OHB-System 是一家专门从事小卫星系统、分系统研制工作的企业,在小型商业卫星、小型研究卫星及相关分系统的研制、制造和操作方面具有丰富的经验）采用attocube的皮米精度激光干涉仪 IDS3010，对第三代气象卫星（MTG）柔性组合成像仪进行了高真空光-热-力学模型试验。

       该试验在仪器的不同区域，监控其后续光学元件相对位移，测量哈特曼传感器。在真空环境中通过皮米精度激光干涉仪 IDS3010以小于1角秒的精度对平面基准相对位置的稳定性进行了一个多星期的持续测试。

Figure 1: MTG气象卫星效果渲染图. 图片来源于ESA.

实验装置

       attocube的激光干涉位移传感器（IDS3010），如图2所示，其激光通过光纤传输，这样能够测量例如真空及极端环境下的纳米级变形。IDS3010有三个单独的测量轴，并且可以同时测量，这样就能够使用户得到卫星结构的角运动随温度漂移的结构。

Figure 2: attocube 皮米分辨率激光干涉仪

       完整的测试设置如图3所示。Attocube激光干涉仪探头安装在紫色不锈钢结构上。采用Shack-Hartmann波前传感器代替后来的柔性组合成像仪器探测器，在仪器挡板前放置平面参考镜，使Shack-Hartmann传感器发出的光通过整个仪器反射回自身。通过监测波前误差的变化，可以确定仪器的每个光学元件的运动。

       为了确保所测波前误差的变化不是由于平面参考镜相对于仪器的移动而引起的，使用四个IDS3010探头来监测该平面参考镜相对于仪器的对准稳定性（总共4个聚焦型激光探头位于平面参考镜后面48 mm处，4个准直探头安装在仪器上指向2.7 m处的支架上的回射反射器）。这些角度稳定值每秒测量一次，精度优于1角秒。在11天的完整试验期间用来检测其稳定性。客户通过Labview数据库来开发自定义监控软件，允许OHB系统以格式存储监测数据，以便进一步处理数据。

Figure 3: 第三代气象卫星的柔性组合成像仪（MTG-FCI）的实验装置。紫色表示激光干涉仪组件：传感器探头支架和角角锥棱镜支架。以上信息由OHB System AG提供

校准和性能测试

       为了校准IDS3010不同探头之间的距离，需要进行初步测试（每个传感器探头与用于角度计算的距离，名义上为100 mm）。为此，平面参考镜的电动框架被用来产生任意角度的运动。这些角度是由皮米精度激光干涉仪 IDS3010和校准的自准直仪测量得到。IDS3010激光干涉仪在±720角秒范围内表现出良好的线性（<0.1%），并且非常容易校准。再与MTG柔性组合成像仪对齐之后，即在Shack-Hartmann传感器和IDS3010传感器之间执行另一个交叉校准，以补偿IDS3010传感器相对于Shack-Hartmann传感器的时钟。

Figure 4: 自准直仪校准装置设置，图片由OHB提供。

结论

       此次测量的目的是观察一周多的时间内连续监测参考镜相对于卫星的稳定性，精度小于1角秒。使用如上所述attocube公司的激光干涉仪得到的测试角度精度甚至比一个角秒还要好。理论计算表明，其测试分辨率可以到达0.021角秒（等于5.8u°），实际读数会受试验装置振动的限制。