靜態(tài)星模擬器準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳娜，王凌云，李光茜，崔賀，張潤澤

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

星敏感器是一種空間檢測設(shè)備，主要檢測和解算在不同位置的恒星，然后將準(zhǔn)確的方位和基準(zhǔn)傳送給衛(wèi)星、航空飛船和洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈等航空航天飛行器［1］。星敏感器和慣性陀螺具有相同的特點(diǎn)，都可實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，有著不可或缺的應(yīng)用價(jià)值。與其它的航空航天姿態(tài)敏感器比較，星敏感器是最為精準(zhǔn)的姿態(tài)敏感器［2］。星模擬器是一種用來檢測和標(biāo)定星敏感器的地面測試設(shè)備［3］。從星圖的顯示效果進(jìn)行劃分，星模擬器主要分為靜態(tài)星模擬器和動(dòng)態(tài)星模擬器［4］。靜態(tài)星模擬器稱之為標(biāo)定型星模擬器［5］，通常由點(diǎn)光源和一系列濾光片組成，星圖是固定不變的，為了模擬不同天區(qū)的星圖，需要更換不同的星點(diǎn)板。動(dòng)態(tài)星模擬器稱之為功能型星模擬器［6］，其星圖是實(shí)時(shí)可變的，主要根據(jù)姿態(tài)與仿真計(jì)算機(jī)提供的四元數(shù)或歐拉角來確定光軸指向，從而將與光軸指向夾角小于半視場角的導(dǎo)航星提取出來，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在計(jì)算機(jī)軟件上顯示出來。當(dāng)姿態(tài)仿真計(jì)算機(jī)提供的四元數(shù)和歐拉角發(fā)生變化時(shí)，模擬星圖也隨之發(fā)生改變。本文主要針對靜態(tài)星模擬器中的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出了一種靜態(tài)星模擬器對“無窮”遠(yuǎn)處恒星進(jìn)行高精度模擬的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過對產(chǎn)生的各像差曲線進(jìn)行像質(zhì)分析表明，該光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對“無窮”遠(yuǎn)處恒星的高精度模擬要求。

1 靜態(tài)星模擬器工作原理及組成

靜態(tài)星模擬器對星間角距的測量非常嚴(yán)格，其中星間角距表示的是星敏感器對星模擬器的辨識程度［7］。星圖的顯示主要是通過背光板照亮放在準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)焦平面處刻有若干個(gè)微光透孔的星點(diǎn)分劃板，由這些星點(diǎn)產(chǎn)生的光經(jīng)過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)后，以平行光的形式出射，在星敏感器的入瞳處構(gòu)成一幅完整的星圖。其中控制電路的作用主要是用來調(diào)節(jié)通過背光板的電流大小，從而改變星點(diǎn)分劃板上星點(diǎn)的發(fā)光亮度，實(shí)現(xiàn)對恒星的星等模擬。同時(shí)為了減少雜散光對靜態(tài)星模擬器測試精度的影響，光源首先需要通過濾光片，從而得到所需要的模擬光譜范圍。

靜態(tài)星模擬主要由頭部（準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、星點(diǎn)分劃板和背光板）、濾光片組件、電控部分組件（光源、電源以及電路盒）等部分組成，各部分的組成關(guān)系如圖1所示。

圖1 靜態(tài)星模擬器各部分組成關(guān)系

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)

在靜態(tài)星模擬器中，星圖的模擬精度受準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的影響。在對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了防止星模擬器到星敏感器這一傳遞過程中產(chǎn)生光能信息的損失，星敏感器的入瞳應(yīng)與靜態(tài)星模擬器的出瞳重合［8］，如圖2所示。圖中可以看出，星敏感器的入瞳位于光學(xué)系統(tǒng)的后側(cè)，因此靜態(tài)星模擬器光學(xué)系統(tǒng)需滿足出瞳外置。

圖2 光瞳銜接原則

為了使星敏感器和靜態(tài)星模擬器在遮光罩內(nèi)不發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)，星模擬器的出瞳距為190 mm。為了避免光能量的損失，星模擬器的出瞳直徑應(yīng)比星敏感器的入瞳直徑大，星模擬器的出瞳直徑為65 mm。由于靜態(tài)星模擬器為星敏感器的地面標(biāo)定設(shè)備，根據(jù)星敏感器的使用要求，靜態(tài)星模擬器的視場為10°。靜態(tài)星模擬器中星點(diǎn)刻劃直徑為10 μm，單星張角≤8.3″，根據(jù)計(jì)算公式（1）光學(xué)系統(tǒng)焦距f為：

靜態(tài)星模擬器準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

2.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

光學(xué)系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)結(jié)果為：焦距248.989 mm，像高43.568 mm，后截距（像距）10.043 mm，系統(tǒng)總長470.131 mm，其光路圖和光學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如圖3和表2所示。

圖3 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)光路示意圖

表2 光學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

3 像質(zhì)分析

通過ZEMAX軟件平臺實(shí)際設(shè)計(jì)出的靜態(tài)星模擬器準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)各像差曲線如圖4-圖7所示。在對其進(jìn)行像質(zhì)分析時(shí)，選擇了三個(gè)波長，這三個(gè)波長分別是0.5 μm、0.65 μm和0.8 μm。

（1）場曲與畸變

圖4為場曲與畸變曲線，左邊表示的是場曲，右邊表示的是畸變，場曲會(huì)對星點(diǎn)的清晰度產(chǎn)生影響，但對星點(diǎn)的形狀不產(chǎn)生任何影響。畸變會(huì)對星點(diǎn)的位置精度和星點(diǎn)的形狀產(chǎn)生影響，但對星點(diǎn)的清晰度不產(chǎn)生任何影響。從場曲曲線中可以得出，光學(xué)系統(tǒng)的全視場場曲均小于0.2 mm。從畸變曲線中可以得出，光學(xué)系統(tǒng)的最大畸變值為0.026 75%，達(dá)到了系統(tǒng)指標(biāo)所要求的不超過0.05%，該準(zhǔn)直光學(xué)成像質(zhì)量良好。

圖4 場曲與畸變

（2）點(diǎn)列圖

圖5為點(diǎn)列圖，光學(xué)系統(tǒng)的成像優(yōu)劣主要通過點(diǎn)列圖中彌散斑的半徑大小來進(jìn)行判斷［9］。圖中選取了五個(gè)視場，分別為0°，1.5°，2.5°，3.5°，5°。從圖中可以看出，最大RMS半徑出現(xiàn)在視場為5°時(shí)，其值僅為3.489 μm，小于表1中提出的4 μm的彌散斑尺寸要求，滿足準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。該準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量良好。

圖5 點(diǎn)列圖

（3）點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)

圖6為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，描述的是光學(xué)系統(tǒng)對點(diǎn)源解析能力的函數(shù)，因?yàn)辄c(diǎn)源在經(jīng)過任何光學(xué)系統(tǒng)后都會(huì)由于衍射而形成一個(gè)擴(kuò)大的像點(diǎn)。通過測量系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，能夠更準(zhǔn)確地提取圖像信息。圖中給出的是邊緣視場為5°時(shí)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，由圖可知，邊緣視場的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)峰值較高并且尖銳。該光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量良好。

圖6 點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)

4 測試數(shù)據(jù)

將刻劃好的星點(diǎn)板放置在準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的焦平面處，以星點(diǎn)6作為中心點(diǎn)，使用徠卡經(jīng)緯儀6100A進(jìn)行測試，其星點(diǎn)板上各星點(diǎn)的位置分布、測試現(xiàn)場及經(jīng)緯儀測試數(shù)據(jù)如圖7、圖8和表3所示。

圖7 星點(diǎn)板星點(diǎn)位置分布

表3 經(jīng)緯儀測試數(shù)據(jù)

圖8 測試現(xiàn)場

根據(jù)計(jì)算公式（2）實(shí)際星間角距為：

5 結(jié)論

為了提高靜態(tài)星模擬器對“無窮”遠(yuǎn)處恒星的模擬精度，主要針對星模擬器中的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先介紹了靜態(tài)星模擬器的工作原理和各部分組成之間的關(guān)系，然后根據(jù)星敏感器的地面測試要求，得出星模擬器準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)，并通過ZEMAX軟件平臺對其進(jìn)行設(shè)計(jì)。并對所產(chǎn)生的各像差曲線進(jìn)行像質(zhì)分析，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)具有高成像質(zhì)量的特點(diǎn)。最后使用徠卡經(jīng)緯儀6100A對放置在準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)處的星點(diǎn)分劃板進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)表明，各星點(diǎn)的星間角距優(yōu)于10″，達(dá)到了對恒星高精度模擬的要求。