驅動航太任務成功：以精密運動系統精確驗證 EO 系統極限性能
次像素級運動驗證，成就航太級 EO 可靠性能
從元件到系統級：整合光子學、運動控制與環境模擬（真空/低溫）的航太 EO 測試策略與佈局優化
本文說明光電 (EO) 感測器，以及如何使用運動控制設備進行測試， 內容將討論 EO 感測器、用於驗證其性能的光子學測試類型，以及基本的測試設計規則、選擇合適運動設備的最佳實務、利用運動系統精確導引 EO 感測器視線的不同方法，以及使用運動設備測試感測器時可採用的三種 EO 測試佈局。
EO 感測器與用途
光電感測器廣泛應用於軍事、警務、科學研究、政府實驗室及航太工業等領域， 應用範圍包括實驗室實驗中使用的可見光與紅外線攝影機、計量設備、雷射加工系統、車輛駕駛與防撞感測器、飛彈尋標器、監視與標定系統、望遠鏡及衛星成像系統等；在光電系統的設計階段，工程師會建立模型，模擬感測器在各種光學條件下解析遠距離物件的能力， 物件偵測與辨識性能的模型會考量環境因素的影響，例如大氣干擾、背景溫度、戰場遮蔽物，以及可見光與不可見光的強度等級；在 EO 感測器的製造過程中，必須透過不同的測試來檢驗其理論設計性能，以驗證光學元件與成像器的實際表現。
光子學測試
導入自動化 EO 光子學測試可顯著減少產品測試時間、降低重工成本並提升測試準確度，這些優勢透過降低總體成本、提高感測器品質與良率來實現自我回報；利用自動化運動測試取得的精密光電計量資料，可以進一步用於改善感測器性能， 透過適當的電子設備，影像失真資料可作為查找表，用於即時數位校正感測器影像；結合不同的目標物與各式自動化運動掃描模式，可以測定多項 EO 性能技術規格，這些感測器技術規格包括有效焦距、影像均勻度/失真映射、成像器與光學元件對準、視野 (FOV) 角度量測、最小可解析對比度 (MRC)、最小可解析溫差 (MRTD)、雜散光測試、空間解析度、調制轉換函數 (MTF)、物件追蹤性能及其他光學參數。
由於衛星成像器的性能至關重要， 因此必須驗證每個像素 (pixel) 的雜訊位準、均勻度以及對特定光頻率的偵測性能， 對於衛星 EO 感測器，前述提及的許多測試會在正常大氣條件下執行，並在高真空度（例如 10^-6 hPa 及更低壓力）與低溫（例如深冷級別）下再次執行，以模擬太空環境條件；在這些真空應用中，會對運動系統的材料與潤滑進行特殊調整，以確保在真空腔體中達到低釋氣與耐低溫的運作要求， 運動測試系統可能需要加熱與絕緣，以確保編碼器與馬達正常運作。
結合光子學設備與運動系統
EO 感測器與系統的測試需使用專門的光子學裝置，例如呈現模擬目標的準直儀、用於改變影像波長的濾光輪、解析度條目標、視野失真目標、可變紅外線 (IR) 或可見光光源、雜散光偵測器，甚至是雷射反制設備；通常透過準直儀將物件呈現給感測器，以測試感測器的遠場性能， 利用精確定位在感測器視野內移動這些光子學系統，將提供與感測器設計相關聯的影像資料，用於性能驗證。
由於透鏡會將收斂的角視場投射到一維或二維偵測器陣列上， 因此測試設備目標物必須圍繞感測器焦點以均勻的角度步進移動，才能適當地測試感測器的視野 (FOV)。如果運動系統的移動與穩定精確度低於感測器的像素解析度等級，則可以有效地描述視野特性。
廣角與窄角視野感測器及 EO 系統
感測器等級測試
廣角視野 (WFOV) 感測器用於狀況感知及大範圍物件或目標偵測， 映射失真對於驗證設計與製造至關重要，WFOV 感測器通常在光學中心較遠處會產生更多失真，因為此處透鏡相對於偵測器的角度更大， 這些感測器在 FOV 中心 70% 以外的區域可能出現顯著的影像失真。量測到的失真資料可用於數位校正影像，並在影像上精確定位疊加的符號。
窄角視野 (NFOV) 感測器具有高放大倍率，常用於長距離監視、遠距物件辨識、追蹤與標定；NFOV 的像素解析度通常遠高於 WFOV 感測器，因此運動系統必須進行更小且更精密的運動來測試窄角視野。如圖 1 所示，NFOV 與 WFOV 感測器可安裝於雲台 (gimbal) 上進行性能測試， 步進尺寸、準確度、重複性、視線 (LOS) 抖動以及離軸運動誤差都必須遠小於像素解析度與所需的系統誤差預算。
圖 1. 廣角視野 (WFOV) 與窄角視野 (NFOV) 感測器測試雲台範例。
系統等級測試
在 EO 系統層級，必須將 EO 成像感測器、雷射測距儀/標定器、 具備慣性穩定視線 (LOS) 指向功能的控制系統伺服雲台/支架/莢艙、 影像處理與物件追蹤系統等組合起來進行整體測試，以驗證它們能正確地相互作用並執行功能，如圖 2 所示，可將 EO 監視系統安裝在雲台上，對所有被動與主動 EO 及穩定系統進行測試；另一個系統級測試範例是安裝包含慣性導引自動駕駛系統的飛彈尋標器，並執行結合運動與 EO 的測試；系統級測試通常需要同時呈現 EO 移動目標，而待測物 (UUT) 則透過振動台或傾斜台進行基座運動刺激，以模擬真實世界操作中的載具基座運動或 UUT 的飛行狀態，利用運動系統模擬目標運動與基座載具運動的自動化 EO 測試，是測試完整系統性能與品質驗證的關鍵組成部分。
圖 2. EO 監視系統測試範例。
EO 運動測試系統的基本設計實務
測試運動系統角度性能考量
隨著更高密度的偵測器、更靈敏的成像器與更佳的訊號處理技術的發展，EO 系統的像素解析度與指向精度規格不斷提升；擁有一個高精度且高重複性的角度定位系統，能夠以精確、均勻的步進持續移動目標視線穿過感測器的視野，這對於確保成功的 EO 測試結果至關重要；對於某些測試，例如失真量測，目標物在移動到預定步進位置時，必須與 UUT 保持固定的相同距離，如此才能確保每個位置的 EO 像素解析度一致，保持目標物垂直於 UUT 也相當重要，這樣目標物的對稱性與尺寸透視在每個位置都相同，在測試影像處理/追蹤系統時，會改變目標物的尺寸、透視與遮蔽，以確認追蹤演算法能夠適應變化的目標。
測試設計經驗法則
在設計 EO 測試系統時，請遵循以下運動系統基本原則，以獲取最佳的測試成果：
- 最小化軸數並讓運動盡可能靠近 UUT。
減少運動軸數與堆疊平台數量，將使系統更精確，並減少整體抖動 (jitter)。在視線路徑中增加更多運動軸，會引入其他必須考量的位置誤差源、軸承誤差與能量/抖動來源。
- 嘗試讓運動規格達到 UUT 像素解析度尺寸的十分之一 (1/10th)。
將運動準確度、重複性、最小步進尺寸與抖動控制在小於像素尺寸的範圍內，以獲得良好的測試結果；運動系統必須能夠移動並穩定到比被測感測器解析度更小的等級，否則可能導致影像模糊。
- 運動致動器中的高基礎編碼器 (HFE) 解析度對於最小化測試設備位置誤差與抖動至關重要。
無論是靜態影像分析測試或移動視線測試，運用 HFE 解析度都能實現更低的抖動以及更佳的準確度、重複性與步進性能。
- 測試平台應為剛性、隔振的設備安裝表面。
基座振動、平面度不佳、剛性不足或 UUT 與測試設備安裝表面的分離，都可能對精密量測產生不利影響。當沉重的運動測試系統移動時，可能使其安裝表面傾斜或彎曲。務必考量基座剛性與移動質量可能引起的撓曲關係，並注意安裝表面的撓曲與剛性需要根據 EO 測試要求進行檢查。光學桌提供隔振與通用安裝孔，但其平面度不如精細研磨的花崗岩表面。光學桌在高負載移動下可能彎曲，並導致測試設備的視線誤差。安裝表面平面度會影響運動系統的軸承線性與角度性能，因此必須謹慎確保安裝表面的平面度誤差不會顯著影響運動系統性能，尤其是在需要高精度測試 EO 感測器的場合。
測試佈局決策
第一個測試佈局考量應是決定移動 UUT 還是移動測試設備，UUT、測試設備的實體尺寸與限制，以及測試佈局通常決定了應移動哪個項目；如果 UUT 或測試設備極其龐大，或帶有許多軟管、纜線或其他無法移動或需要高力量或扭矩才能彎曲的元件，則不適合移動；如果可能，應考慮將較小、較少束縛的項目作為移動單元，移動的物體越大，運動系統就會越大且越昂貴。
這些問題驅使測試設計走向三種典型佈局之一：移動 UUT，固定測試設備；利用反射鏡雲台在 UUT 與測試設備之間導引影像視線；以及移動測試設備，固定 UUT。
移動 UUT，固定測試設備佈局
移動 UUT 將最少量的測試設備誤差置於感測器焦點附近，圖 1 和圖 2 展示了移動 WFOV/NFOV 感測器和完整 EO 系統的範例，同時觀看 EO 測試設備，如所示的目標準直儀，將 UUT 安裝在雙軸雲台上，可提供大約 -60 度至 +135 度的垂直測試角度，以及接近 +/-80 度的水平視野測試角度，之後感測器視線會被雲台阻擋；如果上部雲台軸可使用測角儀 (goniometer)，則 UUT 可在水平方向進行 360 度測試，但垂直角度可能僅為 +/-45 度或更小。
在此佈局中，旋轉軸的誤差運動對整體測試精度影響較小，因為 EO 焦點位於雲台軸線中心，如果能將雲台軸承傾斜誤差運動保持在感測器的次像素 (sub-pixel) 等級，並將軸的線性幾何誤差保持在小於一個像素，則此配置將提供非常小的測試設備視線誤差。對齊 UUT 與雲台座標系統非常重要，並且應檢查來自雲台軸正交性與安裝問題的視線串擾 (cross talk)，方法是使用攝影機觀看目標物，並在水平方向（方位角）掃描雲台，同時擷取目標物的垂直影像位置，而不移動俯仰軸。大多數運動控制器具備誤差補償功能，允許控制器透過內插方位角對俯仰角正交性查找表來自動校正正交性誤差。 這些要點能將測試設備的運動誤差降至最低，因此任何 UUT 視線量測結果都能真實反映成像器透過光學元件所見的情況。
在 UUT 與測試設備之間導引視線佈局
一種相對更簡單且高精度的 EO 系統測試方法是，在 EO 感測器附近放置一個反射鏡雲台，以移動 UUT 相對於測試目標的視線，並在 UUT 與測試設備之間精確導引視線，如圖 3 所示，這避免了將 EO 系統安裝到運動系統上，以及處理 EO 系統的纜線、軟管及其他位於運動系統上的元件，反射鏡必須足夠大，以在其表面上導引視線影像直徑（不同於其他兩種測試佈局中移動 UUT 或測試設備的方式）。
測試設計者需要注意，如果反射鏡雲台在方位角上偏離軸線 45 度，則 UUT 影像直徑會是雲台在 0 度時的兩倍，反射鏡雲台的物理行程僅需感測器總 FOV 角度的一半，因為在雲台上反射影像角度會使 EO 感測器與測試設備之間的影像角度加倍；在訂購設備之前，應使用光線追蹤圖 (ray trace diagram) 模擬測試的完整角度影像路徑，以確保其涵蓋感測器 FOV，且雲台的任何部分都不會遮擋 (vignetting) 影像。3D 模型是檢查光學影像干涉並驗證測試佈局具備完整視野能力的有效工具。
圖 3. 在 UUT 與測試設備之間導引視線。
如果成像器位於真空腔體內，可能需要將光子學測試設備置於腔體外部，使用反射鏡雲台將目標視線透過真空腔體窗口反射至腔體內的 UUT，是將非真空額定設備保持在腔體外的有效方法；視線上的折射率變化與窗口變形可以被量測並從測試資料中移除；如果這些誤差無法實際移除，則可能需要將目標與反射鏡雲台放入真空腔體內，使用具有中至高頻寬的反射鏡雲台，也是模擬 EO 系統對移動目標進行操作性感知與追蹤測試的好方法；這同時也是一種更簡單、更經濟實惠的解決方案，因為 UUT 與測試設備的機械和電氣介面無需移動。
固定 UUT，移動目標測試佈局
此測試佈局如圖 4 所示，適用於 EO 感測器非常龐大、沉重，或其特性使其在測試期間無法移動的情況。 圍繞 UUT 感測器 FOV 角度性地移動測試設備，可能使控制程式變得複雜，特別是當感測器具有 WFOV 時。要將目標投影儀或干涉儀圍繞 EO 感測器 FOV 指向，將需要在以感測器為中心的半球體上移動，並需要五軸或六軸運動系統。 對於具有小視野的 EO 感測器（例如 0.5 至 10 度），使用六軸平台 (hexapod) 搭配 XZ 平台在半球空間進行俯仰 (pitch) 與偏擺 (yaw) 運動，可以有效地執行此類測試。圖 5 展示了一個為此測試構建的系統範例。
圖 4. 固定 UUT，測試設備在六軸 Hexapod 和長行程線性 X、Y 和 Z 軸上移動。
圖 5. 具有 200 kg 負載能力 Hexapod、安裝於 450mm 行程 X 和 Z 軸上的系統範例。
如果還需要滾轉 (roll) 運動，則需要一個 Y 軸線性平台與 hexapod 的滾轉運動相結合，如果焦距和/或感測器 FOV 很大，hexapod 本身可能沒有足夠的行程來覆蓋感測器 FOV，Hexapod 也可用於校正線性平台導致視線誤差的幾何誤差運動。
如圖 6 所示的 XYZ 加雲台解決方案，可以執行與 XYZ 加 hexapod 解決方案類似的運動，XYZ 加雲台方法允許比 hexapod 解決方案更大的角度運動範圍，因此更適合 WFOV 感測器應用，然而，由於封裝與軸佈局的限制，此解決方案在視野方面存在局限性。
圖 6：固定 UUT，測試設備在雙軸雲台和長行程線性 X、Y 和 Z 軸上移動。
圖 7 中的佈局展示了一個在 X、Y 和 Z 線性平台上承載目標投影儀的倒置雲台，如果目標投影儀需要移動到遠低於 UUT 的位置以覆蓋大視野，則倒置雲台與目標投影儀是更優化的配置。類似的配置可以用倒置的 hexapod 取代雲台，以提供小範圍運動與誤差校正能力。
圖 7. 固定 UUT，測試設備在倒置的雙軸雲台和長行程 X、Y 和 Z 軸上移動。
總結
如本文所述，光電 (EO) 系統的測試涉及多種配置與佈局選擇，系統設計過程中必須權衡各種取捨，以達到最佳的測試效果與成本效益，奧創系統 (Ultrontek) 正是為應對這些挑戰，提供客戶完整的整合式解決方案與專業的站點規劃 (site planning) 服務。
奧創系統所提供的整合式解決方案涵蓋了實現精密 EO 測試所需的兩大關鍵部分：
- 精密運動控制系統：
包括高穩定性的 史都華六軸平台 (Hexapods)、高動態性能的 平衡環轉台 (Gimbals)，以及用於視線穩定的 穩定平衡台 (Stabilized Platforms) 等，確保待測物或測試設備能以次像素級精度進行定位與動態模擬。
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- 光電紅外線測試設備：
提供多樣化的標準測試工具，例如用於呈現多樣目標的 目標輪 (Target Wheels)、進行精確對準的 雷射測試器 (如 SBIR 槍膛軸線校準模組)、模擬遠場目標的 紅外線準直儀 (Infrared Collimators)，以及提供均勻光源的 光源積分球 (Light Source Integrating Spheres) 等。
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透過結合這些先進的運動控制與光子學測試設備，並輔以周全的站點規劃，奧創系統能協助客戶克服設計上的複雜性與取捨，建構出高效、精確且符合特定航太或國防戰略應用需求的完整 EO 測試站點。
關於作者
Tom Markel 是 Aerotech 的航太戰略客戶經理，負責全球一些最大航太製造商的業務發展與企業關係； Tom 是一位擁有電機工程學位與軟體背景的運動控制工程師，在 Aerotech 工作超過 21 年，致力於為自動化製造與測試設計高精度運動解決方案， 包括 EO/IR 測試系統與戶外雲台系統。在加入 Aerotech 之前，Tom 在航太與國防工業擔任系統與測試工程師達 13 年。