研究背景

由于空間環(huán)境的殊性，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)航天器時(shí)對(duì)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(cè)，包括表征、熱力模擬環(huán)境和高真空試驗(yàn)的相關(guān)性活動(dòng)。

MTG氣象衛(wèi)星是指歐洲下代地球同步軌道氣象衛(wèi)星計(jì)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(cè)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(bào)服務(wù)的連續(xù)性。MTG成像衛(wèi)星將攜帶兩臺(tái)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(gè)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(yàn)）采用attocube的皮米精度激光干涉儀 IDS3010，對(duì)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(yàn)。

該試驗(yàn)在儀器的不同區(qū)域，監(jiān)控其后續(xù)光學(xué)元件相對(duì)位移，測(cè)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(duì)平面基準(zhǔn)相對(duì)位置的穩(wěn)定性進(jìn)行了個(gè)多星期的持續(xù)測(cè)試。

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

實(shí)驗(yàn)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(cè)量例如真空及環(huán)境下的納米變形。IDS3010有三個(gè)單的測(cè)量軸，并且可以同時(shí)測(cè)量，這樣就能夠使用戶得到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的角運(yùn)動(dòng)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(cè)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(cè)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(gè)儀器反射回自身。通過監(jiān)測(cè)波前誤差的變化，可以確定儀器的每個(gè)光學(xué)元件的運(yùn)動(dòng)。

為了確保所測(cè)波前誤差的變化不是由于平面參考鏡相對(duì)于儀器的移動(dòng)而引起的，使用四個(gè)IDS3010探頭來監(jiān)測(cè)該平面參考鏡相對(duì)于儀器的對(duì)準(zhǔn)穩(wěn)定性（總共4個(gè)聚焦型激光探頭位于平面參考鏡后面48 mm處，4個(gè)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(cè)量次，精度于1角秒。在11天的完整試驗(yàn)期間用來檢測(cè)其穩(wěn)定性?？蛻敉ㄟ^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(chǔ)監(jiān)測(cè)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(shí)驗(yàn)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(cè)試

為了校準(zhǔn)IDS3010不同探頭之間的距離，需要進(jìn)行初步測(cè)試（每個(gè)傳感器探頭與用于角度計(jì)算的距離，名義上為100 mm）。為此，平面參考鏡的電動(dòng)框架被用來產(chǎn)生任意角度的運(yùn)動(dòng)。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(cè)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(duì)齊之后，即在Shack-Hartmann傳感器和IDS3010傳感器之間執(zhí)行另個(gè)交叉校準(zhǔn)，以補(bǔ)償IDS3010傳感器相對(duì)于Shack-Hartmann傳感器的時(shí)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(cè)量的目的是觀察周多的時(shí)間內(nèi)連續(xù)監(jiān)測(cè)參考鏡相對(duì)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(cè)試角度精度甚至比個(gè)角秒還要好。理論計(jì)算表明，其測(cè)試分辨率可以到達(dá)0.021角秒（等于5.8u°），實(shí)際讀數(shù)會(huì)受試驗(yàn)裝置振動(dòng)的限制。