大型月球模擬器總體研究

孫嘉池　張國(guó)玉　鄭如等

摘要： 論述了大型月球模擬器的工作原理，對(duì)口徑為Φ2 500 mm月球模擬器進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)由光源、勻光板、光源控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、模擬器機(jī)械系統(tǒng)等組成。提出了大型月球模擬器光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用LED陣列作為月球模擬器光源，使用光源控制系統(tǒng)控制LED組元的亮滅模擬月相變化，從而真實(shí)地模擬了月球的準(zhǔn)直、均勻性以及月相變換的特性。經(jīng)對(duì)月球模擬器進(jìn)行光機(jī)結(jié)構(gòu)分析和仿真分析，得到其最大自重變形為16.4 μm，最大自重應(yīng)變?yōu)?.1×10-4 m/m，不同月相的發(fā)光面照度不均勻度為14.7%，亮度不均勻度為17.2%，均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞： 月球模擬器； LED陣列； 月相

中圖分類號(hào)： V 524.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.016

引言

月球模擬器（簡(jiǎn)稱月模）是一種用來模擬月球幾何特征、輻射特性以及特定“月相”的地面測(cè)試設(shè)備，為交會(huì)對(duì)接敏感器、導(dǎo)航敏感器提供目標(biāo)源，在敏感器地面測(cè)試中，是試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的目標(biāo)模擬器[12]。在以往的模擬器研究中，主要以太陽模擬器、地球模擬器和星模擬器為主[34]，對(duì)月球模擬器的研究鮮有報(bào)道，由于月光是來自于月球?qū)μ柟獾姆瓷洌虑蚰M器的發(fā)光效應(yīng)很接近太陽模擬器，因此，我國(guó)曾經(jīng)使用太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)并采用光學(xué)衰減片降低輻照度來模擬月球的發(fā)光效應(yīng)。但是，這種設(shè)計(jì)方法有原理復(fù)雜、成本較高、輻照光斑小等缺點(diǎn)，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在空間模擬的需求。隨著我國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展，開展研究地面上大型模擬空間光環(huán)境顯得越來越重要，為此本文設(shè)計(jì)了一種以LED陣列為發(fā)光面光源的大型月球模擬器，并對(duì)其光學(xué)特性進(jìn)行了分析，此月球模擬器輻照面光斑較大、原理簡(jiǎn)單、成本較低，可同時(shí)模擬出月球不同月相時(shí)的輻亮度和發(fā)光不均勻性的特性。

1月球模擬器的組成與工作原理

月球模擬器主要由多燈擬合寬光譜光源、勻光板、寬光譜光源控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、模擬器機(jī)械系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)六部分組成。

月球模擬器的工作原理如圖1所示，由多燈擬合寬光譜光源發(fā)出的355～1 000 nm光經(jīng)勻光板

后，在其表面形成口徑為Φ2 500 mm亮度均勻的光斑，模擬了在近月軌道所觀測(cè)到的圓盤，也就是實(shí)現(xiàn)了滿月的模擬。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過通訊接口與寬光譜光源控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，可控制調(diào)節(jié)多燈擬合寬光譜光源的發(fā)光功率，實(shí)現(xiàn)月球模擬器輻亮度的調(diào)節(jié)；同時(shí)還可控制多燈擬合寬光譜光源中的LED組元陣列的亮滅，實(shí)現(xiàn)月相的模擬。當(dāng)滿月月相時(shí)，在輻照面處可形成亮度大于20 W/（sr·m2）的Φ2 500 mm發(fā)光圓面。

2月球模擬器各部分設(shè)計(jì)

2.1多燈擬合寬光譜光源

主要由多個(gè)LED組元組成，其中每個(gè)LED組元由不同波段的LED組成，由多個(gè)LED組元組成多個(gè)LED燈陣，再由多個(gè)LED燈陣組合成寬光譜光源。其主要作用是通過不同波段LED燈組合實(shí)現(xiàn)355～1 000 nm譜段月球光譜的模擬；通過多個(gè)燈組元和多個(gè)LED燈陣來實(shí)現(xiàn)月球模擬器形成一個(gè)輻照度均勻分布的輻照面[5]；通過控制LED燈陣中每個(gè)LED組元的亮滅來實(shí)現(xiàn)不同月相模擬。

2.2勻光板

設(shè)計(jì)的勻光板采用毛玻璃制作，起勻光作用。

2.3寬光譜光源控制系統(tǒng)

月球模擬器光源控制硬件主要由1臺(tái)計(jì)算機(jī)、1個(gè)通訊控制器、多個(gè)驅(qū)動(dòng)板、多個(gè)顯示板、1個(gè)RS485通訊接口及多個(gè)24 V直流電源構(gòu)成，如圖2所示。

計(jì)算機(jī)通過RS485通訊接口將軟件編好的月相數(shù)據(jù)傳送給通訊控制器，通訊控制器根據(jù)每個(gè)驅(qū)動(dòng)板的ID編碼將數(shù)據(jù)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)板，驅(qū)動(dòng)板再將數(shù)據(jù)傳送給顯示板進(jìn)行顯示。

由于顯示部分是較大直徑的圓形，因此其不可避免地采用顯示單元板拼接方式完成。為了使系統(tǒng)具有良好的互換性和制造的一致性，采用正方形單元板實(shí)現(xiàn)，圓形部分通過外部裝潢或者控制顯示實(shí)現(xiàn)。

2.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路

月球模擬器光源控制軟件主要用來編輯和存儲(chǔ)月相，同時(shí)還可以接受網(wǎng)絡(luò)控制，把月相數(shù)據(jù)發(fā)送給通信控制主機(jī)，實(shí)現(xiàn)月模光源LED組元的實(shí)際顯示。軟件中設(shè)定了15種常用的月相，可以通過按鍵直接選擇這15種月相之一，選中后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸把相應(yīng)的月相數(shù)據(jù)在LED組元中顯示出來[67]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了固定月相的模擬。軟件還給出了任意月相的設(shè)定，可以借助WINDOWS自帶的畫圖工具，把需要顯示的月相制成圖形文件，通過該軟件的讀取，把實(shí)際的月相在月模中顯示出來。對(duì)于LED組元亮度的設(shè)定，可以通過亮度設(shè)定滑塊進(jìn)行256級(jí)亮度調(diào)整。

軟件由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分組成，上位機(jī)軟件使用面向?qū)ο蟮腣B編寫，下位機(jī)采用C語言編寫。

2.4.1

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件主要由主程序和中斷服務(wù)程序兩部分組成，主程序完成LED顯示驅(qū)動(dòng)控制，中斷服務(wù)程序完成數(shù)據(jù)通信接收功能，下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)數(shù)據(jù)以及控制LED輸出。其主程序流程圖如圖3所示。

服務(wù)程序主要是對(duì)主機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和校驗(yàn)，當(dāng)校驗(yàn)合格后，置數(shù)據(jù)有效標(biāo)志，在主程序中完成接收到的有效數(shù)據(jù)到顯示緩沖區(qū)的移動(dòng)。由于數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用了累加和方式，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

數(shù)據(jù)傳輸采用打包的形式進(jìn)行，數(shù)據(jù)包的內(nèi)容有包頭、命令、數(shù)據(jù)、累加及包尾五部分構(gòu)成，其中斷服務(wù)程序框圖如圖4所示。

2.4.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)月相的選擇、灰度控制、圖形存儲(chǔ)和讀入及串行數(shù)據(jù)發(fā)送等功能，其程序流程如圖5所示。

2.5模擬器機(jī)械系統(tǒng)

模擬器機(jī)械系統(tǒng)主要包括主體框架、壓圈及光闌、橡膠膠圈、多燈擬合寬光譜光源燈座、后蓋、地腳、腳輪、水泡、起吊環(huán)等。

設(shè)計(jì)的模擬器主體框架如圖6所示，在模擬器前端設(shè)有Φ2 550 mm的孔，用于安裝勻光板；模擬器后端開有方槽用于安裝寬光譜光源及其燈座；下部設(shè)有四個(gè)螺紋孔，用于安裝地腳；此外還設(shè)有安裝壓圈及光闌、后蓋、腳輪、水泡、起吊環(huán)的機(jī)械接口。

3月球模擬器的分析

3.1光機(jī)結(jié)構(gòu)變形分析

利用有限元分析方法對(duì)模擬器光機(jī)結(jié)構(gòu)的自重變形與溫度進(jìn)行分析，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的月球模擬器的可行性。

（1）自重變形與應(yīng)變分析

模擬器光機(jī)結(jié)構(gòu)自重變形與應(yīng)變分析如圖7所示，其自重變形與應(yīng)變分析結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2仿真分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的月球模擬器的發(fā)光面不均勻度、輻亮度和光譜特性，對(duì)滿月時(shí)的情況進(jìn)行仿真分析。為此采用照明系統(tǒng)分析軟件lighttools，使用基于蒙特卡羅法的光線追跡對(duì)該光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真[8]，仿真結(jié)果中追跡誤差為2.1%（<5%），結(jié)果可信。

分別在發(fā)光面表面、輻照面處的位置設(shè)置照度、亮度接收面，并添加照度和亮度計(jì)，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)分別計(jì)算出Φ2 500 mm發(fā)光面表面照度不均勻度、發(fā)光面亮度不均勻度。其照度仿真結(jié)果如圖9所示。

由仿真結(jié)果可知，輻照面最大亮度值為32 W/（sr·m2），輻照面照度不均勻度為14.7%，亮度不均勻度為17.2%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4結(jié)論

本文對(duì)月球模擬器的總體結(jié)構(gòu)、多燈擬合寬光譜光源、勻光板、寬光譜光源控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、模擬器機(jī)械系統(tǒng)等進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，并使用ANSYS有限元分析軟件和Lighttolls仿真軟件對(duì)模擬器進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)目前的光學(xué)、機(jī)械和電學(xué)的設(shè)計(jì)結(jié)果表明：模擬器光機(jī)結(jié)構(gòu)最大自重變形16.4 μm，最大自重應(yīng)變2.1×10-4 m/m，輻照面輻亮度大于等于20 W/（sr·m2），輻照面照度不均勻度為14.7%，輻照面亮度不均勻度為17.2%，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐亮.月亮模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與輻照度均勻性分析[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2009.

[2]蘇拾，安智勇，張國(guó)玉，等.自主導(dǎo)航試驗(yàn)用月球模擬器研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30（6）：600604.

[3]黃欣，葉培建，張文明，等，一種小型紫外月球模擬器：中國(guó)，101231168[P].20080730.

[4]于爽，張國(guó)玉.紅外月球模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2010（3）：5152.

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[6]羅元，毛建偉.一種利用自由曲面透鏡的LED路燈配光設(shè)計(jì)與研究[J].光學(xué)儀器，2012，34（2）：7275.

[7]劉鵬飛，楊波，陸侃.紫外曝光機(jī)均勻照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].光學(xué)儀器，2012，34（2）：3136.

[8]楊毅，錢可元，羅毅，等.一種新型的基于非成像光學(xué)的LED均勻照明系統(tǒng)[J].光學(xué)技術(shù)，2007，33（1）：110115.

設(shè)計(jì)的模擬器主體框架如圖6所示，在模擬器前端設(shè)有Φ2 550 mm的孔，用于安裝勻光板；模擬器后端開有方槽用于安裝寬光譜光源及其燈座；下部設(shè)有四個(gè)螺紋孔，用于安裝地腳；此外還設(shè)有安裝壓圈及光闌、后蓋、腳輪、水泡、起吊環(huán)的機(jī)械接口。

3月球模擬器的分析

3.1光機(jī)結(jié)構(gòu)變形分析

利用有限元分析方法對(duì)模擬器光機(jī)結(jié)構(gòu)的自重變形與溫度進(jìn)行分析，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的月球模擬器的可行性。

（1）自重變形與應(yīng)變分析

模擬器光機(jī)結(jié)構(gòu)自重變形與應(yīng)變分析如圖7所示，其自重變形與應(yīng)變分析結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2仿真分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的月球模擬器的發(fā)光面不均勻度、輻亮度和光譜特性，對(duì)滿月時(shí)的情況進(jìn)行仿真分析。為此采用照明系統(tǒng)分析軟件lighttools，使用基于蒙特卡羅法的光線追跡對(duì)該光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真[8]，仿真結(jié)果中追跡誤差為2.1%（<5%），結(jié)果可信。

分別在發(fā)光面表面、輻照面處的位置設(shè)置照度、亮度接收面，并添加照度和亮度計(jì)，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)分別計(jì)算出Φ2 500 mm發(fā)光面表面照度不均勻度、發(fā)光面亮度不均勻度。其照度仿真結(jié)果如圖9所示。

由仿真結(jié)果可知，輻照面最大亮度值為32 W/（sr·m2），輻照面照度不均勻度為14.7%，亮度不均勻度為17.2%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4結(jié)論

本文對(duì)月球模擬器的總體結(jié)構(gòu)、多燈擬合寬光譜光源、勻光板、寬光譜光源控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、模擬器機(jī)械系統(tǒng)等進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，并使用ANSYS有限元分析軟件和Lighttolls仿真軟件對(duì)模擬器進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)目前的光學(xué)、機(jī)械和電學(xué)的設(shè)計(jì)結(jié)果表明：模擬器光機(jī)結(jié)構(gòu)最大自重變形16.4 μm，最大自重應(yīng)變2.1×10-4 m/m，輻照面輻亮度大于等于20 W/（sr·m2），輻照面照度不均勻度為14.7%，輻照面亮度不均勻度為17.2%，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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[8]楊毅，錢可元，羅毅，等.一種新型的基于非成像光學(xué)的LED均勻照明系統(tǒng)[J].光學(xué)技術(shù)，2007，33（1）：110115.

設(shè)計(jì)的模擬器主體框架如圖6所示，在模擬器前端設(shè)有Φ2 550 mm的孔，用于安裝勻光板；模擬器后端開有方槽用于安裝寬光譜光源及其燈座；下部設(shè)有四個(gè)螺紋孔，用于安裝地腳；此外還設(shè)有安裝壓圈及光闌、后蓋、腳輪、水泡、起吊環(huán)的機(jī)械接口。

3月球模擬器的分析

3.1光機(jī)結(jié)構(gòu)變形分析

利用有限元分析方法對(duì)模擬器光機(jī)結(jié)構(gòu)的自重變形與溫度進(jìn)行分析，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的月球模擬器的可行性。

（1）自重變形與應(yīng)變分析

模擬器光機(jī)結(jié)構(gòu)自重變形與應(yīng)變分析如圖7所示，其自重變形與應(yīng)變分析結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2仿真分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的月球模擬器的發(fā)光面不均勻度、輻亮度和光譜特性，對(duì)滿月時(shí)的情況進(jìn)行仿真分析。為此采用照明系統(tǒng)分析軟件lighttools，使用基于蒙特卡羅法的光線追跡對(duì)該光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真[8]，仿真結(jié)果中追跡誤差為2.1%（<5%），結(jié)果可信。

分別在發(fā)光面表面、輻照面處的位置設(shè)置照度、亮度接收面，并添加照度和亮度計(jì)，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)分別計(jì)算出Φ2 500 mm發(fā)光面表面照度不均勻度、發(fā)光面亮度不均勻度。其照度仿真結(jié)果如圖9所示。

由仿真結(jié)果可知，輻照面最大亮度值為32 W/（sr·m2），輻照面照度不均勻度為14.7%，亮度不均勻度為17.2%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4結(jié)論

本文對(duì)月球模擬器的總體結(jié)構(gòu)、多燈擬合寬光譜光源、勻光板、寬光譜光源控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、模擬器機(jī)械系統(tǒng)等進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，并使用ANSYS有限元分析軟件和Lighttolls仿真軟件對(duì)模擬器進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)目前的光學(xué)、機(jī)械和電學(xué)的設(shè)計(jì)結(jié)果表明：模擬器光機(jī)結(jié)構(gòu)最大自重變形16.4 μm，最大自重應(yīng)變2.1×10-4 m/m，輻照面輻亮度大于等于20 W/（sr·m2），輻照面照度不均勻度為14.7%，輻照面亮度不均勻度為17.2%，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)：

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[7]劉鵬飛，楊波，陸侃.紫外曝光機(jī)均勻照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].光學(xué)儀器，2012，34（2）：3136.

[8]楊毅，錢可元，羅毅，等.一種新型的基于非成像光學(xué)的LED均勻照明系統(tǒng)[J].光學(xué)技術(shù)，2007，33（1）：110115.