增强型X射线时变与偏振空间天文台（eXTP）是我国新一代 X 射线天文卫星。X射线掠入射望远镜依靠Wolter型聚焦镜将X射线汇聚至焦面探测器，镜组与探测器之间的相对对准稳定性直接决定有效面积、点扩散函数（PSF）与偏振测量性能，是长焦距X射线天文载荷的核心设计难点。eXTP卫星搭载光谱聚焦阵列、偏振聚焦阵列、宽视场监测器等科学载荷，其载荷的聚焦镜与探测器分别安装于相距约5250 mm的两块光学基准板上，要求基准板面内对准偏差控制在±0.5 mm以内、焦距方向轴向偏差控制在±1 mm以内，以保障聚焦镜与探测器的前后对准及载荷响应性能（图1）。在轨期间，舱内温度波动与在轨放气会使两块基准板产生热致相对位移与转动，直接破坏两板上的聚焦镜与探测器对准并影响整星探测稳定性。现有在轨X射线望远镜普遍未搭载直接测量前后基准板相对位姿的专用计量传感器：Chandra由基准灯组件（FLA）、基准传递光路（FTS）与姿态相机（ACA）构成角度传递系统，仅能监测探测器相对ACA视轴的二维角偏移，镜焦离焦与轴向间距漂移只能依靠点源PSF、包围能量等观测数据反演；XMM-Newton依靠长筒光学结构与星敏感器维持镜组与探测器的相对位置，通过渐晕特性与PSF形态变化反演光轴漂移，无在轨专用基准传递与位移计量硬件；eROSITA焦距较短、在轨无位姿监测传感器，对准稳定性评估全部依赖X射线标定源的PSF数据；IXPE采用可见光相机VisCam与LED基准靶标监测可展开桁架引起的探测器端相对镜端平台的二维平移与转动，但面阵成像体制的带宽、采样速率与位移灵敏度有限，且不具备轴向焦距监测能力，其调焦机构仅用于展开后初始校正，不支持在轨持续闭环补偿。上述方案或依赖天文观测事后反演、或为低带宽成像监测，评估存在滞后性，难以精细刻画热变形的动态演化规律。为此，本文提出基于位置敏感探测器（PSD）的激光光束指向测量方法，直接测量前后两块光学基准板的相对位置，实现在轨对准稳定性的高精度多自由度实时监测。
测量系统由安装于探测器基准板的测量探头与安装于聚焦镜基准板的反射组件构成。双面型PSD将X/Y电阻层分设于器件正反两面，以消除两轴信号交叉耦合，有效线性区域可达感光面的80%～90%。准直激光经分束镜分为两束：一束入射角锥反射器，其出射光与入射光完全平行反向，反射光仅随相对位移变化而与相对倾斜无关，成像于PSD1实现二维横向位移测量，光斑运动量为相对位移的2倍（图2）；另一束经半透半反镜反射、由汇聚透镜成像于PSD2实现倾斜角测量，并由中心对称布置的两组测量装置联合解算滚转角。轴向位移采用调频连续波（FMCW）干涉测距：对激光进行双边带调制并线性扫频，回光与本振光混频后由平衡探测器接收，经高速ADC采集后在FPGA内解算频率或相位获得目标光程。系统采用激光驱动板与探测器驱动板双FPGA分布式主控架构，物理隔离强驱动噪声与弱信号采集路径；选用850 nm激光器并置于平台仓内，经光纤分束引入光学基板，避免激光器热量传递至基准板。为抑制结构热变形，主支撑结构与光学器件安装结构均采用低膨胀系数殷钢（1.5×10⁻⁶/K），光学基准板温度控制在20±2 ℃，探测组件、反射组件与读出电路分体设计，实现光路与读出电路的热隔离。关键指标见表1、表2：横向位移精度20 μm（结构变形、光学噪声、电子学噪声分别分配10、8、2 μm），测量范围±1500 μm；倾斜角精度10 μrad，范围±600 μrad；轴向位移精度100 μm，范围±3000 μm。据此要求PSD光敏面最小尺寸为横向13 mm、倾斜19 mm，光斑直径不大于5 mm。
有限元分析表明，测量组件与反射组件各阶模态均远大于100 Hz，结构可靠性充足；在2 ℃均匀温升载荷下，反射组件整机最大变形0.005 mm、光学元件最大0.002 mm，测量组件整机最大变形0.013 mm、PSD探测器组件内部结构件最大0.007 mm（图3、图4），关键光学器件位移均小于2 μm；PSD倾斜测量采用4 mm熔融石英平行窗口片，可将倾斜引入的光学位移噪声抑制至20 nm，满足目标探测精度要求。
本文主要创新点有三：一是提出基于双面型PSD的多自由度光束指向测量方案，利用角锥反射器与反射镜的反射特性实现横向位移与倾斜角测量解耦，并通过中心对称多组测量装置解算滚转角；二是融合PSD位置测量与FMCW干涉测距，实现横向位移、倾斜角、轴向位移的多维相对位姿集成测量；三是采用殷钢低膨胀主支撑与光路/读出电路分体热隔离设计，将结构热变形对测量精度的影响抑制在微米量级。综上，该方案灵敏度高、采样快、时序连续，可满足eXTP卫星光学基准板在轨对准稳定性监测与地面整星热光试验需求，并为有效面积与探测性能溯源、结构热模型在轨标定与对准趋势预判提供实测数据。
 

eXTP卫星；热变形测量；位置敏感探测器；殷钢结构；FMCW干涉测距