研究背景

由于空間環(huán)境的殊性，導(dǎo)致在設(shè)計航天器時對其所使用的材料有非常嚴(yán)格的限制和要求，尤其是材料的熱穩(wěn)定性。這些嚴(yán)格的限制也體現(xiàn)在飛行器在地面上的嚴(yán)格檢測，包括表征、熱力模擬環(huán)境和高真空試驗的相關(guān)性活動。

MTG氣象衛(wèi)星是指歐洲下代地球同步軌道氣象衛(wèi)星計劃MTG系列，是由泰雷茲阿萊尼亞太空公司主導(dǎo)。MTG成像衛(wèi)星的性能將于目前使用的衛(wèi)星第二代氣象衛(wèi)星，將空間分辨率測量和更快的接地半圓盤重復(fù)循環(huán)結(jié)合，以確保天氣預(yù)報服務(wù)的連續(xù)性。MTG成像衛(wèi)星將攜帶兩臺柔性組合成像儀（更換目前在第二代衛(wèi)星上的旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)可見光和紅外成像儀（SEVIRI））以及閃電成像儀（如圖所示4個小擋板）。

德國衛(wèi)星制造商OHB公司（德國OHB-System 是家門從事小衛(wèi)星系統(tǒng)、分系統(tǒng)研制工作的企業(yè),在小型商業(yè)衛(wèi)星、小型研究衛(wèi)星及相關(guān)分系統(tǒng)的研制、制造和操作方面具有豐富的經(jīng)驗）采用attocube的皮米精度激光干涉儀 IDS3010，對第三代氣象衛(wèi)星（MTG）柔性組合成像儀進(jìn)行了高真空光-熱-力學(xué)模型試驗。

該試驗在儀器的不同區(qū)域，監(jiān)控其后續(xù)光學(xué)元件相對位移，測量哈曼傳感器。在真空環(huán)境中通過皮米精度激光干涉儀 IDS3010以小于1角秒的精度對平面基準(zhǔn)相對位置的穩(wěn)定性進(jìn)行了個多星期的持續(xù)測試。

Figure 1: MTG氣象衛(wèi)星效果渲染圖. 圖片來源于ESA.

實驗裝置

attocube的激光干涉位移傳感器（IDS3010），如圖2所示，其激光通過光纖傳輸，這樣能夠測量例如真空及環(huán)境下的納米變形。IDS3010有三個單的測量軸，并且可以同時測量，這樣就能夠使用戶得到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的角運(yùn)動隨溫度漂移的結(jié)構(gòu)。

Figure 2: attocube 皮米分辨率激光干涉儀

完整的測試設(shè)置如圖3所示。Attocube激光干涉儀探頭安裝在紫色不銹鋼結(jié)構(gòu)上。采用Shack-Hartmann波前傳感器代替后來的柔性組合成像儀器探測器，在儀器擋板前放置平面參考鏡，使Shack-Hartmann傳感器發(fā)出的光通過整個儀器反射回自身。通過監(jiān)測波前誤差的變化，可以確定儀器的每個光學(xué)元件的運(yùn)動。

為了確保所測波前誤差的變化不是由于平面參考鏡相對于儀器的移動而引起的，使用四個IDS3010探頭來監(jiān)測該平面參考鏡相對于儀器的對準(zhǔn)穩(wěn)定性（總共4個聚焦型激光探頭位于平面參考鏡后面48 mm處，4個準(zhǔn)直探頭安裝在儀器上指向2.7 m處的支架上的回射反射器）。這些角度穩(wěn)定值每秒測量次，精度于1角秒。在11天的完整試驗期間用來檢測其穩(wěn)定性。客戶通過Labview數(shù)據(jù)庫來開發(fā)自定義監(jiān)控軟件，允許OHB系統(tǒng)以格式存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便進(jìn)步處理數(shù)據(jù)。

Figure 3: 第三代氣象衛(wèi)星的柔性組合成像儀（MTG-FCI）的實驗裝置。紫色表示激光干涉儀組件：傳感器探頭支架和角角錐棱鏡支架。以上信息由OHB System AG提供

校準(zhǔn)和性能測試

為了校準(zhǔn)IDS3010不同探頭之間的距離，需要進(jìn)行初步測試（每個傳感器探頭與用于角度計算的距離，名義上為100 mm）。為此，平面參考鏡的電動框架被用來產(chǎn)生任意角度的運(yùn)動。這些角度是由皮米精度激光干涉儀 IDS3010和校準(zhǔn)的自準(zhǔn)直儀測量得到。IDS3010激光干涉儀在±720角秒范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性（<0.1%），并且非常容易校準(zhǔn)。再與MTG柔性組合成像儀對齊之后，即在Shack-Hartmann傳感器和IDS3010傳感器之間執(zhí)行另個交叉校準(zhǔn)，以補(bǔ)償IDS3010傳感器相對于Shack-Hartmann傳感器的時鐘。

Figure 4: 自準(zhǔn)直儀校準(zhǔn)裝置設(shè)置，圖片由OHB提供。

結(jié)論

此次測量的目的是觀察周多的時間內(nèi)連續(xù)監(jiān)測參考鏡相對于衛(wèi)星的穩(wěn)定性，精度小于1角秒。使用如上所述attocube公司的激光干涉儀得到的測試角度精度甚至比個角秒還要好。理論計算表明，其測試分辨率可以到達(dá)0.021角秒（等于5.8u°），實際讀數(shù)會受試驗裝置振動的限制。