CN112747738A - 平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器 - Google Patents

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王春艳
孙昊
王凌云
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Abstract

平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器属于光电测试技术领域。现有技术功能单一。本发明在积分球内分散分布若干个发光色温不同、强弱可调的LED阵列；在转盘式星点板沿同一圆周等距分布若干个孔径不同的星孔；积分球的出光孔与所述圆周的弧线对准并接触；在所述积分球的出光孔与抛物面反射镜之间设置小楔角透射反射镜，所述星孔位于抛物面反射镜反射光路焦点处，CCD相机的感光面位于抛物面反射镜透射光路焦点处；抛物面反射镜的口径大于所述离轴两反自准直单星模拟器的出瞳直径；在抛物面反射镜的出射平行光光路相对于出射平行光光轴对称分布两个相同的直角五棱镜，两个相同的直角五棱镜间距等于抛物面反射镜的口径。能够监测平行度、模拟多色温。

Description

平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器
技术领域
本发明涉及一种平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器，属于光电测试技术领域。
背景技术
对于运行在太空中的航天器而言，姿态是影响其空间运行轨迹和运动指向的重要参量。姿态的实时测量与获取是航天器完成自主捕获目标、接收指令、实现在轨运动等任务的必要前提。如果没有准确的姿态定位，航天器在轨道上会不受控制地翻滚，出现“空间迷失”的情况。航天器姿态敏感器(以下简称星敏感器)是实时测量与获取航天器姿态的关键仪器。随着航天技术的发展，对星敏感器的测量精度提出了更高的要求。
星敏感器是一种以恒星为参照系，安装在航天器中工作于星空的高精度的空间姿态测量装置，是目前精度最高的航天器姿态光学测量部件。在工作过程中，星敏感器首先利用光学镜头和图像传感器对视场中的恒星成像，经过星点(恒星的像点)提取和质心定位得到星点在图像传感器靶面上的位置和亮度信息，然后通过星表识别从而确定星点在星表中与哪颗恒星对应，最后根据识别结果通过姿态解算得到星敏感器的姿态信息，再根据星敏感器与航天器的安装姿态关系，得到航天器的实时姿态数据，并作为航天器的导航依据。
星敏感器需要在投入实际安装和使用前，需要标定(简称星敏标定)，也就是在地面室内测定原本工作在外层空间的星敏感器的探测能力和空间分辨率，测定过程需要星模拟器配合，用来模拟星点，也就是模拟真实星空中的恒星，包括严格模拟恒星的光谱(色温)、尺寸、亮度等特征，为星敏感器提供识别目标。
2017年4月出版的《长春工业大学学报》(第38卷第2期)刊载了一篇题目为“反射式单星模拟器光学***设计与分析”的论文，文中介绍了一种离轴两反自准直单星模拟器，在该离轴两反自准直单星模拟器中，自光源发出的光由一个离轴平面反射镜、一个离轴抛物面镜依次反射后出射平行光，离轴两反结构无中心遮拦，提高了光能量的利用率。可是，从光学设计上该单星模拟器出射的是平行光，实际上，由于装调等方面的原因，出射光的平行度难以稳定在符合要求的状态中，而需要模拟的恒星发光被认为是典型的平行光。另外，星敏感器的探测能力通过星敏感器的极限探测星等(星点等级的简称，单位Mi)来体现，极限探测星等表示星敏感器对恒星的探测灵敏度，极限探测星等越高，探测灵敏度越高，星敏感器对恒星的探测能力越强。星敏感器的空间分辨率以探测到的恒星的单星张角来衡量，所能探测的单星张角越小，空间分辨率越高。由于不同恒星的色温不同，这就要求星模拟器能够分时做不同色温的模拟。虽然星等的高低与星模拟器模拟的色温无关，但取决于星模拟器中的光源出光的强弱，这就要求星模拟器能够分时做不同亮度的模拟。尽管恒星之间相距遥远、星体大小相差巨大，但来自不同恒星的光束张角差异极小，这就要求星模拟器能够分时提供不同大小的模拟星点。然而，所述现有单星模拟器光源的出射平行光色温单一、亮度单一，模拟的星点尺寸单一，因此，所述单星模拟器无法配合完成对星敏感器的全面标定。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，我们发明了一种平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器。利用出射平行光边缘部分的光监测出射平行光的平行度；在一个积分球内分散布置若干个发光色温不同、发光强弱可调的LED阵列，实现多色温恒星模拟，也为检测星敏感器的探测能力提供不同的极限探测星等；在转盘式星点板沿同一圆周等距分布若干个孔径不同的星孔，能够进行尺寸切换，模拟大小、远近不同的恒星，单星张角不同，据此检验星敏感器的空间分辨率。
本发明之平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器其特征在于，如图1所示，在积分球1内分散分布若干个发光色温不同、发光强度可调的LED阵列2；在转盘式星点板3 沿同一圆周等距分布若干个孔径不同的星孔4；积分球1的出光孔与所述圆周的弧线对准并接触；在所述积分球1的出光孔与抛物面反射镜5之间设置小楔角透射反射镜6，所述星孔4 位于抛物面反射镜5反射光路焦点处，CCD相机7的感光面位于抛物面反射镜5透射光路焦点处；抛物面反射镜5的口径大于所述离轴两反自准直单星模拟器的出瞳直径；在抛物面反射镜5的出射平行光光路相对于出射平行光光轴对称分布两个相同的直角五棱镜8，两个相同的直角五棱镜8间距等于抛物面反射镜5的口径，在出射平行光的轴向方向上，直角五棱镜位于所述离轴两反自准直单星模拟器的出瞳处。
本发明其技术效果在于，如图1所示，由于在积分球1内分散分布若干个发光色温不同的LED阵列2，每个LED阵列2分别以各自的混光方式发出彼此色温不同的光，在某一时间开启某一LED阵列2，经积分球1的出光孔发出对应色温的光，用以模拟相同色温的恒星，实现多色温恒星模拟；与此同时，通过调整某一LED阵列2的发光强度，为检测星敏感器的探测能力提供不同的极限探测星等。由于在转盘式星点板3沿同一圆周等距分布若干个孔径不同的星孔4，并且，积分球1的出光孔与所述圆周的弧线对准并接触，通过转动转盘式星点板3在若干个孔径不同的星孔4之间切换，从而模拟大小、远近不同的恒星，单星张角不同，据此检验星敏感器的空间分辨率。由于在抛物面反射镜5的出射平行光光路边缘相对于出射平行光光轴对称分布两个相同的直角五棱镜8，当自积分球1的出光孔发出的光经过某一星孔4，再依次由小楔角透射反射镜6、抛物面反射镜5反射后，作为出射平行光出射，该出射平行光在所述离轴两反自准直单星模拟器的出瞳直径之外的部分有两束光分别由两个直角五棱镜8先后反射后，逆向入射抛物面反射镜5，由抛物面反射镜5逆向反射后自小楔角透射反射镜6透射，最终成像于CCD相机7的感光面上，如果在显示屏上显现一个光斑，说明出射平行光的平行度能够满足要求，如果在显示屏上能够观察到两个光斑，尽管两个光斑绝大部分重叠，此时也需要对光学***的装调进行修正，如调整小楔角透射反射镜6或/和调整抛物面反射镜5的姿态，直到两个光斑完全重叠，这一过程也就是出射平行光平行度的监测过程，在本发明的具体实施方式中，能够保证出射平行光的平行度优于1″。在此基础上还能够进行更为精确的出射平行光平行度监测，即经过积分运算，发现由CCD相机7探测到的图像在显示屏上显现的光斑出现两个能量中心，说明出射平行光平行度下降。
附图说明
图1是本发明之平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器结构及工作状态示意图，该图同时作为摘要附图。
具体实施方式
积分球1直径500mm，出光孔直径10mm，LED阵列2发光经积分球1匀光后自出光孔出射。
LED阵列2有7个，LED阵列2中的LED的发光波长在350nm～950nm范围内；7个LED 阵列2分别模拟一个色温，分别记为O、B、A、F、G、K、M，色温范围依次为：30000K～60000K、10000K～30000K、7500K～10000K、6000K～7500K、5000K～6000K、3500K～5000K、 2000K～3500K；LED阵列2的发光强度与模拟的极限探测星等范围+2Mi～+8.5Mi对应，在该范围内分别模拟以下8个极限探测星等：2Mi、3Mi、4Mi、5Mi、6Mi、7Mi、8Mi、8.5Mi。
转盘式星点板3的转轴轴线与积分球1的出光孔轴线平行，材质为金属，或者为覆有铬层的透光玻璃，铬层开孔作为星孔4。
星孔4有6个，孔径分别为2000μm、1000μm、50μm、40μm、30μm、20μm，对应的单星张角依次为131″、65.5″、3.3″、2.6″、2″、1.3″，由于最大为131″，即0.036°，因此，将本发明之离轴两反自准直单星模拟器的视场角设计为0.05°；星孔4的轴线与积分球1的出光孔的轴线重合，重合误差小于0.02mm。
抛物面反射镜5的焦距为3500mm，工作波段为350nm～950nm，将将本发明之离轴两反自准直单星模拟器的出瞳直径设计为350mm，据此确定抛物面反射镜5的口径；由抛物面反射镜5反射出射的出射平行光平行度优于1″。
小楔角透射反射镜6的前平面镜与后平面镜夹角为0.189°(楔角)，小楔角能够消除透射光的色散对CCD相机7成像质量的影响，进一步说就是在宽光谱范围内消像散；前平面镜镀350nm～950nm波段反射膜和450nm～750nm波段透射膜，这一透射膜波段有利于CCD相机7接收；小楔角透射反射镜6的轴线(最薄点与最厚点的最短连线)的投影与出射平行光的轴线重合，小楔角透射反射镜6的楔角朝向出射平行光的轴线，前平面镜与出射平行光轴线的夹角为50°。
CCD相机7为大像面数字CCD相机，像元尺寸δ小于7.3μm，以提高接收角分辨率CCD。
直角五棱镜8的两个反射镜面的RMS(面型精度)优于百分之一波长。

Claims (10)

1.一种平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器，其特征在于，在积分球(1)内分散分布若干个发光色温不同、发光强度可调的LED阵列(2)；在转盘式星点板(3)沿同一圆周等距分布若干个孔径不同的星孔(4)；积分球(1)的出光孔与所述圆周的弧线对准并接触；在所述积分球(1)的出光孔与抛物面反射镜(5)之间设置小楔角透射反射镜(6)，所述星孔(4)位于抛物面反射镜(5)反射光路焦点处，CCD相机(7)的感光面位于抛物面反射镜(5)透射光路焦点处；抛物面反射镜(5)的口径大于所述离轴两反自准直单星模拟器的出瞳直径；在抛物面反射镜(5)的出射平行光光路相对于出射平行光光轴对称分布两个相同的直角五棱镜(8)，两个相同的直角五棱镜(8)间距等于抛物面反射镜(5)的口径，在出射平行光的轴向方向上，直角五棱镜位于所述离轴两反自准直单星模拟器的出瞳处。
2.根据权利要求1所述的平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器，其特征在于，积分球(1)直径500mm，出光孔直径10mm。
3.根据权利要求1所述的平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器，其特征在于，LED阵列(2)有7个，LED阵列(2)中的LED的发光波长在350nm～950nm范围内；7个LED阵列(2)分别模拟一个色温，分别记为O、B、A、F、G、K、M，色温范围依次为：30000K～60000K、10000K～30000K、7500K～10000K、6000K～7500K、5000K～6000K、3500K～5000K、2000K～3500K；LED阵列(2)的发光强度与模拟的极限探测星等范围+2Mi～+8.5Mi对应。
4.根据权利要求3所述的平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器，其特征在于，在所述极限探测星等范围+2Mi～+8.5Mi内分别模拟以下8个极限探测星等：2Mi、3Mi、4Mi、5Mi、6Mi、7Mi、8Mi、8.5Mi。
5.根据权利要求1所述的平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器，其特征在于，转盘式星点板(3)的转轴轴线与积分球(1)的出光孔轴线平行，材质为金属，或者为覆有铬层的透光玻璃，铬层开孔作为星孔(4)。
6.根据权利要求1所述的平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器，其特征在于，星孔(4)有6个，孔径分别为2000μm、1000μm、50μm、40μm、30μm、20μm，对应的单星张角依次为131″、65.5″、3.3″、2.6″、2″、1.3″；星孔(4)的轴线与积分球(1)的出光孔的轴线重合，重合误差小于0.02mm。
7.根据权利要求1所述的平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器，其特征在于，抛物面反射镜(5)的焦距为3500mm，工作波段为350nm～950nm。
8.根据权利要求1所述的平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器，其特征在于，小楔角透射反射镜(6)的前平面镜与后平面镜夹角为0.189°；前平面镜镀350nm～950nm波段反射膜和450nm～750nm波段透射膜；小楔角透射反射镜(6)的轴线的投影与出射平行光的轴线重合，小楔角透射反射镜(6)的楔角朝向出射平行光的轴线，前平面镜与出射平行光轴线的夹角为50°。
9.根据权利要求1所述的平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器，其特征在于，CCD相机(7)为大像面数字CCD相机，像元尺寸δ小于7.3μm。
10.根据权利要求1所述的平行度监测星点切换离轴两反自准直单星模拟器，其特征在于，直角五棱镜(8)的两个反射镜面的面型精度优于百分之一波长。
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