CN104154930B - 多色温多星等的单星模拟器 - Google Patents

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Abstract

多色温多星等的单星模拟器，属于航天光学遥感领域，为了减小色温非匹配对定标精度产生的影响，本发明由多色温模拟光源系统、星等控制器系统、传导光纤、准直与标定系统以及控制系统组成；多色温模拟光源系统用于产生特定色温的光，多色温模拟光源系统发出的特定色温的光进入星等控制器系统；星等控制器系统将输入的特定色温的光生成特点色温和特定星等的光；传导光纤将上述特定色温和特定星等的光传输至准直与标定系统；准直与标定系统用于产生准直光以及多色温多星单星模拟器的标定；控制系统用于多色温多星单星模拟器的控制；本发明可以减小星敏感器的定标用星模拟器的色温与星敏感器观星的色温不匹配对定标精度产生的影响。

Description

多色温多星等的单星模拟器
技术领域
本发明属于航天光学遥感领域，具体涉及应用于星敏感器的光信号标定的多色温多星等的单星模拟器。
背景技术
星敏感器主要是CCD经光学系统接收恒星发出的光，将数据处理成观测星点观测星图和数据库中预存的导航星图进行比较以得到航天器在星空中的位置与姿态。星敏感器中非常关键的一项技术就是对恒星发射光的接收，因此需要对星敏感器的光信号接收设备进行标定，光信号接收设备的标定可分为在轨标定和地面标定。在轨标定不但危险性高，而且费用异常昂贵，因此研制高精度、性能优良地面定标设备势在必行，星模拟器应运而生。
常规的单星模拟器一般只模拟不同的星等，往往不考虑色温因素，如冯广军等人以溴钨灯作为发光介质设计了一种高星等标准星光模拟器(《应用光学》，2010年31卷第1期，P39)，该星光模拟器可以实现6～14星等极微弱光的照度，色温为溴钨灯的色温。然而，宇宙中的恒星温度各不相同，恒星的辐射光谱分布各不相同，任何接收器(如CCD接收器)都有各自的响应区间和响应曲线，这就要求接收器在标定时的标定光源的色温和所探测恒星的色温表保持一致，即标定光源的色温与所探测恒星的色温相匹配(也称光谱匹配)，否者，这种光谱非匹配将会给接收器带来测量误差，陈风等人对光谱非匹配对光学遥感器标定带来的误差进行了仿真分析(《光学精密工程》，2008年16卷第3期，P415)，结果表明，对于窄带宽的分光谱光学遥感器，光谱非匹配对测量精度的影响基本可以忽略，而对于全色光学遥感器，光谱非匹配造成测量相对误差不可忽略，该结论同样适用于星敏感器的标定过程，即星模拟器的色温与星敏感器观星的色温不匹配会对星敏感器光信号的定标精度产生影响。为了减小色温非匹配对定标精度产生的影响，发明了一套装置来模拟多种色温和多个星等的星光。在实验室内，采用多色温多星等单星模拟器模拟特定色温和特定星等的单星来标定星敏感器，提高了星敏感器光信号接收设备的标定精度。
发明内容
本发明为了减小色温非匹配对定标精度产生的影响问题，提供一套多色温多星等单星模拟器装置，模拟特定色温和特定星等的单星光谱辐射照度，为星敏感器的光信号接收设备提供色温匹配的定标光源。
为解决技术问题本发明的技术方案是：
多色温多星等的单星模拟器，其特征是，由多色温模拟光源系统、星等控制器系统、传导光纤，准直与标定系统以及控制系统组成；
多色温模拟光源系统用于产生特定色温的光，多色温模拟光源系统发出的特定色温的光进入星等控制器系统；
星等控制器系统将输入的特定色温的光生成特点色温和特定星等的光；
传导光纤将上述特定色温和特定星等的光传输至准直与标定系统；
准直与标定系统用于产生准直光以及多色温多星单星模拟器的标定；
控制系统用于多色温多星单星模拟器的控制。
本发明的有益效果是：从星敏感器光信号接收设备的标定角度出发，在星敏感器发射前，使用该装置模拟特定色温和特定星等的星光，定量的标定星敏感器的光信号接收设备。通过该装置标定的星敏感器光信号接收设备，可以减小星敏感器的定标用星模拟器的色温与星敏感器观星的色温不匹配对定标精度产生的影响。
附图说明
图1多色温多星等的单星模拟器结构示意图。
图中：1、多色温模拟光源系统，2、多星等控制系统，3、传导光纤，4、准直与标定系统，5、控制系统，6、第一积分球，7、光纤光谱仪，8、光谱仪光纤，9、溴钨灯基底光源，10、氙灯基底光源，11、第一电动可调光阑，12、LED灯头，13、第二电动可调光阑，14、中性衰减片轮，15、第二积分球，16、人眼视觉函数响应探测器，17、会聚镜，18、离轴平行光管，19、控制箱，20、控制电脑，21、光谱辐射计，22、照度计。
具体实施方式
如图1所示，多色温多星等的单星模拟器，其由多色温模拟光源系统1、星等控制器系统2、传导光纤3，准直与标定系统4以及控制系统5组成。多色温模拟光源系统1用于产生特定色温的光，星等控制器系统2用于产生特定星等的光，传导光纤3用于传输特定色温特定星等的光，准直与标定系统4用于产生准直光以及多色温多星单星模拟器的标定，控制系统5用于多色温多星单星模拟器的控制。
多色温模拟光源系统1由第一积分球6、光纤光谱仪7、光谱仪光纤8、溴钨灯基底光源9、氙灯基底光源10、第一电动可调光阑11和LED灯头12组成。多色温模拟光源系统1的光谱范围为380nm～1000nm，其发光介质包括溴钨灯基底光源9、氙灯基底光源10以及LED灯头12组成，第一积分球6用于发光介质的充分混光，溴钨灯基底光源9的色温为3000K左右，氙灯基底光源10的色温为6000K左右，LED灯头12安装有覆盖380nm～1000nm谱段区间多种峰值波长的LED。可实现溴钨灯基底光源9、氙灯基底光源10以及LED灯头12的充分混光。通过控制溴钨灯基底光源9、氙灯基底光源10以及LED灯头12进入第一积分球6的功率即可输出所需的光谱分布，其中，溴钨灯基底光源9和氙灯基底光源10基底光源进入积分球的功率可通过第一电动可调光阑11控制，LED灯头12进入第一积分球6的功率可通过控制LED的驱动电流和点亮个数来控制。此外，光纤光谱仪7通过光纤8监视光源系统的输出光谱分布并反馈至控制系统5，控制系统5根据反馈调整发光介质进入第一积分球6的功率直至得到所需色温的光谱分布。
由多色温模拟光源系统1发出的特定色温的光进入星等控制器系统2，星等控制器系统2由第二电动可调光阑13、中性衰减片轮14、第二积分球15、人眼视觉函数响应探测器16和会聚镜17组成。调整第二电动可调光阑13的大小以及切换中性衰减片轮14上的衰减片档位即可调整进入第二积分球15内的能量，以提供模拟特定星等照度所需的能量。中性衰减片轮14上衰减片档位包括100％、80％、60％、50％、40％、25％、10％、5％、1％、0.1％和0.01％，用于固定的大比例衰减，第2电动可调光阑13实现精细星等调节。第二积分球15球壁上安装人眼视觉函数响应探测器16，标定后的人眼视觉函数响应探测器16可用于监视星等。第二积分球15出口发出的光经过会聚镜17将光引入传导光纤3的入口。
传导光纤3将特定色温和特定星等的光传导至准直与标定系统4，准直与标定系统4包括离轴平行光管18、光谱辐射计21和照度计22。光传导光纤3将光传导至离轴平行光管18的焦面，离轴平行光管8发出特定色温和特定星等的准直星光。离轴平行光管8配备光纤接头的夹持装置，通过该夹持装置可以将光纤发光端口与平行光管焦面上星点孔对准。光谱辐射计21用于标定系统的输出光谱分布并传递至光纤光谱仪7，照度计22用于标定系统的照度并传递至人眼视觉函数响应探测器16。
多色温多星等星光准直仪的控制系统5主要由控制器19和控制电脑20组成，控制器19用于光纤光谱仪7、第一电动可调光阑11、第二电动可调光阑13、中性衰减片轮14以及LED灯头12驱动电流的控制。控制器19与控制电脑20相连。
多色温多星等星光准直仪可模拟的典型色温包括2600K、3600K、4300K、5000K、5500K、6000K、6800K、7600K和9800K，光谱模拟误差<±0.05；可模拟星等范围为：-1MI～+6.5MI，星等模拟误差≤±0.1MI。
本发明用于模拟特定色温和特定星等的单星星点，用于星敏感器的标定，此外，该发明还可以配合星点扩散函数测试设备，进行低频误差测量与补偿。

Claims (3)

1.多色温多星等的单星模拟器，其特征是，由多色温模拟光源系统(1)、星等控制器系统(2)、传导光纤(3)、准直与标定系统(4)以及控制系统(5)组成；
多色温模拟光源系统(1)用于产生特定色温的光，多色温模拟光源系统(1)发出的特定色温的光进入星等控制器系统(2)；
多色温模拟光源系统(1)由第一积分球(6)、光纤光谱仪(7)、光谱仪光纤(8)、溴钨灯基底光源(9)、氙灯基底光源(10)、第一电动可调光阑(11)和LED灯头(12)组成；
其中，溴钨灯基底光源(9)、氙灯基底光源(10)以及LED灯头(12)组成发光介质；各个发光介质发出的光入射到第一积分球(6)内充分混合；
第一电动可调光阑(11)控制溴钨灯基底光源(9)和氙灯基底光源(10)进入积分球的功率；
光纤光谱仪(7)通过光纤(8)监视第一积分球(6)的输出光谱分布，并反馈至控制系统(5)；
星等控制器系统(2)将输入的特定色温的光生成特定色温和特定星等的光；
传导光纤(3)将上述特定色温和特定星等的光传输至准直与标定系统(4)；
准直与标定系统(4)用于产生准直光以及多色温多星等单星模拟器的标定；
控制系统(5)用于多色温多星单星模拟器的控制；
其中，所述特定色温包括2600K、3600K、4300K、5000K、5500K、6000K、6800K、7600K和9800K，光谱模拟误差<±0.05；所述特定星等的模拟范围为：-1MI～+6.5MI，星等模拟误差≤±0.1MI；
所述LED灯头(12)安装有覆盖380nm～1000nm谱段区间的多种峰值波长的LED；
星等控制器系统(2)由第二电动可调光阑(13)、中性衰减片轮(14)、第二积分球(15)、人眼视觉函数响应探测器(16)和会聚镜(17)组成；
调整第二电动可调光阑(13)的大小以及切换中性衰减片轮(14)上的衰减片档位即可调整进入第二积分球(15)内的能量，以提供模拟特定星等照度所需的能量；
第二积分球(15)球壁上安装人眼视觉函数响应探测器(16)，标定后的人眼视觉函数响应探测器(16)可用于监视星等；
第二积分球(15)出口发出的光经过会聚镜(17)入射到传导光纤(3)。
2.根据权利要求1所述的多色温多星等的单星模拟器，其特征在于，准直与标定系统(4)包括离轴平行光管(18)、光谱辐射计(21)和照度计(22)；
传导光纤(3)将光传输至离轴平行光管(18)的焦面，离轴平行光管(18)发出特定色温和特定星等的准直星光；
光谱辐射计(21)用于标定系统的输出光谱分布并传递至光纤光谱仪(7)；
照度计(22)用于标定系统的照度并传递至人眼视觉函数响应探测器(16)。
3.根据权利要求1所述的多色温多星等的单星模拟器，其特征在于，控制系统(5)由控制器(19)和控制电脑(20)组成，控制器(19)用于光纤光谱仪(7)、第一电动可调光阑(11)、第二电动可调光阑(13)、中性衰减片轮(14)以及LED灯头(12)驱动电流的控制；控制电脑(20)与控制器(19)相连。
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