CN101236087A - 一种静态多光路星模拟器 - Google Patents

Abstract

一种静态多光路星模拟器，包括法兰和至少四个星光管，每个星光管均能够产生一颗模拟星，每个星光管的光谱和亮度均可单独调整；星光管通过角度调整机构安装于法兰上，且任意两个星光管的光轴不平行，任意两个星光管之间的相对角度可在不小于10度的范围内进行调整，可以产生大量不同构型的模拟星座，且每个星点的亮度和光谱特性都可以不相同的，任意两个模拟星座之间的几何相似程度比较低，可以很好地模拟真实星空的物理特性。

Description

一种静态多光路星模拟器

技术领域

本发明属光学敏感器技术领域，涉及一种用于室内条件下进行星敏感器功能和精度测试的静态多光路星模拟器。

背景技术

传统的星敏感器是一种目前广泛应用的航天产品，是以恒星为观测对象的光学姿态敏感器，主要用于卫星、飞船等航天器在轨飞行时的姿态测量任务。

当前通常意义上的星敏感器属于星图仪方式的星敏感器。它首先需要拍摄某一区域星空的图像，然后通过图像处理算法检测出图像中的恒星影像，并利用恒星识别技术来确认所观测恒星的“身份”，最终完成姿态测量任务。

为了测试星敏感器的性能，就需要在地面测试中为其提供一定的观测目标作为输入激励，使星敏感器能够产生一定的输出。这种激励源就是星模拟器，通常可以产生具有一定空间位置关系的多束模拟星光，以形成特定的模拟星座。星模拟器一般可分为动态模拟器和静态模拟器。动态星模拟器所产生的模拟星座是可变的；静态模拟器所产生的模拟星座是不能改变的。

目前国内外已经开发出的静态星模拟器大致有两类：一类是单光路星模拟器，其原理为：由电光源发出的光线，经过散射屏后照亮位于准直光学***焦平面上的、刻有若干透光微孔的分划板，形成多个模拟星点，由各模拟星点产生的光线经过物镜组准直后成为平行光射出。此类星模拟器由镜筒、准直物镜、分划板、散射屏、光源、电源等部分等组成，其组成结构如图1所示，图中101为准直物镜组，102为星点分划板，103为光源(单色发光二极管)，其星点板102的A向视图如图2所示。由于各束模拟星光均经由一个光学***投射，故此类静态星模拟器可称为单光路星模拟器。单光路星模拟器的局限性主要有以下几个方面：1)所生成的模拟星座构型完全取决于分划板，当划板加工完成后，其产生的模拟星座构型就不能再作任何改变，即一个星模拟器只能产生一种构型的模拟星座；2)星模拟器中只有一个光源，所有模拟星的星光光谱都是相同的，不能单独改变其中一个模拟星的光谱；3)星模拟器中用一个光源照明分划板产生所有模拟星点，调整光源的亮度只能使所有的模拟星都变亮或都变暗，不能单独改变其中一个模拟星的亮度；4)由于星模拟器光学***的视场、孔径通常都比较大，因此其光学像差的影响不能忽略，即在利用星模拟器进行星敏感器精度测试时，星模拟器本身的误差可能对测试结果的可信程度产生影响。

国外也开发、使用过的另外一类星模拟器为多光路星模拟器，如图3所示，该种星模拟器由若干激光二极管(图中301所示)、安装法兰(图中303所示)、调整机构(图中302所示)、电源等部分等组成，其原理为：每个激光二极管发出一束准直光束，可在星敏感器的像面上形成一个模拟星点，由于各激光二极管之间相互位置不同，因此可在星敏感器像面上产生具有一定构型的模拟星座。因每个激光二极管均构成一个独立的光学***，故此类静态星模拟器可称为多光路星模拟器。多光路星模拟器克服了单光路星模拟器的部分缺点：1)星模拟器所生成的模拟星座构型决定于各激光二极管的相对角度，因此调整各激光二极管的角度就能改变模拟星座构型，使得一套星模拟器可以产生多种几何构型的模拟星座；2)原则上各激光二极管的亮度均可单独设定，因此可以单独调整模拟星座中任一模拟星的亮度；3)各激光二极管发出的均为发散角趋于0的细光束，因此其光学像差完全可以忽略，使得在利用星模拟器进行星敏感器精度测试时，星模拟器本身的误差不会影响测试结果。但是，多光路星模拟器也有其局限性，主要有：1)各激光二极管的相对角度只能在较小范围内调整，模拟星座构型的改变范围也非常有限，即不同构型的模拟星座之间其几何相似程度仍然比较高；2)由于激光二极管对输入电流中的尖峰比较敏感，过高或过频繁的尖峰可能造成二极管的损坏，因此对所采用的电源品质要求较高，需采用特种电源供电，同时在使用过程中不能频繁点亮/熄灭激光二极管，或者反复改变激光二极管的输入功率，这都可能引起二极管的损坏；3)每只激光二极管的光谱特性都是固定的，因此除非选用其它型号的激光二极管，否则不能改变其中任一模拟星的光谱。

在星敏感器所观测的真实星空中，任意两颗星的亮度和光谱特性都可能是不相同的，但现有静态单光路星模拟器和多光路星模拟器，均不能有效模拟出真实星空中存在的这种差别，因此在很大程度上影响了对星敏感器的测试效果，限制了其测试覆盖性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、模拟星座构型众多、星空模拟效果逼真的静态多光路星模拟器。

本发明的技术解决方案是：一种静态多光路星模拟器，其特征在于：包括法兰和至少四个星光管，每个星光管均能够产生一颗模拟星，每个星光管的光谱和亮度均可单独调整；星光管通过角度调整机构安装于法兰上，且任意两个星光管的光轴不平行，任意两个星光管之间的相对角度可在不小于10度的范围内进行调整。

所述的静态多光路星模拟器还包括左右调整机构、前后调整机构和高低调整机构，用于改变法兰的位置。

所述的星光管包括光源、匀光板、星点板、准直物镜和准直镜筒；由光源发出的光线，经过匀光板的衰减和匀化后，照亮位于准直物镜焦平面上的、刻有一个透光微孔的星点板，形成模拟星点；由模拟星点产生的光线经过准直物镜准直后成为平行光出射；光源、匀光板、星点板、准直物镜均安装于准直镜筒内部。

所述星光管出射的模拟星光为发散角不大于3′、直径2～7mm的细光束。

所述的光源为三色发光二极管，发光二极管的出射光谱可调，调整后发光二极管出射光谱峰值波长的最短波长不大于440nm，最长波长不小于620nm。

所述的角度调整机构包括：悬挂螺钉、调节螺钉、活动安装环和固定连接盘；星光管从活动安装环中穿过并与其固连，悬挂螺钉将活动安装环连接在固定连接盘上，活动安装环可相对于固定连接盘转动；固定连接盘固连在法兰上；通过旋转调节螺钉，可改变星光管与法兰之间的相对角度。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明选用光谱和亮度均可单独调整的星光管模拟单个星点，且任意两个星光管之间的相对角度可进行不小于10度范围内调整，因此可以产生大量不同构型的模拟星座，且每个星点的亮度和光谱特性都可以不相同的，任意两个模拟星座之间的几何相似程度比较低，可以很好地模拟真实星空的物理特性。星光管发出的均为发散角很小的细光束，其光学像差完全可以忽略，不会对测试结果产生影响，因此有利于保证对星敏感器的测试精度。星光管的光源采用三色发光二极管，使得对星点亮度和光谱的调节更加简捷，同时二极管对输入电压的纹波和尖峰不敏感，对输入电源要求较低，可使用普通民用直流电源供电，而且在使用过程中可以频繁点亮或熄灭。另外，通过设置位置调整机构，与星光管的角度调整机构相配合，使得产生的模拟星座位置调整灵活。

附图说明

图1为现有的静态单光路星模拟器的工作原理图；

图2为图1所示静态单光路星模拟器星点板的A向视图；

图3为现有的静态多光路星模拟器的结构示意图；

图4为本发明静态多光路星模拟器的结构示意图；

图5为本发明静态多光路星模拟器星光管的组成原理图；

图6为本发明静态多光路星模拟器中所采用的发光二极管的结构示意图，其中图6a为二极管的侧视图，图6b为二极管的底视图；

图7为本发明静态多光路星模拟器中所采用的发光二极管的光谱曲线图；

图8为本发明静态多光路星模拟器角度调整机构的结构示意图；

图9为本发明静态多光路星模拟器角度调整机构的调整操作示意图，其中图9a为对星光管进行上下调整的操作示意图，图9b为对星光管进行左右调整的操作示意图。

具体实施方式

如图4所示，本发明静态多光路星模拟器包括弧形法兰401和至少四个星光管402，每个星光管402均能够产生一颗模拟星，其光谱和亮度均可单独调整；星光管402通过角度调整机构406安装于弧形法兰401上，且任意两个星光管402的光轴不平行，任意两个星光管402之间的相对角度可在不小于10度的范围内进行调整。一个星光管402即构成一个小型单星模拟器，能够产生一颗模拟星。如图5所示，星光管由光源501、匀光板502、星点板503、准直物镜505和准直镜筒504组成，其工作原理如下：由光源501发出的光线，经过匀光板502的衰减和匀化后，照亮位于准直物镜505焦平面上的、刻有一个透光微孔的星点板503，形成模拟星点；由模拟星点产生的光线经过准直物镜505准直后成为平行光射出；光源501、匀光板502、星点板503、准直物镜505均安装于准直镜筒504内部。

本发明实施例中，选取准直物镜505的焦距为100mm，有效通光孔径为4mm，星点板503透光微孔直径0.03mm，可以从星光管402得到发散角1′、直径4mm的细光束，其中所附带的光学像差完全可以忽略，有利于保证对星敏感器的测试精度。

星光管402中采用三色发光二极管(RGB-LED)作为光源，以采用型号为LF59EMBGMBC的发光二极管为例进行说明。这种LED内置四个独立的发光单元，其中一个可发出峰值波长630nm的红光，一个可发出峰值波长560nm的绿光，两个可发出峰值波长430nm的蓝光。发光二极管的外形如图6所示，其中图6a为二极管的侧视图，图6b为二极管的底视图。601为红色发光单元，606为绿色发光单元，602和605为两个蓝色发光单元，603和604为共阴极。图中发光二极管个发光单元的发光光谱如图7所示，图中横坐标为波长(单位nm)，纵坐标为相对发光强度，曲线701为蓝色发光单元的发光光谱曲线，702为绿色发光单元的发光光谱曲线，703为红色发光单元的发光光谱曲线。

到达星点板503透光微孔的光，是四个发光单元所发出光线的合成。由于每个发光单元的发光强度均可单独控制，因此改变各发光单元输入电流，就能影响其发光强度，从而改变星光管402出射星光的光谱特性。星光管402出射星光的峰值波长可在430nm～630nm的范围内调整。同时，改变各发光单元的发光强度，也能改变星光管402出射星光的强度。因此，每个星光管402出射星光的强度和光谱都是可以根据需要独立设定的。

由于所选用的发光二极管对输入电流中的尖峰远不如激光二极管那样敏感，因此对供电电源尖峰和纹波特性也无特殊要求，普通民用直流电源即可。同时，在使用过程中可以频繁点亮或熄灭二极管，也可以快速改变二极管的输入功率。这些操作一般不致引起发光二极管的损坏。

如图4所示，本发明星模拟器除星光管402和弧形法兰401外，还包括左右调整滑板403、前后调整滑板404和高低调整台405。左右调整滑板403、前后调整滑板404和高低调整台405上带有可以旋转的手柄，旋转这些手柄分别可以使星光管阵列整体向左或向右、向前或向后、向上或向下平移，以便实现星模拟器与星敏感器的光学对接。

每个星光管402都通过一个如图8所示的角度调整机构406安装在弧形法兰401上。角度调整机构406包括：活动安装环803、固定连接盘804、悬挂螺钉801和两个调节螺钉802。星光管402从活动安装环803中穿过并与其固连，悬挂螺钉801将活动安装环连接在固定连接盘804上，活动安装环803可相对于固定连接盘804转动；固定连接盘804固连在法兰401上；如图9所示，其中图9a为对星光管进行上下调整的操作示意图，图9b为对星光管进行左右调整的操作示意图。通过旋转调节螺钉802，可带动星光管在两个方向上转动，从而改变星光管402与法兰401之间的相对角度。星光管402每个方向上的转动角度可达±5°。

由于每个星光管402在两个方向上都具有±5°的调整空间，再加上每根星光管402都可以根据需要随时单独点亮或熄灭，因此本发明静态多光路星模拟器所产生的模拟星座的构型，能在较大范围内加以改变。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1、一种静态多光路星模拟器，其特征在于：包括法兰(401)和至少四个星光管(402)，每个星光管(402)均能够产生一颗模拟星，每个星光管(402)的光谱和亮度均可单独调整；星光管(402)通过角度调整机构(406)安装于法兰(401)上，且任意两个星光管(402)的光轴不平行，任意两个星光管(402)之间的相对角度可在不小于10度的范围内进行调整。

2、根据权利要求1所述的一种静态多光路星模拟器，其特征在于：所述的静态多光路星模拟器还包括左右调整机构(403)、前后调整机构(404)和高低调整机构(405)，用于改变法兰(401)的位置。

3、根据权利要求1所述的一种静态多光路星模拟器，其特征在于：所述的星光管包括光源(501)、匀光板(502)、星点板(503)、准直物镜(505)和准直镜筒(504)；由光源(501)发出的光线，经过匀光板(502)的衰减和匀化后，照亮位于准直物镜(505)焦平面上的、刻有一个透光微孔的星点板(503)，形成模拟星点；由模拟星点产生的光线经过准直物镜(505)准直后成为平行光出射；光源(501)、匀光板(502)、星点板(503)、准直物镜(505)均安装于准直镜筒(504)内部。

4、根据权利要求3所述的一种静态多光路星模拟器，其特征在于：所述的星光管(402)出射的模拟星光为发散角不大于3′、直径2～7mm的细光束。

5、根据权利要求3所述的一种静态多光路星模拟器，其特征在于：所述的光源(501)为三色发光二极管，发光二极管的出射光谱可调，调整后发光二极管出射光谱峰值波长的最短波长不大于440nm，最长波长不小于620nm。

6、根据权利要求1所述的一种静态多光路星模拟器，其特征在于：所述的角度调整机构(6)包括：悬挂螺钉(801)、调节螺钉(802)、活动安装环(803)和固定连接盘(804)；星光管(402)从活动安装环(803)中穿过并与其固连，悬挂螺钉(801)将活动安装环连接在固定连接盘(804)上，活动安装环(803)可相对于固定连接盘(804)转动；固定连接盘(804)固连在法兰(401)上；通过旋转调节螺钉(802)，可改变星光管(402)与法兰(401)之间的相对角度。

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