交會對接光學成像敏感器遮光罩設計

王曉燕，趙春暉，李 志，高文文，龔德鑄

（北京控制工程研究所，北京 100190）

交會對接光學成像敏感器遮光罩設計

王曉燕，趙春暉，李 志，高文文，龔德鑄

（北京控制工程研究所，北京 100190）

遮光罩是交會對接光學成像敏感器中雜光抑制的重要組件，對有效提取目標點信息、保證敏感器定姿精度有重要作用.著重闡述了基于蒙特卡洛法的交會對接光學成像敏感器遮光罩設計，借助光學仿真軟件進行仿真驗證，并通過與試驗結(jié)果進行對比，驗證了遮光罩設計的有效性.

光學成像敏感器；遮光罩；雜光抑制

遮光罩作為雜光抑制部件主要應用于成像式敏感器（包括星敏感器、月球敏感器、CCD成像敏感器等）、相機等設備中，是此類部件雜光抑制的重要手段，其主要作用為減少外界雜散光對敏感器成像質(zhì)量及提取精度的影響［1］.

外界雜光是指光學系統(tǒng)中除了目標光線外，擴散于探測器表面上的其他非目標光輻射能量.實際工作中，交會對接光學成像敏感器可能受到比較強的雜光源干擾，嚴重時甚至不能正常進行目標識別.因此，有必要對敏感器進行消雜光設計，估計出敏感器的消雜光能力，進一步提高姿態(tài)確定精度.

根據(jù)設計需求分析，需為交會對接光學成像敏感器設計高消光比的遮光罩以消除雜光影響.本文采用蒙特卡洛法（Monte Carlo）［2］，借助TracePro光學仿真軟件，設計了滿足使用要求的遮光罩.設計完成后，通過敏感器雜光試驗，驗證了遮光罩的消雜光能力及其設計的有效性，可滿足敏感器的使用要求.

1 遮光罩設計

1.1 應用背景

交會對接光學成像敏感器是完成交會對接任務的關(guān)鍵單機［3-6］，由安裝在運輸飛船上的交會測量相機和安裝在目標飛行器上的目標標志器組成，主要用于交會對接最后靠攏到對接完成階段相對運動參數(shù)測量.

在交會對接過程中，其空間雜光源主要包括太陽光、星體反射光等.如果不能有效抑制外界雜光對敏感器的影響，將直接造成圖像背景復雜，雜光噪聲將直接影響目標點的提取精度，嚴重時甚至導致敏感器不能工作.為抑制空間雜光（這里特指敏感器視場外雜光）對于敏感器的影響，需根據(jù)整機需要設計相應的遮光罩，達到抑制甚至消除雜光干擾的目的.

1.2 設計指標

根據(jù)交會對接敏感器在太空的工作環(huán)境，不考慮視場內(nèi)雜光影響，太陽雜光的最小入射角度為25。，結(jié)合敏感器光學鏡頭設計參數(shù)、探測器光譜響應曲線及工作譜段，同時考慮星上安裝空間及整機質(zhì)量要求，整機對遮光罩的設計要求如表1所示.

表1 整機下達的技術(shù)指標Tab.1 Specification of the assembly

1.3 設計難點

結(jié)合整機給出的設計指標，該交會測量敏感器遮光罩設計難點主要包括：

（1）太陽抑制角小

在遮光罩設計中，太陽抑制角為允許的太陽最小入射角度.該抑制角的大小將直接決定遮光罩的最小設計尺寸.在該遮光罩的設計指標中，雜光抑制角與鏡頭半視場角相差不到10。，這對遮光罩的設計是一個重大考驗.

（2）外形尺寸控制嚴格

在整機給出的設計指標中，出于工程需要，明確規(guī)定了遮光罩的最大外形尺寸及接口尺寸，這將增大遮光罩的設計局限性.根據(jù)外形尺寸的限制，結(jié)合太陽抑制角的要求，該遮光罩只能選擇一級吸收式遮光罩，其雜光抑制能力只能靠遮光罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計實現(xiàn)，增大了遮光罩的設計難度.

（3）要求有較高的雜光抑制能力

由于上述兩項設計難點的限制，該遮光罩的雜光抑制比相對較高.設計時，只能通過優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)、選擇合適的消光涂層來保證其雜光抑制能力.同時還要考慮工程實現(xiàn)性及涂層的空間適應性，保證整機的可靠性.

1.4 設計思想

遮光罩的基本設計思想源于蒙特卡洛法.該方法是一種在許多學科領(lǐng)域被廣泛應用的概率模擬方法.在用蒙特卡洛法進行雜光分析計算時，將雜光輻射能看作是由大量獨立的能束光線組成，如為 N束.每一能束光線在系統(tǒng)內(nèi)部的傳遞過程都可視為隨機過程.設N束光線中，最終有n束到達接受器，則N/n即為雜光到達接收器的衰減比例.

遮光罩的消雜光設計是建立在幾何光學的基礎(chǔ)上的，即雜光在遮光罩內(nèi)部產(chǎn)生吸收、反射和折射（有透鏡的情況）.遮光罩內(nèi)雜光的吸收、反射和折射遵循表面的反射特性以及折射定律.為提高遮光罩的消雜光能力，雜光在遮光罩內(nèi)部至少兩次反射才能到達遮光罩出口.

遮光罩的類型有很多種，一般與遮光罩衰減比需求、視場角、遮光罩口徑和長度、內(nèi)表面涂層特性、雜光光源的種類和分布、雜光強度等因素有關(guān).一般情況，根據(jù)各敏感器對遮光罩的設計要求，結(jié)合“盡量多次散射到達遮光罩出口”的設計原則，選擇適合的遮光罩類型.

除考慮遮光罩類型外，遮光罩內(nèi)表面的涂層選擇也十分重要.不同涂層經(jīng)雜光照射后的雙向反射分布函數(shù)（BRDF，bidirectional reflectance distribution function）不同，太陽吸收比也存在差異.在工程設計中，選擇的涂層既要滿足空間環(huán)境的使用要求，又要在工作譜段內(nèi)盡量具有較高的太陽吸收比.圖1、2分別給出了涂層散射特性為表面漫反射和高斯散射的光強分布示意圖.

圖1 表面漫反射光強分布示意圖Fig.1 Sketch for the light intensity distribution of diffuse reflection on surface

圖2 高斯散射的光強分布示意圖Fig.2 Sketch for the light intensity distribution of Gaussian scattering

結(jié)合光學成像敏感器遮光罩設計的具體指標，在詳細設計時，采用以下方法實現(xiàn)遮光罩設計.

1）充分利用敏感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間.光學成像敏感器結(jié)構(gòu)設計時，光學鏡頭位于整機結(jié)構(gòu)內(nèi)部，為減少遮光罩最大外輪廓尺寸，將部分遮光罩伸入整機結(jié)構(gòu)中，減少遮光罩出口與鏡頭入口間的距離，在不影響鏡頭視場的前提下縮小遮光罩出口口徑，使盡量少的光線經(jīng)遮光罩后進入光學鏡頭.

2）對遮光罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計.遮光罩采用一級擋光環(huán)式遮光罩，在允許的最大口徑下，保證不影響光學鏡頭視場，設計各片擋光環(huán)的最小口徑.通過幾何關(guān)系，使從遮光罩入口進入的雜光至少經(jīng)過兩次散射進入光學鏡頭.

3）選擇合適的內(nèi)部涂層.由于光學成像敏感器工作譜段偏近紅外，選擇遮光罩內(nèi)部涂層時主要考察其在近紅外譜段的太陽吸收能力.通過比較，選擇了一種對近紅外譜段吸收效果很好的有機涂層作為遮光罩內(nèi)表面涂層，在工作譜段該涂層的太陽吸收比可大于0.96.通過噴涂試片，實際測試該涂層的BRDF特性，作為仿真時的設計輸入.

結(jié)合以上3點，經(jīng)過多次仿真優(yōu)化，設計了滿足指標要求的遮光罩.

2 仿真及設計結(jié)果

2.1 仿真環(huán)境

遮光罩初步設計完成后，通過專用光學軟件——TracePro軟件進行仿真優(yōu)化，驗證遮光罩內(nèi)部擋光環(huán)的雜光抑制能力.

在軟件建模及參數(shù)設定時，根據(jù)實際工作中交會測量敏感器各組件間的相對位置建立模型，對不影響仿真分析的部分予以簡化.表面涂層要與實際產(chǎn)品狀態(tài)相對應，具體特性要根據(jù)該涂層的BRDF的測試數(shù)據(jù)建立.模型建好后，可通過設置重點采樣面、開啟光線分裂功能和設置合理的仿真光線數(shù)提高仿真精度.圖3為仿真光路示意圖.

圖3 遮光罩仿真光路示意圖Fig.3 Sketch for the light path simulation of baffle

2.2 仿真及設計結(jié)果

在遮光罩入口面生成1×108束光線，每一束光線代表Φtotal/108（Φtotal為進入遮光罩入口的總能量）的能量.所有光線互為平行線，在遮光罩入口面上均勻分布，以與遮光罩光軸25。的夾角進入遮光罩.

采用仿真軟件模擬光線在遮光罩內(nèi)的吸收、反射，最后統(tǒng)計到達遮光罩出口面的光線數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示.遮光罩抑制能力隨太陽入射角度變化曲線如圖4所示.

表2 遮光罩消雜光能力分析結(jié)果Tab.2 Analysis result of the stray light suppression capability of baffle

圖4 遮光罩抑制能力隨太陽入射角度變化關(guān)系Fig.4 Baffle suppression capability-sunlight incident relation

由分析結(jié)果可以看出，遮光罩的抑制能力隨太陽入射角度的增大而增強.當雜光源位于遮光罩的抑制角外即太陽入射角大于25。時，遮光罩的雜光抑制比≥1.68×10-6，滿足設計要求.此時，光學成像敏感器應不受太陽雜光干擾，可以正常工作.

遮光罩的主要設計參數(shù)如下：

1）遮光罩入口口徑：Φ130 mm（有效通光孔徑Φ113.6mm）；

2）遮光罩出口口徑：Φ54mm（有效通光孔徑Φ27.8mm）；

3）擋光環(huán)數(shù)量：9個；

4）遮光罩長度：160mm；

5）遮光罩材料：硬鋁合金.

考慮遮光罩加工工藝性，將遮光罩分為兩段，后段的部分長度探入敏感器內(nèi)部，前段伸出敏感器的部分長為130mm.

3 試驗結(jié)果

為驗證光學成像敏感器遮光罩設計結(jié)果的符合情況，在地面專用試驗室中建立雜光測試環(huán)境，以太陽模擬器模擬太陽雜光，考察太陽光以不同角度入射時經(jīng)遮光罩衰減后敏感器的性能變化影響，從整機使用角度評價遮光罩的設計是否滿足設計要求.

3.1 試驗步驟

試驗步驟如下：

1）根據(jù)圖5所示放置各試驗設備，敏感器固定在試驗臺上，使光軸與太陽模擬器光斑中心軸同高，與供電、地檢設備聯(lián)試工作正常；

2）將近場目標標志器安裝到支架上，使中心軸與太陽模擬器光斑中心軸同高，與供電、地檢設備聯(lián)試工作正常；

3）校準太陽模擬器，太陽常數(shù)≥0.9；

4）校準近場目標標志器；

5）設置太陽模擬器與敏感器相對位置，使兩主軸同軸；

6）在不同太陽入射角度的情況下，測試敏感器的性能變化情況.

圖5 試驗布局圖Fig.5 Sketch for test arrangement

3.2 測試結(jié)果

當太陽光以各角度入射時，光學成像敏感器的相對位置精度均小于1mm（x、y方向），滿足小于3 mm的指標要求，相對姿態(tài)精度均小于1.6′，滿足小于1.8′的指標要求.試驗結(jié)果證明太陽光入射角大于25。時，外界雜光經(jīng)遮光罩衰減后，不影響光學成像敏感器的正常工作，與仿真結(jié)論一致.

4 結(jié) 論

交會對接光學成像敏感器測量技術(shù)是交會對接任務的關(guān)鍵技術(shù)之一，為避免其在軌工作時受空間雜光影響，根據(jù)整機任務要求設計了小型化、高抑制比的專用遮光罩.通過軟件仿真及地面雜光試驗驗證，證明該遮光罩的設計完全滿足整機指標要求，能圓滿完成敏感器的雜光抑制任務.

［1］ 李暉，李英才.星載光學系統(tǒng)遮光罩消雜光結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法 ［J］.光子學報，1996，25（10）：914-919 Li H，Li Y C.An optimum design method for the light hade of spaceborne optical system［J］.Acta Photonica Sinica，1996，25（10）：914-919

［2］ 夏新林，帥永，談和平，唐勇.蒙特卡洛法雜散光分析中偽隨機數(shù)與概率模型的檢驗分析［C］.空間飛行器總體技術(shù)學術(shù)交流會，武夷山，2002 Xia X L，Shuai Y，Tan H P，Tang Y.Verification of pseudo-random number and probabilistic model for stray light analysis by Monte-Carolmethod［C］.Spacraft General Technical Symposium，Wuyishan，2002

［3］ 吳宏鑫，胡海霞，解永春，等.自主交會對接若干問題［J］.宇航學報，2003，24（2）：132-137 Wu H X，Hu H X，Xie Y C，et al.Model of attitude correction of infrared horizon sensor［J］.Journal of Astronautics，2003，24（2）：132-137

［4］ 解永春，張昊，石磊，等.交會對接光學成像敏感器設計中的關(guān)鍵問題 ［J］.航天控制，2006，24（5）：35-44 Xie Y C，Zhang H，Shi L，et al.Seme key technical problems in the design of optical sensor used in RVD［J］.Aerospace Control，2006，24（5）：35-44

［5］ 劉慎釗，張新邦.載人飛船交會對接半物理仿真試驗環(huán)境研究［J］.計算機仿真，2005（Z1）：208-212 Liu SZ，Zhang X B.Test environment research for rendezvous and docking hardloare in the loop simulation of manned space craft［J］.Computer Simulation，2005（Z1）：208-212

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Design of Optical Im aging Sensor Baffle Used in Autonom ous Rendezvous and Docking

WANG Xiaoyan，ZHAO Chunhui，LIZhi，GAO Wenwen，GONG Dezhu
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China）

Baffle is an important stray light suppression assembly of optical imaging sensor used in autonomous rendezvous and docking（RVD）.It givesmuch contribution to the sensor in extracting information of the object and improving the attitude determination accuracy.The Monte Carlomethod-based baffle design is described in this paper.Moreover，bymeans of optical simulation software the comparison between the simulation result of the design and the experiment result shows that the design method is effective.

optical imaging sensor；baffle；stray light suppression

TP212，V44

A

1674-1579（2012）02-0041-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.02.008

王曉燕（1980—），女，工程師，研究方向為成像敏感器光機結(jié)構(gòu)設計；趙春暉（1972—），男，高級工程師，研究方向為空間視覺導航敏感器設計；

李 志（1979—），男，工程師，研究方向為項目管理，產(chǎn)品配套供應管理；高文文（1968—），女，高級工程師，研究方向為光學敏感器探頭電路設計；龔德鑄（1977—），男，高級工程師，研究方向為成像式敏感器設計.

2011-09-19