空間目標可見光散射動態(tài)特性測試校驗系統(tǒng)

魏祥泉 黃建明 顏根廷 肖余之 范小禮

隨著航天技術的不斷發(fā)展,空間目標光學特性研究已成為國際上空間目標探測領域的研究熱點[1].空間目標光學特性是基于光學探測手段的空間目標探測與識別的重要基礎,也是天基空間監(jiān)視系統(tǒng)方案論證和設計的前提,可以為空間目標探測與識別系統(tǒng)的優(yōu)化設計和探測能力分析提供依據(jù).

空間目標光學特性主要包括目標的紅外輻射特性、可見光散射特性、激光散射特性、紫外散射特性與偏振特性等.總的來說,目前地基和天基空間目標光學監(jiān)視系統(tǒng)主要集中在可見光波段,因此空間目標的可見光散射特性正受到越來越多的關注.

通過理論建模與仿真分析可以獲得不同空間目標的光學特性數(shù)據(jù),但是,僅靠理論建模和仿真分析很難完全模擬試驗目標本身的幾何結構和表面熱控狀態(tài)以及空間在軌實際運行狀態(tài),因此僅利用建模和軟件分析或多或少會存在一定的偏差.為獲得更為可靠的可見光散射動態(tài)特性數(shù)據(jù),需要研制試驗觀測目標的實物模型,構建空間目標可見光散射動態(tài)特性測試系統(tǒng).通過模擬試驗目標的空間在軌運行情況來逼近空間真實觀測環(huán)境,對試驗目標的可見光散射動態(tài)特性進行模擬與測試,進而與理論分析結果進行比較分析,以便對分析模型進行校驗.

國內關于空間目標可見光散射特性的研究較多[1?6],但是針對空間目標可見光散射特性測試的研究較少,路大舉等在實驗室根據(jù)對雙向反射分布函數(shù)測量系統(tǒng)的研究結果,設計了一套測量系統(tǒng),包括功率計、斬波器、鎖相放大器、前置放大器、能量監(jiān)測和樣品轉臺,由于實驗條件的限制,采用光譜儀對光源進行分光來獲得不同波長的入射光源[7].李雅男等在實驗室搭建了測量典型幾何體目標以及衛(wèi)星縮比模型光學特性的實驗裝置,由模擬光源、實驗支架、地面CCD相機系統(tǒng)組成,光源采用鹵鎢燈泡模擬太陽光[8].由于條件的限制和系統(tǒng)構成較為簡單,上述測試系統(tǒng)很難獲得被測目標全面而又準確的測量結果.北京207所目標與環(huán)境光學特征國防科技重點實驗室構建了一套空間目標可見光散射特性測試系統(tǒng),在室內利用與太陽光譜接近的氮燈做光源,利用大口徑反射鏡產生平行光模擬太陽光的照射,被測目標放置在可調整姿態(tài)的轉臺上,用CCD攝像機作為探測器采集被測目標在太陽光照射下的反射光強度圖像,經(jīng)過適當?shù)膱D像處理得到衛(wèi)星目標的散射特性數(shù)據(jù).該系統(tǒng)首次實現(xiàn)了室內空間目標可見光散射特性的測試,但是無法實現(xiàn)空間目標可見光散射動態(tài)特性的測試[9].

上海宇航系統(tǒng)工程研究所根據(jù)實際應用需求,牽頭研制了空間目標光學動態(tài)特性測試校驗系統(tǒng),可在實驗室條件下模擬測量空間太陽輻照條件下不同目標運動和不同觀測狀態(tài)下的光散射特性.這一成果在為空間目標特性分析模型校驗提供定量數(shù)據(jù),為空間平臺跟瞄系統(tǒng)研制提供設計依據(jù),以及支撐空間試驗任務規(guī)劃方面均具有較好的借鑒意義.

1 空間目標可見光散射動態(tài)特性測試校驗系統(tǒng)功能與組成

本節(jié)重點介紹空間目標可見光散射動態(tài)特性測試校驗系統(tǒng)的功能與組成.

1.1 系統(tǒng)功能

所構建的空間目標可見光散射動態(tài)特性測試校驗系統(tǒng)既可以進行空間目標可見光散射靜態(tài)特性測試,也可以進行空間目標可見光散射動態(tài)特性測試,測試結果可用于對空間目標特性分析模型進行校驗.

1.1.1 空間目標可見光散射靜態(tài)特性測試

空間目標可見光散射靜態(tài)特性測試用于對某個或某幾個重點關注狀態(tài)的目標可見光散射特性進行測試,以便在進行動態(tài)特性測試之前確認測試系統(tǒng)的工作狀態(tài)是否正常,是否能夠得到預期的測試結果.

空間目標可見光散射靜態(tài)特性測試的功能:

在規(guī)定的觀測方位角(?25?～+25?)和俯仰角(?15?～+15?)范圍內,在規(guī)定的太陽照射方位角(50?～130?)和俯仰角 (?35?～+35?)范圍內,能夠模擬試驗目標、太陽和探測器三者之間的特定組合狀態(tài),對試驗目標模型的可見光散射特性進行測試.

1.1.2 空間目標可見光散射動態(tài)特性測試

空間目標可見光散射動態(tài)特性測試用于測試被測目標的可見光散射動態(tài)特性,主要功能如下.

1)地影區(qū)和光照區(qū)模擬:根據(jù)設定的太陽光照條件,利用太陽模擬器和姿態(tài)模擬系統(tǒng)模擬空間試驗目標特定軌道的在軌地影區(qū)和光照區(qū)的光照情況,能夠模擬太陽光照方位角和俯仰角的動態(tài)變化.

2)模擬跟蹤飛行器觀測方位角和俯仰角的動態(tài)變化:根據(jù)設定的目標飛行器在跟蹤飛行器中的觀測方位角和俯仰角組合規(guī)律,利用姿態(tài)模擬系統(tǒng)、測試軌道和周視測試車模擬觀測方位角和俯仰角的連續(xù)變化.

3)光學動態(tài)特性測試:根據(jù)設定的太陽照射方位角和俯仰角的動態(tài)變化以及觀測方位角和俯仰角的動態(tài)變化,對試驗目標模型的光學動態(tài)特性進行連續(xù)測試.

4)光學動態(tài)特性校驗:測試完畢后,利用測試結果對試驗目標可見光散射動態(tài)特性分析模型進行校驗.

1.2 系統(tǒng)組成

如圖1所示,空間目標可見光散射動態(tài)特性測試校驗系統(tǒng)由測試軌道、姿態(tài)模擬系統(tǒng)、太陽模擬器、周視測試車、可見光探測系統(tǒng)和中央控制管理系統(tǒng)組成.

測試軌道為半徑為10.5m的半圓形軌道,周視測試車安裝在測試軌道上,探測系統(tǒng)安裝在周視測試車上,姿態(tài)模擬系統(tǒng)安裝在半圓形軌道的圓心位置,太陽模擬器安裝在與半圓形軌道圓心、測試軌道1的0?和180?三點連線上距圓心25m 處,中央控制系統(tǒng)安裝在測試系統(tǒng)所在實驗室不被太陽模擬器照射的位置.

通過太陽模擬器、運行在測試軌道上的周視測試車、姿態(tài)模擬系統(tǒng)三者之間的相對關系模擬空間太陽光、觀測目標和探測平臺3站之間的相對關系,包括太陽照射方位角和俯仰角、探測平臺的觀測方位角和俯仰角;利用可見光探測系統(tǒng)對置于姿態(tài)模擬系統(tǒng)上的試驗目標進行成像,通過光學定標和處理軟件獲得試驗目標可見光散射動態(tài)特性的測試結果.

1.2.1 測試軌道

圖2為測試軌道及基礎截面圖,測試軌道采用立式圓弧板導軌形式,軌道直徑21m,軌道范圍大于180?.通過中央控制系統(tǒng)的控制,周視測試車、探測系統(tǒng)、測試軌道三者模擬空間探測平臺對試驗目標的觀測方位角變化.導軌上平面為周視測試車提供行走面,其余各面為周視測試車提供導向面,軌道上有大直徑外齒,用于驅動周視測試車沿軌道行走.導軌置于槽形基礎中,溝槽尺寸約:寬650mm,深700mm.當周視測試車不運行時,可用蓋板將軌道基礎槽覆蓋,恢復試驗室地面平整,也可保證軌道基礎槽內部清潔及軌道安全.立式圓弧導軌板和焊接在預埋板上的調節(jié)墊塊通過螺栓連接.

圖1 空間目標可見光散射特性測試系統(tǒng)組成示意圖

圖2 測試軌道及基礎截面圖

1.2.2 姿態(tài)模擬系統(tǒng)

圖3所示姿態(tài)模擬系統(tǒng)由底座、下圓弧運動機構、回轉機構、上圓弧運動機構及模型支撐桿等組成,姿態(tài)模擬系統(tǒng)的下圓弧運動機構可以讓試驗目標繞其質心做俯仰旋轉,與探測系統(tǒng)配合,模擬空間探測平臺對試驗目標的觀測俯仰角變化.姿態(tài)模擬系統(tǒng)的回轉機構和上圓弧運動機構可以讓試驗目標繞其質心做方位旋轉和俯仰旋轉,與太陽模擬器配合,模擬空間太陽對試驗目標的照射方位角和俯仰角變化.

圖3 姿態(tài)模擬系統(tǒng)

1.2.3 太陽模擬器

圖4所示太陽模擬器由燈室、電源控制柜和準直反射鏡三大部分組成,燈室內安裝了氙燈、橢球聚光鏡、平面反射鏡、光學積分器、電源觸發(fā)器以及散熱系統(tǒng).準直反射鏡直徑米,鏡面與光中心軸線水平偏轉8?,它把入射光線準直后出射模擬陽光,光斑均勻區(qū)直徑在距鏡面27.5m處為3200mm,用于對直徑3m以下的試驗目標在實驗室內模擬測試空間陽光照射下的光學散射.

圖4 太陽模擬器

1.2.4 周視測試車

圖5所示周視測試車安裝在半徑為10.5m的半圓形測試導軌上,中央控制系統(tǒng)控制周視測試車在半圓形導軌上運動,可以在?90～90?范圍內運動(除去被太陽模擬器照射的位置).周視測試車上有升降、方位、俯仰機構,其上承載探測系統(tǒng),通過中央控制系統(tǒng)控制探測系統(tǒng)對準試驗目標質心所在位置.

圖5 周視測試車

1.2.5 探測系統(tǒng)

圖6所示探測系統(tǒng)采用可見光成像敏感器,用于對試驗目標進行成像,通過光學定標和中央管理控制系統(tǒng)中的處理軟件進行處理,獲得試驗目標在不同太陽照射角和不同觀測角度下的可見光散射特性.

圖6 探測系統(tǒng)

1.2.6 中央控制系統(tǒng)

圖7所示中央控制系統(tǒng)由試驗數(shù)據(jù)庫、試驗控制管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和監(jiān)視子系統(tǒng)組成.試驗數(shù)據(jù)庫用于存儲過程產生的所有數(shù)據(jù),其中包括設備庫、材料庫、目標庫、模型庫等,可完成數(shù)據(jù)庫的錄入、瀏覽、刪除、關聯(lián)等.試驗控制管理子系統(tǒng)由管理軟件和相應的硬件平臺組成,控制測量設備自動化完成測試過程.數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)包括采集設備和采集控制軟件,完成測量信號的采集、記錄、處理及結果的實時顯示,并對采集圖像進行二次編碼,疊加試驗記錄信息.監(jiān)視子系統(tǒng)采用室內球型攝像機,對試驗設備及其運行過程進行實時監(jiān)視,用于保護設備和異常數(shù)據(jù)的分析.

圖7 中央控制系統(tǒng)

2 空間目標可見光散射動態(tài)特性測試校驗系統(tǒng)主要技術指標

空間目標光學動態(tài)特性測試校驗系統(tǒng)的主要技術指標如表1所示.

表1 空間目標光學動態(tài)特性測試校驗系統(tǒng)主要技術指標

3 空間目標可見光散射動態(tài)特性測試校驗系統(tǒng)特點

空間目標光學動態(tài)特性測試校驗系統(tǒng)填補了八院在空間目標光學動態(tài)特性測試方面的空白,該系統(tǒng)現(xiàn)為我國最先進的室內可見光散射動態(tài)特性測試系統(tǒng),具有以下4大特點:

1)系統(tǒng)集成性.集成了光(太陽模擬器、可見光成像探測系統(tǒng))、機(半圓形測試導軌、周視測試車、六自由度姿態(tài)模擬系統(tǒng))、電(中央控制管理系統(tǒng))3種設備.

2)系統(tǒng)先進性.研制出國內第一個用于光學測量的六自由度姿態(tài)模擬系統(tǒng),無遮擋,可模擬大范圍太陽照射角 (方位?135?～135?,俯仰?42.5?～42.5?)和觀測角 (俯仰?25?～25?、方位?31?～31?);采用標準光源、標準板、照度計、光學衰減系統(tǒng)對系統(tǒng)進行了標定,置信度高;只要被測目標最大包絡不超過3m,均可在本系統(tǒng)完成可見光散射特性的測試,適應性強.

3)高效全自動.設置好試驗任務和工況后,自動完成測試,因干擾造成中斷,可保留之前工作狀態(tài),恢復正常后可繼續(xù)進行之前的測試.

4)系統(tǒng)可拓展.可以對不同空間在軌試驗任務的試驗目標的可見光散射特性進行測試,獲得可靠的可見光散射特性數(shù)據(jù),為空間在軌試驗任務規(guī)劃提供合理建議,為可見光探測敏感器的研制提供設計依據(jù);可擴展用于可見光探測敏感器對空間試驗目標的繞飛觀測以及對非合作目標的三維重建等;可增加激光發(fā)射與探測系統(tǒng),對試驗目標激光散射特性進行測試與校驗;可增加紫外發(fā)射與探測系統(tǒng),對試驗目標紫外散射特性進行測試與校驗;可增加紅外發(fā)射與探測系統(tǒng),對試驗目標紅外輻射特性進行測試與校驗;可根據(jù)需求,為不同單位試驗目標可見光散射特性提供測試服務.

4 結束語

本文構建的空間目標可見光散射動態(tài)特性測試校驗系統(tǒng),通過研制試驗觀測目標實物模型,模擬試驗目標的空間在軌運行,可模擬大范圍太陽照射角(方位?135?～135?,俯仰?42.5?～42.5?)和觀測角 (俯仰?25?～25?、方位?31?～31?),自動實現(xiàn)試驗目標可見光散射動態(tài)特性的測試.相對于僅靠理論建模和仿真分析的模擬和測試方式,更接近空間真實觀測環(huán)境,結果更有參考價值,對可見光探測敏感器的設計與研制、空間在軌試驗任務的規(guī)劃與開展具有重要意義.