CN100510849C - 一种高精度星模拟器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度星模拟器，包括光源和依次设置在光路上的红外反射镜、毛玻璃、聚光镜A、胶合棱镜、衰减片组、滤光片、聚光镜B、星点板和平行光管；为了使光源稳定，本发明还可包括光源亮度控制电路、设置在聚光镜A之后的胶合棱镜以及设置胶合棱镜透射光路上的光电二极管。本发明解决了现有星模拟器精度低、成本高的缺点，具有可直接模拟十七个星等、模拟精度可达±0.05等、单星平行度模拟精度高达±1″、成本低、系统稳定性高、操作方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种星模拟器。
背景技术
随着我国空间技术的发展，卫星、载入飞船等航天器需要更长的寿命、更高的控制精度和可靠性。在航天器姿态控制系统中，恒星敏感器(以下简称星敏感器)是测量精度最高的姿态敏感器，它本身无机械活动部件，有利于长寿命和小型化，因此是航天器中最有前途和精度最高的姿态敏感器之一。星敏感器确定姿态的参照物是恒星，对其进行地面检测时主要使用恒星模拟器(以下简称星模拟器)。星模拟器的功能主要是对无穷远恒星的光谱、照度、平行性以及色温等特性进行模拟。因此星模拟器模拟星光的质量至关重要，其性能直接决定星敏感器测量结果的可信程度。
星模拟器的技术方案之一是采用天穹式光导纤维方案，将星敏感器固定在天穹下的转台上进行测试。这种方案十分逼真，但是成本很高。星模拟器的技术方案之二是利用计算机作为星图发生器，在液晶显示屏上生成天空星图，再用广角物镜将显示屏中星体发出的球面光波变为平行光，以模拟无穷远的星体。但是其精度较差。星模拟器的技术方案之三是利用液晶光阀代替液晶显示屏生成天空星图，现在的液晶光阀是1024 x 768像元，对比度超过1000：1，模拟星等+2～+6.5等，星等精度±0.3等。但是目前液晶光阀还不能满足星等覆盖-2～+6星等的需要，星光平行度等指标也不能满足要求。为此，必须寻找第一种方案的替代方案来高质量、高逼真地模拟天穹。
发明内容
本发明目的是提供一种高质量、高逼真、低成本的星模拟器，其解决了现有星模拟器精度低、成本高的缺点。
本发明的技术解决方案是：一种高精度星模拟器，包括光源1和平行光管12，其特殊之处是，所述星模拟器还包括设置在光源1和平行光管12之间的聚光镜系统、衰减片组7和星点板10，以及设置在衰减片组7之前或之后的滤光片8。
上述聚光镜系统包括聚光镜A4和聚光镜B9；所述衰减片组7设置在聚光镜A4和聚光镜B9之间，所述星点板10设置在聚光镜B9之后。
上述聚光镜系统包括聚光镜A4和聚光镜B9；所述衰减片组7和滤光片8设置在聚光镜A4和聚光镜B9之间，所述星点板10设置在聚光镜B9之后。
上述星模拟器还包括光源亮度控制电路、设置在聚光镜A4之后的胶合棱镜5以及设置胶合棱镜5透射光路上的光电二极管6；所述光源亮度控制电路包括依次连接在光电二极管6输出端之后的第一功率放大器15、低通滤波器16、模数转换器17、单片机18、数模转换器19和第二功率放大器20；所述衰减片组7和聚光镜B9设置在胶合棱镜5反射光路上；所述第二功率放大器20的输出端与光源1的电源端相连。
上述衰减片组7是在以下五种固定透过率的衰减片中选择四个衰减片进行组合：透过率为99.8％的0号衰减片、透过率为63.00％的1号衰减片、透过率为39.73％的2号衰减片、透过率为15.82％的4号衰减片、透过率为2.51％的8号衰减片。
上述衰减片组7是在以下四种固定透过率的衰减片中进行组合：透过率为63.00％的1号衰减片、透过率为39.73％的2号衰减片、透过率为15.82％的4号衰减片、透过率为2.51％的8号衰减片。
上述星模拟器还包括设置在光源1和聚光镜系统之间相对于光源1由近及远依次连接的红外反射镜2和毛玻璃3。
上述星点板10的小孔直径为8—20um。
本发明的优点是：
1、可直接模拟星空。摆放在不同的空间方位多台不同高度的星模拟器，每台星模拟器自身允许方位、俯仰角度的精密调节，每台星模拟器均可以模拟500nm～650nm，600nm～750nm和650nm～850nm三个光谱段的-2，-1.5，-1，-0.5，0，+0.5，+1，+1.5，+2，+2.5，+3，+3.5，+4，+4.5，+5，+5.5，+6十七个星等。
2、模拟精度高。通过有意识选择任意一个衰减片进行精度调整，因此大大降低了衰减片镀膜成本和镀膜精度的苛刻要求；通过衰减片选配，反而能够达到高精度的透过率要求；模拟精度可以达±0.05等，性能与星图模拟器相比均有较大改善。
3、单星平行度模拟精度高。由于本发明采用了全新的设计思路，用星点板直径为20um的小孔模拟无限远处的恒星光源，相对于光纤或液晶光阀100um左右的发光点直径，本发明的单星平行度模拟精度可高达±1″。
4、应用范围宽。可模拟500nm～650nm，600nm～750nm和650nm～850nm三个光谱段的-2，-1.5，-1，-0.5，0，+0.5，+1，+1.5，+2，+2.5，+3，+3.5，+4，+4.5，+5，+5.5，+6十七个星等。
5、成本低。本发明星模拟器所用衰减片的镀膜只需五次，每一种衰减片在组合17种星等时有多次使用，这样大大降低了衰减片的镀膜精度要求。因为虽然每一次镀膜的衰减片的透过率会在理想值附近上下摆动，但有可能出现这种情况：已选择的三片衰减片的整体透过率与理想值相比偏大(或偏小)，在选择第四片衰减片的时候就有意识地选择与理想值偏小(或偏大)的衰减片。这样，与理想值相比，原来与理论衰减率偏差较大的衰减片也能调整使用。
6、系统具有24小时×7天的高稳定性。本发明通过在光路中设置胶合棱镜将光束分束，利用光电二极管取样，通过光源亮度控制电路，以闭环控制的方式对光源的稳定度进行自动控制。
7、操作方便。本发明中的滤光片和衰减片组都是可以根据需要进行即时更换，更换时只需将相应的滤光片或衰减片组插入相应的部位即可。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的最佳光学结构示意图；
图3是光电二极管和光源亮度控制电路的连接关系示意图；
其中：1-光源，2-红外反射镜，3-毛玻璃，4-聚光镜A，5-胶合棱镜，6-光电二极管，7-衰减片组，8-滤光片，9-聚光镜B，10-星点板，11-平行光管物镜，12-平行光管，13-二维调整机构，14-底座，15-第一功率放大器，16-低通滤波器，17-模数转换器，18-单片机，19-数模转换器，20-第二功率放大器。
具体实施方式
本发明的一种具体的实施方式见图2，包括光源和依次设置在光路上的红外反射镜、毛玻璃、聚光镜A、胶合棱镜、衰减片组、滤光片、聚光镜B、星点板和平行光管；光源采用组合式卤钨灯泡，其参数为：电压12V，功率35W，发光强度5000cd，平均寿命1000h；组合式卤钨灯泡发光含有大量的红外线，为了降低星点附近的温度，采用红外反射镜使灯泡发出的红外线反射回来并散热；因为灯泡汇聚在毛玻璃的光能量大部分在直径8mm以内，聚光系统将该范围内具有相同角度的光会聚在星点板上的一个点上，即星点板上光斑的每一点都是毛玻璃8mm范围的光线共同作用的结果，所以毛玻璃的作用是使最终到达星点板小孔处的光点分布更加均匀；聚光镜系统是聚光镜A与聚光镜B组成，聚光镜A与聚光镜B的放大倍率为0.4，其中聚光镜A设置在胶合棱镜之前，聚光镜B设置在胶合棱镜反射光路上；每个光谱段的衰减片组有17种，满足17个星等亮度的要求；滤光片有三种，分别透过500nm～650nm，600nm～750nm和650nm～850nm的光线；衰减片组与滤光片直接插在光路中，便于更换；星点板的直径为20um；平行光管的物镜采用三片镜组形式；光电二极管设置在胶合棱镜的透射光路上，光电二极管的输出端与光源亮度控制电路的信号输入端相连，光源亮度控制电路的控制输出端与光源的电源端相连；衰减片组是在以下五种固定透过率的衰减片中选择四个衰减片进行组合：透过率为99.8％的0号衰减片、透过率为63.00％的1号衰减片、透过率为39.73％的2号衰减片、透过率为15.82％的4号衰减片、透过率为2.51％的8号衰减片；衰减片组也可以在以下四种固定透过率的衰减片中进行组合：透过率为63.00％的1号衰减片、透过率为39.73％的2号衰减片、透过率为15.82％的4号衰减片、透过率为2.51％的8号衰减片；星点板设置有星点调节机构，星点调节机构采用细螺纹，其位置精度为10um；平行光管的焦距为1000mm，孔径：100mm，分辨率：2″，视场：2.4′；物镜组要保证三个镜片的严格同心，确保加工与装调误差引起的平行度误差不超差。
高精度星模拟器使用时还应包括二维支架和底座。支架和底座的结构见图1，二维支架由固定板、活动板、水平微调机构、垂直微调机构组成；平行光管一端与活动板相连，另一端与微调机构相接触；底座起支撑与水平调节作用。
本发明原理：采用平行光管产生无穷远的星点，通过滤光片与衰减片模拟不同光谱、亮度的星等。星点板小孔直径的大小直接决定模拟星光的平行度指标：星点板小孔直径过小，对光源要求很高，难于模拟较亮的星等；星点板小孔直径过大，模拟星光平行度质量较差。本发明通过权衡选择小孔直径为8—20um之间，以10um的小孔直径较佳。
为此在星模拟器中设计了闭环反馈控制的高稳恒光源系统，本发明星模拟器选择了稳定的宽光谱光源，然后分别设计了滤色片和衰减片。滤色片用于选择与模拟的恒星具有相同光谱特性的光，650～850nm波段的滤光片呈现暗红色，600～750nm波段的滤光片呈现红色，500～650nm波段的滤光片呈现黄色；衰减片用于对过滤之后的光进行不同比率的衰减，用于模拟不同的星等。衰减片组由四片衰减片组成，如何由四个衰减片组成17个星等是这种方式的关键，根据天文定义，每6个整数星等的亮度差100倍，所以每2个整数星等差 倍，每半个星等差 倍。以-2等星为基础，其它星等依次按1.5848倍的衰减就可组成不同的星等。本方案首先将衰减片作成表1所示的5种形式，再通过表2或表3的组合，就可构成17个星等所需的衰减片。
表1 衰减片的透过率
| 透过率 | 衰减片代号值 | 相当于基准片衰减数 |
| 99.8％ | 0号 | 0平板不镀膜 |
| 63.00％ | 1号 | 1次基准衰减片 |
| 39.73％ | 2号 | 2次基准衰减片 |
| 15.82％ | 4号 | 4次基准衰减片 |
| 2.51％ | 8号 | 8次基准衰减片 |
表2 17个星等的衰减片组合形式一
| 序号 | 星等 | 衰减百分比 | 组合方式(表1中衰减片代号值) |
| 0 | -2 | 99.20％ | 0+0+0+0 |
| 1 | -1.5 | 62.72％ | 1+0+0+0 |
| 2 | -1 | 39.57％ | 2+0+0+0 |
| 3 | -0.5 | 25.02％ | 1+2+0+0 |
| 4 | 0 | 15.75％ | 4+0+0+0 |
| 5 | +0.5 | 9.96％ | 4+1+0+0 |
| 6 | +1 | 6.28％ | 4+2+0+0 |
| 7 | +1.5 | 3.97％ | 4+2+1+0 |
| 8 | +2 | 2.50％ | 8+0+0+0 |
| 9 | +2.5 | 1.58％ | 8+1+0+0 |
| 10 | +3 | 1.00％ | 8+2+0+0 |
| 11 | +3.5 | 0.63％ | 8+2+1+0 |
| 12 | +4 | 0.397％ | 8+4+0+0 |
| 13 | +4.5 | 0.251％ | 8+4+1+0 |
| 14 | +5 | 0.158％ | 8+4+2+0 |
| 15 | +5.5 | 0.100％ | 8+4+2+1 |
| 16 | +6 | 0.063％ | 8+8+0+0 |
表3 17个星等的衰减片组合形式二
| 序号 | 星等 | 衰减百分比 | 组合方式(表1中衰减片代号值) |
| 0 | -2 | 99.20％ | 0+0+0+0 |
| 1 | -1.5 | 62.72％ | 1+0+0+0 |
| 2 | -1 | 39.65％ | 1+1+0+0 |
| 3 | -0.5 | 25.02％ | 2+1+0+0 |
| 4 | 0 | 15.79％ | 2+2+0+0 |
| 5 | +0.5 | 9.98％ | 2+2+1+0 |
| 6 | +1 | 6.30％ | 2+2+2+0 |
| 7 | +1.5 | 3.97％ | 4+2+1+0 |
| 8 | +2 | 2.50％ | 4+4+0+0 |
| 9 | +2.5 | 1.58％ | 4+4+1+0 |
| 10 | +3 | 1.00％ | 4+4+2+0 |
| 11 | +3.5 | 0.63％ | 8+2+1+0 |
| 12 | +4 | 0.397％ | 4+4+4+0 |
| 13 | +4.5 | 0.251％ | 8+4+1+0 |
| 14 | +5 | 0.158％ | 8+4+2+0 |
| 15 | +5.5 | 0.100％ | 8+4+2+1 |
| 16 | +6 | 0.063％ | 4+4+4+4 |
光源亮度控制电路的电路原理参见图3。卤钨灯泡发光经光学系统照射到光电二极管的光敏面，产生光电流，光电流的强弱与光的强弱成正比关系。光电流信号经功率放大器放大，再通过低通滤波器滤除高频杂量后，送给模数转换器，由单片机读取其值，并经过处理，所给出的调节量送入数模转换器，经转换后由功率放大器放大输出，达到对卤钨灯泡稳定的作用。
由上述衰减片组合思路可以看出，镀膜过程只需四次，最多五次。对每一种衰减片来说，一次镀膜过程可同时镀膜多片，在组合17种星等时可以多次使用。虽然每一次镀膜的衰减片的透过率会在理想值附近上下摆动，但组合使用时会出现以下情况：已选择的其中三片衰减片的整体透过率与理想值相比偏大(或偏小)。此时根据不同星等所对应的照度，在选择第四个衰减片时对其透过率进行调整，调整一般是在该批镀膜产品中进行选配，即在选择第四片衰减片的时候就有意识地选择与理想值偏小(或偏大)的衰减片。这样进行有意识的选择大大降低了对衰减片的镀膜精度要求，而且原来是次品的衰减片也能在调整时使用。因此，上述衰减片组合思路大大降低了衰减片镀膜成本和镀膜精度的苛刻要求，而且能够达到高精度的透过率要求。
Claims (9)
1、一种高精度星模拟器，包括光源(1)和平行光管(12)，其特征在于：所述星模拟器还包括设置在光源(1)和平行光管(12)之间的聚光镜系统、衰减片组(7)和星点板(10)，以及设置在衰减片组(7)之前或之后的滤光片(8)。
2、根据权利要求1所述的一种高精度星模拟器，其特征在于：所述聚光镜系统包括聚光镜A(4)和聚光镜B(9)；所述衰减片组(7)设置在聚光镜A(4)和聚光镜B(9)之间，所述星点板(10)设置在聚光镜B(9)之后。
3、根据权利要求2所述的一种高精度星模拟器，其特征在于：所述星模拟器还包括光源亮度控制电路、设置在聚光镜A(4)之后的胶合棱镜(5)以及设置胶合棱镜(5)透射光路上的光电二极管(6)；所述光源亮度控制电路包括依次连接在光电二极管(6)输出端之后的第一功率放大器(15)、低通滤波器(16)、模数转换器(17)、单片机(18)、数模转换器(19)和第二功率放大器(20)；所述衰减片组(7)和聚光镜B(9)设置在胶合棱镜(5)反射光路上；所述第二功率放大器(20)的输出端与光源(1)的电源端相连。
4、根据权利要求1所述的一种高精度星模拟器，其特征在于：所述聚光镜系统包括聚光镜A(4)和聚光镜B(9)；所述衰减片组(7)和滤光片(8)设置在聚光镜A(4)和聚光镜B(9)之间，所述星点板(10)设置在聚光镜B(9)之后。
5、根据权利要求4所述的一种高精度星模拟器，其特征在于：所述星模拟器还包括光源亮度控制电路、设置在聚光镜A(4)之后的胶合棱镜(5)以及设置胶合棱镜(5)透射光路上的光电二极管(6)；所述光源亮度控制电路包括依次连接在光电二极管(6)输出端之后的第一功率放大器(15)、低通滤波器(16)、模数转换器(17)、单片机(8)、数模转换器(19)和第二功率放大器(20)；所述衰减片组(7)和聚光镜B(9)设置在胶合棱镜(5)反射光路上；所述第二功率放大器(20)的输出端与光源(1)的电源端相连。
6、根据权利要求1至5之任一权利要求所述的一种高精度星模拟器，其特征在于：所述衰减片组(7)是在以下五种固定透过率的衰减片中选择四个衰减片进行组合：透过率为99.8％的0号衰减片、透过率为63.00％的1号衰减片、透过率为39.73％的2号衰减片、透过率为15.82％的4号衰减片、透过率为2.51％的8号衰减片。
7、根据权利要求1至5之任一权利要求所述的一种高精度星模拟器，其特征在于：所述衰减片组(7)是在以下四种固定透过率的衰减片中进行组合：透过率为63.00％的1号衰减片、透过率为39.73％的2衰减片、透过率为15.82％的4号衰减片、透过率为2.51％的8号衰减片。
8、根据权利要求1至5之任一权利要求所述的一种高精度星模拟器，其特征在于：所述星模拟器还包括设置在光源(1)和聚光镜系统之间相对于光源(1)由近及远依次连接的红外反射镜(2)和毛玻璃(3)。
9、根据权利要求8所述的一种高精度星模拟器，其特征在于：所述星点板(10)的小孔直径为8-20um。
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