標(biāo)定型星模擬器設(shè)計(jì)與關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試

陳啟夢(mèng)，張國(guó)玉 ，王哲，趙梓朝

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)，長(zhǎng)春 130022；2.光電測(cè)控與光電信息傳輸技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；3.光電測(cè)控儀器工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)春 130022；4.吉林省計(jì)量科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130103）

標(biāo)定型星模擬器設(shè)計(jì)與關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試

陳啟夢(mèng)1，2，3，張國(guó)玉1，2，3，王哲1，趙梓朝4

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)，長(zhǎng)春 130022；2.光電測(cè)控與光電信息傳輸技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；3.光電測(cè)控儀器工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)春 130022；4.吉林省計(jì)量科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130103）

為了完成高精度星敏感器關(guān)鍵參數(shù)的地面標(biāo)定，研制單星指向誤差優(yōu)于3″、星間角距誤差優(yōu)于5″的標(biāo)定型星模擬器。根據(jù)標(biāo)定型星模擬器的工作原理，設(shè)計(jì)高精度的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)結(jié)果分析，光學(xué)系統(tǒng)有效視場(chǎng)為37°，全視場(chǎng)角內(nèi)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)畸變≤0.1%，MTF達(dá)到衍射極限，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)星點(diǎn)位置的準(zhǔn)確模擬。提出單星指向、星間角距等關(guān)鍵參數(shù)的誤差計(jì)算方法并進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的標(biāo)定型星模擬器的成像精度符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，整個(gè)設(shè)備可以滿足高精度星敏感器地面測(cè)試的使用需要。

星模擬器；單星指向；星間角距；光學(xué)設(shè)計(jì)；誤差計(jì)算

為順利完成星敏感器關(guān)鍵參數(shù)的地面標(biāo)定工作，需要一套高精度的標(biāo)定系統(tǒng)將星敏感器在軌工作時(shí)觀測(cè)到的恒星位置信息準(zhǔn)確地反映出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)天空的模擬［1-3］。星模擬器就是一種能夠完成上述工作的星敏感器重要地面標(biāo)定設(shè)備。星模擬器根據(jù)檢測(cè)參數(shù)需求可以分為標(biāo)定型星模擬器和功能檢測(cè)型星模擬器。標(biāo)定型星模擬器對(duì)星點(diǎn)位置和星等的模擬有很高要求，一般只模擬幾幅在固定天區(qū)的恒星星圖，因此也稱為靜態(tài)星模擬器，通常用一塊表面上掩膜腐蝕出高精度透光微孔的星點(diǎn)板仿真恒星位置關(guān)系，突出系統(tǒng)性能；功能檢測(cè)型星模擬器能夠輸出實(shí)時(shí)模擬星圖，因此也稱為動(dòng)態(tài)星模擬器，一般選用TFT-LCD、LCOS等光調(diào)制器件作為星圖顯示元件，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)功能［4-6］。

本文研制的高精度標(biāo)定型星模擬器，從星點(diǎn)位置指標(biāo)要求出發(fā)，用于對(duì)星敏感器的性能測(cè)試。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個(gè)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，并詳細(xì)說(shuō)明了單星指向、星間角距等關(guān)鍵參數(shù)的精度計(jì)算方法，并進(jìn)行實(shí)際測(cè)試實(shí)驗(yàn)，分析驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

1 標(biāo)定型星模擬器的工作原理

標(biāo)定型星模擬器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝調(diào)方便，常規(guī)的標(biāo)定型星模擬器主要由控制電源、高均勻性光源、帶通濾光片、激光直寫(xiě)微孔星點(diǎn)板、高精度準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 標(biāo)定型星模擬器結(jié)構(gòu)組成示意圖

標(biāo)定型星模擬器的工作原理如下：將利用激光直寫(xiě)技術(shù)制作的攜帶星點(diǎn)位置分布的透光微孔星點(diǎn)分劃板放置在高精度準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，光源照亮星點(diǎn)分劃板并在其上星圖顯示區(qū)域內(nèi)具有高均勻性，通過(guò)中性帶通濾光片修正星光光譜，形成符合光譜要求的模擬恒星星點(diǎn)。由于星點(diǎn)分劃板放置在準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，因此透過(guò)星點(diǎn)微孔的光線經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)后平行射出，星敏感器接收平行光在其像面會(huì)聚形成一幅完整的固定天區(qū)恒星模擬星圖，從而實(shí)現(xiàn)了模擬器對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)恒星的模擬以及敏感器對(duì)來(lái)自無(wú)窮遠(yuǎn)模擬星光的觀測(cè)。為保證模擬器安全工作，控制電源對(duì)光源供電［7］，同時(shí)在一定范圍調(diào)節(jié)光源的發(fā)光亮度來(lái)改變模擬星等等級(jí)。

2 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)是標(biāo)定型星模擬器實(shí)現(xiàn)其對(duì)星敏感器地面測(cè)試能力的關(guān)鍵因素，它可以完成對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)處固定天區(qū)星點(diǎn)位置準(zhǔn)確的模擬，其性能直接影響模擬器對(duì)星敏感器的地面標(biāo)定精度。

2.1 設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)參數(shù)

由于標(biāo)定型星模擬器要具有模擬較大空間尺寸星圖的性能，故所設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是一個(gè)較大視場(chǎng)平行光管；考慮到測(cè)試試驗(yàn)中星敏感器與模擬器的對(duì)接方式是光瞳銜接，因此，要求設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)光瞳外置，且必須具有畸變小、復(fù)消色差的高質(zhì)量成像特點(diǎn)。

根據(jù)高精度星敏感器的地面標(biāo)定要求，設(shè)計(jì)的標(biāo)定型星模擬器準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)星模擬器準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，消除畸變是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為重要的任務(wù)之一，設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)改變透鏡基本結(jié)構(gòu)參數(shù)不能有效校正畸變，無(wú)法到達(dá)相對(duì)畸變小于0.1%的要求，因此設(shè)定優(yōu)化操作數(shù)控制相對(duì)畸變。最后根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)完成后的星模擬器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)的星模擬器結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示是規(guī)劃后的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)畸變曲線，全視場(chǎng)內(nèi)最大相對(duì)畸變誤差不大于0.08%，中心波長(zhǎng)最大相對(duì)畸變誤差不大于0.06%。

圖3 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲、畸變曲線

MTF是所有光學(xué)系統(tǒng)性能判據(jù)中最全面的判據(jù)，規(guī)劃后的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線如圖4所示。

圖4 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的MTF圖

規(guī)劃后的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)主光線點(diǎn)列圖如圖5所示。通過(guò)點(diǎn)列圖可以計(jì)算準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)能量中心與主光線偏差，進(jìn)而計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的星點(diǎn)模擬角度理論偏差，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖5 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的主光線點(diǎn)列圖

表2 星點(diǎn)模擬角度理論偏差

3 關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試方法及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)定型星模擬器自身關(guān)鍵參數(shù)的精度是決定其對(duì)星敏感器標(biāo)定精度的關(guān)鍵，根據(jù)本文的研究?jī)?nèi)容，涉及的關(guān)鍵參數(shù)包括單星指向誤差和星間角距誤差。

3.1 測(cè)試方法及誤差計(jì)算

為完成對(duì)星模擬核心參數(shù)的檢測(cè)，采用TM6100型經(jīng)緯儀、自準(zhǔn)直平面反射鏡以及f′=1000mm的平行光管組成測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試關(guān)系如圖6所示。其中長(zhǎng)焦距平行光管的作用是將星點(diǎn)分劃板調(diào)焦到標(biāo)定型星模擬器準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的最佳像面；經(jīng)緯儀無(wú)窮遠(yuǎn)調(diào)校則通過(guò)自準(zhǔn)直平面反射鏡和自身目鏡來(lái)完成；在保證星模擬器光學(xué)系統(tǒng)的光軸與經(jīng)緯儀的光軸同軸的情況下，利用經(jīng)緯儀讀取星點(diǎn)分劃板上每個(gè)星點(diǎn)的方位角度值α和俯仰角度值β，然后計(jì)算星圖中各星點(diǎn)的單星指向值和星點(diǎn)間的星間角距值。

圖6 模擬器關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試方法示意圖

星點(diǎn)位置計(jì)算模型如圖7所示，星點(diǎn)位置的理論值通過(guò)公式（1）計(jì)算，測(cè)試值通過(guò)公式（2）計(jì)算；測(cè)試值減去理論值得到的結(jié)果即為對(duì)應(yīng)的誤差值，通過(guò)公式（3）計(jì)算。

圖7 星點(diǎn)位置精度計(jì)算模型

3.2 典型星圖測(cè)試結(jié)果

搭建測(cè)試平臺(tái)，對(duì)如圖8所示的典型星圖進(jìn)行星點(diǎn)位置精度測(cè)試。

圖8 測(cè)試用星圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的單星指向誤差和星間角距誤差結(jié)果如圖9所示。

圖9 測(cè)試星圖星點(diǎn)位置誤差圖

從計(jì)算的誤差分布可以看出，兩幅被測(cè)星圖中所有點(diǎn)的單星指向誤差均優(yōu)于3″，星間角距誤差均優(yōu)于5″，滿足對(duì)星敏感器性能的測(cè)試水平要求，所設(shè)計(jì)的標(biāo)定型星模擬器可以作為高精度星敏感器的地面測(cè)試設(shè)備。

4 結(jié)論

本文針對(duì)星敏感器地面標(biāo)定對(duì)測(cè)試設(shè)備性能的具體要求，設(shè)計(jì)了一種高精度標(biāo)定型星模擬器。提出了模擬器的總體設(shè)計(jì)方案，包括系統(tǒng)組成及工作原理；設(shè)計(jì)了光瞳外置的模擬器準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)具有大視場(chǎng)、寬光譜、小畸變等優(yōu)點(diǎn)；闡述了模擬器關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試方法，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)典型星圖進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。結(jié)果表明：核心參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。因此，設(shè)計(jì)的標(biāo)定型星模擬器可以作為高精度星敏感器地面性能測(cè)試的重要設(shè)備。

［1］孫向陽(yáng)，付躍剛，李杰，等.基于μLED發(fā)光技術(shù)的新型星模擬器設(shè)計(jì)［J］.紅外與激光工程，2016，45（4）：88-93.

［2］王小龍，張國(guó)玉，孫高飛，等.基于星模擬器綜合誤差的星點(diǎn)修正方法的研究［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，38（2）：36-42.

［3］李璟，楊寶喜，胡中華，等.星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的研制與性能測(cè)試［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（5）：0522005-1-0522005-6.

［4］鄒陽(yáng)陽(yáng)，張國(guó)玉，張健，等.反射式單星模擬器光纖耦合光源設(shè)計(jì)［J］.激光與光電子學(xué)發(fā)展，2015，52（2）：020602-1-020602-6.

［5］魏忠倫，劉偉奇，柳華.動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬器用視景仿真鏡頭光學(xué)設(shè)計(jì)［J］.應(yīng)用光學(xué)，2013，34（1）：26-31.

［6］陳啟夢(mèng).高精度動(dòng)態(tài)天體模擬器及其關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2015.

［7］朱浩然，王凌云，張文穎.基于STM 32的靜態(tài)多星模擬器數(shù)字光源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，37（4）：64-67.

Design of Calibration Star Simulator and Test of Key Parameters

CHEN Qimeng1，2，3，ZHANG Guoyu1，2，3，WANG Zhe1，ZHAO Zizhao4
（1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Key Laboratory of Optoelectronics Measurement and Control and Optical Information Transfer Technology Under Ministry of Education，Changchun 130022；3.Engineering Research Center of Photoelectric Measurement and Control Instrument，Changchun 130022；4.Jilin Institute of Metrology and Research，Changchun 130103）

In order to complete the ground calibration work of the key parameters for high precision star sensor，a calibration star simulator whose single star pointing error is better than 3"and interstellar angular error is better than 5"is developed.According to the working principle of the calibrated star simulator，a high precision collimating optical system is designed.From the design results，it can be seen that the effective field of view is 37°，the relative distortion of the collimating optical system in the whole field is≤0.1%，and the MTF nearly reaches the diffraction limit.So the design results of the collimating optical system can realize the accurate simulation of the star point position.The error calculation method of key parameters such as single star pointing，interstellar angle and so on is put forward and the practical experiment is done.The experimental results show that the design accuracy of the calibration star simulator meets the requirements of the design index，and the whole equipment can meet the ground test need of high precision star sensor.

star simulator；single star point pointing；interstellar angle；optical design；error calculation

V249.4 TH74

A

1672-9870（2017）04-0041-04

2017-05-25

陳啟夢(mèng)（1989-），女，博士，講師，E-mail：qmchen1989@163.com