張文穎，張國(guó)玉,2,3，張 雷

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué), 吉林 長(zhǎng)春 130000；2．吉林省光電測(cè)控儀器工程技術(shù)研究中心, 吉林 長(zhǎng)春 130000；3．光電測(cè)控與光信息傳輸技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 吉林 長(zhǎng)春130000)

引言

傳統(tǒng)的星敏感器是一種目前廣泛應(yīng)用的航天產(chǎn)品，是以恒星為觀測(cè)對(duì)象的光學(xué)姿態(tài)敏感器，主要用于衛(wèi)星、飛船等航天器在軌飛行時(shí)的姿態(tài)測(cè)量任務(wù)。當(dāng)前通常意義上的星敏感器屬于星圖儀方式的星敏感器，它首先需要拍攝某一區(qū)域星空的圖像，然后通過圖像處理算法檢測(cè)出圖像中的恒星影像，并利用恒星識(shí)別技術(shù)來確認(rèn)所觀測(cè)恒星的“身份”，最終完成姿態(tài)測(cè)量任務(wù)。

為了測(cè)試星敏感器的性能，需要在地面測(cè)試中為其提供一定的觀測(cè)目標(biāo)作為輸入激勵(lì)，使星敏感器能夠產(chǎn)生一定的輸出。這種激勵(lì)源就是星模擬器，通?？梢援a(chǎn)生具有一定空間位置關(guān)系的多束模擬星光，以形成特定的模擬星圖。星模擬器一般可分為動(dòng)態(tài)星模擬器和靜態(tài)星模擬器。動(dòng)態(tài)星模擬器所產(chǎn)生的模擬星圖是可變的；靜態(tài)星模擬器所產(chǎn)生的模擬星圖是不能改變的。本文介紹的星模擬器屬于靜態(tài)星模擬器，是衛(wèi)星控制分系統(tǒng)地面測(cè)試設(shè)備的組成部分，用于對(duì)星敏感器的功能和性能進(jìn)行測(cè)試，它用于模擬星對(duì)角距作為星敏感器的觀測(cè)目標(biāo)源。文中提出一種離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)，反射式光學(xué)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的折射式光學(xué)系統(tǒng)相比，反射式系統(tǒng)無色差，因而也就不存在二級(jí)光譜的問題，容易實(shí)現(xiàn)輕型化設(shè)計(jì)，滿足空間應(yīng)用對(duì)光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量的要求。而共軸反射光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)小，中心遮攔的存在嚴(yán)重影響了成像的像質(zhì)，離軸反射光學(xué)系統(tǒng)不存在中心遮攔，提高了光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)大小的同時(shí)極大地改善了系統(tǒng)成像質(zhì)量。

1 靜態(tài)星模擬器工作原理與組成

靜態(tài)星模擬器是一種在地面模擬天空中星的位置和亮度，以完成對(duì)星敏感器及姿態(tài)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置，主要由準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、星點(diǎn)分劃板組件、光源(背光板)、電源和安裝支架等組成。星等通過照明光源和調(diào)節(jié)光源的發(fā)光亮度來模擬，星光的光譜由濾光片進(jìn)行修正，無窮遠(yuǎn)處星光的模擬由準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

靜態(tài)星模擬器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。靜態(tài)星模擬器工作原理是將一塊刻劃了若干透光微孔的標(biāo)準(zhǔn)星點(diǎn)分劃板放置在其準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，光源通過濾光片修正星光光譜，照亮星點(diǎn)分劃板,形成模擬星點(diǎn)，由模擬星點(diǎn)透射的光線經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡組平行射出，在星敏感器的入瞳處形成一幅完整的星圖，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)無窮遠(yuǎn)的恒星的模擬。系統(tǒng)工作時(shí),電源對(duì)模擬器供電,通過調(diào)節(jié)光源的發(fā)光亮度來模擬星等；靜態(tài)星模擬器需要模擬無窮遠(yuǎn)處的恒星，所以本文采用了準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，將所模擬星投射到無窮遠(yuǎn)處。靜態(tài)星模擬器準(zhǔn)直物鏡設(shè)計(jì)的依據(jù)主要是保證能量守恒，并且與星敏感器光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)相匹配。

圖1 靜態(tài)星模擬器的組成與工作原理Fig.1 Configuration and operating principle of static star simulator

2 拋物面反射鏡成像質(zhì)量分析與計(jì)算

以水平方向?yàn)閄軸，垂直方向?yàn)閅軸，拋物面反射鏡的頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立的坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 拋物面反射鏡示意圖Fig.2 Schematic diagram of parabolic mirror

拋物面反射鏡方程表示為y2=4f′x，其中f′為拋物面反射鏡焦距，焦點(diǎn)坐標(biāo)為(f′，0)，設(shè)點(diǎn)P(f′，y2)為焦面上任意一點(diǎn)，B(x1，y1)為拋物面反射鏡上任意一點(diǎn)。從P點(diǎn)發(fā)出的光入射到B點(diǎn)的入射光方程表示為

(1)

從焦點(diǎn)處發(fā)出的光線到達(dá)拋物面反射鏡上任意點(diǎn)B(x1，y1)的入射光線方程表示為

(2)

即從焦點(diǎn)處發(fā)出到達(dá)拋物面反射鏡上任意點(diǎn)B(x1，y1)的入射光線與X軸方向的夾角為β，從焦面上任意點(diǎn)P(f′，y2)點(diǎn)發(fā)出到達(dá)拋物面反射鏡上任意點(diǎn)B(x1，y1)的入射光線與X軸的夾角為γ，其反射光線與X軸的夾角為α，則反射光線斜率方程表示為

(3)

故從P點(diǎn)處發(fā)出到達(dá)B點(diǎn)處的入射光線對(duì)應(yīng)的反射光線方程為

(4)

在分析過程中可得出以下結(jié)論：

1) 假設(shè)焦面上的P點(diǎn)固定，即y1為定值，則反射光線斜率|k|隨y1增大而減小，表明離軸量越大，反射光線越接近水平，不平行度越小。

2) 假設(shè)拋物面反射鏡上的任意點(diǎn)B固定，相當(dāng)于y1為固定值，則反射光線斜率|k|在焦點(diǎn)任意點(diǎn)P處取得最小值即k=0，此時(shí)出射光線完全平行于X軸。隨著|y2|的增大，|k|不斷增大，說明焦面上的發(fā)光點(diǎn)離焦點(diǎn)越近，出射光線質(zhì)量越好，不平行度越小。

通過以上對(duì)拋物面反射鏡焦平面的成像質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算與分析，驗(yàn)證了在準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)中廣泛采用拋物面反射鏡的合理性。

3 離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)

靜態(tài)星模擬器準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)要保證星像點(diǎn)位置準(zhǔn)確。靜態(tài)星模擬器準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)平行光管，將物方焦平面上的模擬星點(diǎn)成像在無窮遠(yuǎn)處，其出射的平行光束半徑的確定應(yīng)與星敏感器光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)一考慮。星模擬器的出瞳應(yīng)與星敏感器的入瞳重合，以保證星模擬器的所有星圖信息都能傳遞給星敏感器，因此，星模擬器準(zhǔn)直物鏡系統(tǒng)是一個(gè)出瞳在外的光學(xué)系統(tǒng)。為確保對(duì)星敏感器視場(chǎng)百分之百的覆蓋性，星模擬器視場(chǎng)應(yīng)略大于星敏感器視場(chǎng)。

根據(jù)星敏感器使用要求, 設(shè)計(jì)了一個(gè)高成像質(zhì)量的大口徑長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng), 系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of collimating optical system

3.2 離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選取

該系統(tǒng)為大口徑長(zhǎng)焦距結(jié)構(gòu)，通常采用非球面反射物鏡，拋物面反射鏡采用單塊磨制的方法直接加工成所需的面形，該方法技術(shù)難度大，周期長(zhǎng)，加工精度高，使用狀態(tài)和加工狀態(tài)一致，同時(shí)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)為高精度的測(cè)試系統(tǒng)，畸變過高會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試精度，故應(yīng)滿足消畸變性能。準(zhǔn)直物鏡光學(xué)系統(tǒng)主要由離軸主反射鏡和次反射鏡組成。主鏡為拋物面反射鏡，次鏡為平面反射鏡，用以折轉(zhuǎn)光路，減小系統(tǒng)的長(zhǎng)度。

準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的工作原理即將光源放置于焦面處，背光板發(fā)出的光束經(jīng)次平面反射鏡后到達(dá)拋物面反射鏡，后經(jīng)主鏡拋物面反射鏡反射成平行光束出射，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的功能。

準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的焦距為3 000 mm，通光口徑為Φ300 mm，相對(duì)口徑為1/10，根據(jù)R-C系統(tǒng)計(jì)算公式：

(5)

可算出準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)拋物面反射鏡曲率半徑的大小為6 000 mm。

由于準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的其他參數(shù)都已確定，對(duì)于離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)待定的結(jié)構(gòu)參數(shù)是離軸量h和平面反射鏡的位置。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可將準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)作為對(duì)無窮遠(yuǎn)處的恒星成像光學(xué)系統(tǒng)來考慮，在同一視場(chǎng)內(nèi)，離軸量h越大，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)模擬星點(diǎn)成像的彌散斑越大，所以會(huì)對(duì)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的模擬星點(diǎn)成像質(zhì)量有一定的影響；離軸量h的增大同時(shí)還會(huì)增加拋物面反射鏡非球面度和母拋物面反射鏡半徑，從而加工難度增大，加工周期也隨之變長(zhǎng)，所以在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，離軸量h應(yīng)考慮盡量減小，但離軸量h過小會(huì)造成準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)中心區(qū)域有遮攔。因此平面反射鏡應(yīng)放置在不遮擋視場(chǎng)邊緣出射光束的位置上，同時(shí)距離背光板要有一定距離。

使用Zemax軟件進(jìn)行離軸量設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，經(jīng)過多次試取離軸量h大小后，選取離軸量h=220 mm，拋物面反射鏡鏡與平面反射鏡距離2 500 mm，平面反射鏡直徑大小為165.5 mm，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of collimation optical system

3.3 離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)分析

準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化后的系統(tǒng)像差曲線如圖4～7所示。因?yàn)樵撓到y(tǒng)為反射式系統(tǒng)，所以無色差。評(píng)價(jià)中選取0.5 μm、0.65 μm、0.9 μm三個(gè)波長(zhǎng)。由圖4可以看出畸變值很小，滿足系統(tǒng)相對(duì)畸變<0.01%要求。圖5所示點(diǎn)列圖選取了0°、0.025°、0.03535°、0.0425°、0.05° 5個(gè)視場(chǎng)，各個(gè)視場(chǎng)的點(diǎn)列圖RMS半徑和幾何半徑見表2。可以看出，各視場(chǎng)彌散斑直徑較小。由圖6可知準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的波像差(均方值)不大于λ/14.29,滿足波像差(均方值)≤λ/10的要求。圖7為調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線圖，MTF是所有光學(xué)系統(tǒng)性能判據(jù)中最全面的判據(jù)，可知在60 mm/lp時(shí)，全視場(chǎng)的MTF值高于0.3，表明系統(tǒng)具有較高的成像質(zhì)量，滿足準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)成像系統(tǒng)的要求。

圖4 相對(duì)畸變曲線Fig.4 Relative distortion curve

圖5 點(diǎn)列圖Fig.5 Spot diagram

圖6 波像差曲線Fig.6 Wave aberration curve

圖7 MTF曲線Fig.7 MTF curve

表2 點(diǎn)列圖光斑半徑Table 2 Spot radius

3.4 離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的裝校

離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)部分是框架，承載著系統(tǒng)的所有光學(xué)組件?？蚣懿捎描T造鋁合金，在保證穩(wěn)定性的前提下降低質(zhì)量?？蚣芡獠坑描F皮包覆，防止灰塵進(jìn)入，內(nèi)部涂黑色消光漆，消除雜光干擾，進(jìn)一步保證光管出射光的均勻性?？蚣艿撞繋в?個(gè)調(diào)平底腳螺釘方便系統(tǒng)調(diào)平，且底腳螺釘可連接在光學(xué)隔振平臺(tái)上。該系統(tǒng)擬采用以下過程進(jìn)行裝校：

1) 首先，利用重力對(duì)稱法確定出拋物面反射鏡的對(duì)稱軸，并作出標(biāo)記，調(diào)整基座，利用經(jīng)緯儀標(biāo)定水平方向的安裝基準(zhǔn)。

2) 然后，將拋物面反射鏡安置于鏡座上，保證對(duì)稱軸處于水平位置。安裝自準(zhǔn)平面鏡和刀口儀，通過修切墊片形式，讓光軸和刀口儀高度相等。通過刀口儀觀察，防止鏡面變形。

3) 安裝次反射鏡，調(diào)整次反射鏡的俯仰、偏擺位置，利用自準(zhǔn)原理調(diào)校次反射鏡位置。

4) 安裝分劃板組件，分劃板組件由分劃板和滑筒調(diào)焦機(jī)構(gòu)組成，并在分劃板后安置高斯目鏡和可見光源，通過高斯目鏡觀察，利用自準(zhǔn)原理調(diào)校切換反射鏡的位置并修切視差圈。拋物面反射鏡裝校圖如圖8所示，圖中1為拋物面反射鏡，2為自準(zhǔn)平面鏡，3為刀口儀。

圖8 拋物面反射鏡裝校圖Fig.8 Alignment diagram of parabolic mirror

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無窮遠(yuǎn)處恒星的模擬，根據(jù)星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)確定星模擬器的主要參數(shù)，選用一片拋物面反射鏡及一片平面反射鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用系統(tǒng)離軸方法，在避開中心遮攔并改善像質(zhì)的同時(shí)，保持反射鏡系統(tǒng)小型化和輕型化的特色，通過Zemax軟件設(shè)計(jì)出的離軸反射式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，視場(chǎng)角達(dá)到30′，工作波段0.5 μm～0.9 μm，RMS值優(yōu)于λ/10，通過像質(zhì)分析可以看出，該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

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