CN102095099A - 一种交会对接远场标志灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交会对接远场标志灯，包括两个激光器、由透镜组和自聚焦透镜阵列组成的光学系统以及防辐照玻璃。本发明采用双光纤热备份作为标志灯的光路传输路径，从而提高了标志灯的工作可靠性；采用无焦平面两片透镜组成透镜组，并且不改变高斯光束性质，减少了光学系统复杂度，降低了系统的透过率，减轻了重量；利用自聚焦透镜阵列作为远场标志灯匀化器，解决了光匀化问题。本发明通过了鉴定级空间环境试验，即紫外辐照、原子氧辐照试验、带电粒子辐照试验和非金属材料质损可凝挥发物测试，与同类产品相比，具有体积小，重量轻的优点。

Description

一种交会对接远场标志灯

技术领域

本发明涉及一种交会对接远场标志灯，交会对接光学成像姿态敏感器。

背景技术

目标标志器在交会对接CCD光学成像敏感器中，为CCD像机提供目标标识。目标标志器光源的功率决定了敏感器测量距离；光束质量影响着CCD光学成像敏感器、光信号提取和识别以及测量精度。远场标志灯的工作距离为25m～150m。目标标志器难点在远场标志灯。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种交会对接远场标志灯，重量轻、体积小。

本发明的技术解决方案是：一种交会对接远场标志灯，其特征在于包括：两个激光器、由透镜组和自聚焦透镜阵列组成的光学系统以及防辐照玻璃，两个激光器通过两根光纤为光学系统提供光源，光源发出的光经过透镜组后由自聚焦透镜阵列均匀发散，防辐照玻璃作为远场标志灯光学系统的保护罩，透镜组由双凹透镜和弯月透镜组成，双凹透镜入射镜面的曲率半径为7mm，出射镜面的曲率半径为15mm，弯月透镜入射镜面的曲率半径为10.4mm，出射镜面的曲率半径为128mm，双凹透镜与弯月透镜的中心距离为8.25mm。

所述双凹透镜的中心厚度为2.8mm，双凹透镜的口径为14mm。

所述弯月透镜的中心厚度为3mm，弯月透镜的口径为32mm。

所述自聚焦透镜阵列采用由直径1.8mm、截距小于0.25P的自聚焦透镜单元用光学透明胶粘合形成的圆形结构，自聚焦透镜阵列表面镀增透膜。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明采用双光纤热备份作为标志灯的光路传输路径，从而提高了标志灯的工作可靠性；采用无焦平面两片透镜组成透镜组，并且不改变高斯光束性质，减少了光学系统复杂度，降低了系统的透过率，减轻了重量；利用自聚焦透镜阵列作为远场标志灯匀化器，解决了光匀化问题。本发明通过了鉴定级空间环境试验，即紫外辐照、原子氧辐照试验、带电粒子辐照试验和非金属材料质损可凝挥发物测试，与同类产品相比，具有体积小，重量轻的优点。

附图说明

图1为远场标志灯的光纤结构图；

图2为远场标志灯的内部结构图；

图3为远场标志灯的光学系统组成图；

图4为自聚焦透镜阵列的结构图；

图5为利用远场灯自聚焦透镜辐亮度匀化特性分布图。

具体实施方式

本发明为了提高远场标志灯的可靠性，采用热备份的设计方案，每个标志灯里采用2个激光器作为光源，当一个激光器不工作时，另一激光器仍然工作，如图1所示，两个激光器发出的光分别连接一根光纤，两根光纤通过铠装合并到一根铠装光纤中，并通过光纤连接器的陶瓷插针输出。陶瓷插针可以是单孔也可是双孔输出。正常情况下，陶瓷插针芯径为125μm，而光纤的芯径为125μm，现通过特种工艺将陶瓷插针芯径扩为250μm，将两根光纤插入进行热备份。双光纤的间距为125μm。工作模式，采用热备份，两个激光器同时工作，当其中一个激光器出现故障，光功率降为一半，但并不影响标志灯正常工作。激光器放在舱内，铠装后的光纤出光端放在舱外，可以抗在轨恶劣环境，保证目标标志灯正常工作，从而提高了单机系统的可靠性，铠装光纤耐两年辐照总剂量。故障模式下整个发光面产生偏移0.7mm，相当于光点中心偏移了0.7mm，在20m对应偏差0.002°。

如图2、3所示，远场标志灯体4采用硬铝2A12-T4，远场标志灯的内部光学系统由透镜组和自聚焦透镜阵列5组成，为了防止空间辐照，在自聚焦透镜阵列5外部安装有防辐照玻璃6，防辐照玻璃6采用7mm厚的耐辐照石英玻璃，辐照总剂量大于10⁶rad，满足任务要求，透过率大于90％。透镜组有一个双凹透镜2和一个弯月透镜3组成，双凹透镜2入射镜面的曲率半径为7mm，出射镜面的曲率半径为15mm，中心厚度为2.8mm，双凹透镜的口径为14mm，弯月透镜3的入射镜面为凹面，其曲率半径为10.4mm，出射镜面为凸面，其曲率半径为128mm，中心厚度为3mm，弯月透镜的口径为32mm，双凹透镜2与弯月透镜3的中心距离为8.25mm，经过上述设计的透镜组，双凹透镜2的最大出射角为45度，弯月透镜3的最大出射角为74度。

自聚焦透镜阵列5采用《宇航学报》2006年第6期中发表的《自聚焦透镜阵列在空间交会对接中的应用》一文中设计的自聚焦透镜阵列，该自聚焦透镜阵列在0～±30°具有发散均匀性，自聚焦透镜阵列采用重火石玻璃ZF7，主要考虑折射率较大，可以获得较大的发散角，同时，改种玻璃吸收紫外谱段的光，高透近红外光。自聚焦透镜阵列原理，把透镜均匀排列，有一定发散角光经中心透镜时，孔径角最大，出射时光斑分布在整个靶面上，而由边缘透镜出射的光由于孔径角减少，光分布在靶面上时，只投射在靶面的一半面积上，由边缘到中心各个透镜发出的光叠加在靶面上，使出射光不再是高束分布，成为均匀分布的光束。如图4所示，将直径1.8mm，截距小于0.25P的自聚焦透镜单元502用光学透明胶503粘合在一起，匀化器表面镀增透膜504，形成圆形自聚焦透镜阵列匀化器501。光经截距小于(1/4)P的自聚焦透镜单元502后发散，每个自聚焦透镜单元502之间用光学透明胶，既能起到固化的作用，又不能影响透光。所用光学胶要保证在-100o～+1000C正常工作，确保在空间环境下合作目标正常工作。自聚焦透镜阵列匀化器501端面镀增透膜504，使光能尽可能多的透过匀化器。以一定发散角的光经自聚焦透镜阵列匀化器，中间光束向边缘传输，可以实现各方向能量匀化。在±30度范围内，各角度辐射源辐射亮度与法向的辐射亮度相对偏差在10％以内，接近朗伯体。本发明自聚焦透镜阵列匀化器经测试，在观测视场角内(0o～±300)，各角度辐亮度(中心到边缘处)与中心辐量度之比在10％左右。试测试方法采用亮度法，亮度法测量辐射源的空间分布性能是在照度法基础上发展而来的，由于它利用光学系统限制了测量的方向，避免了环境杂散光辐射对测量结果的影响，因此降低了对环境的要求也提高了测量的准确性。本次试验采用亮度法测量匀化器均匀性。一般情况采用空间相对亮度分布表示辐射源的空间分布情况。

激光是高斯光束，激光光束截面内的光强分布是不均匀的，呈高斯分布，即光束波面上各点的振幅是不相等的，其振幅A与光束截面半径r的函数关系为

$A=A_0\exp (-\frac{r^2}{{\mathrm{\ω}}^2})---\left(1\right)$

A₀为光束截面中心振幅，ω为高斯光束的光斑半径，一般以振幅A下降到中心振幅A₀的1/e时所对应的光束截面半径来表示。高斯光束的光斑可延伸到无限远，其光束截面的中心处振幅最大，随着人r的增大，振幅越来越小。

激光束在传输过程中，光束截面ω随传输距离z的变化是非线性的，激光束中截面的最小的位置称为激光光束束腰，束腰处的光束半径为束腰半径，用ω₀表示。

根据光的波动理论可以导出高斯光束截面半径ω(z)的表达式为

$\mathrm{\ω}\left(z\right)={\mathrm{\ω}}_0{[1+{\left(\frac{\mathrm{\λz}}{{\mathrm{\π\ω}}_0^2}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}---\left(2\right)$

高斯光束的波面曲率半径为

$R\left(z\right)=z[1+{\left(\frac{{\mathrm{\π\ω}}_0^2}{\mathrm{\λz}}\right)}^2]---\left(3\right)$

其发散角2θ可用双曲线渐近线之间的夹角来表示

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\π\ω}}_0}---\left(4\right)$

当高斯光束经过透镜变换后有

${\mathrm{\ω}}_0^{\′2}=\frac{f^{\′2}{\mathrm{\ω}}_0^2}{{(f^{\′}+z)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\π\ω}}_0^2}{\mathrm{\λ}}\right)}^2}---\left(5\right)$ $z^{\′}=f^{\′}\frac{z(f^{\′}+z)+{\left(\frac{{\mathrm{\π\ω}}_0^2}{\mathrm{\λ}}\right)}^2}{{(f^{\′}+z)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\π\ω}}_0^2}{\mathrm{\λ}}\right)}^2}---\left(6\right)$

${\tan \mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\π\ω}}_0^{\′}}---\left(7\right)$

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}{(1+\frac{z}{f^{\′}})}^2+\frac{1}{f^{\′2}}{\left(\frac{{\mathrm{\π\ω}}_0}{\mathrm{\λ}}\right)}^2}---\left(8\right)$

不管z和f′取任何值，θ′≠0，说明高斯光束经单个透镜变换后，不能获得平面波。当高斯光束的束腰与透镜相距很远时，有

$\frac{1}{z^{\′}}-\frac{1}{z}=\frac{1}{f^{\′}}---\left(9\right)$

把像差较正完好的光学系统叫理想光学系统，其特点是物像空间均为均匀透明介质的条件下，物、像空间符合“点对点、直对线、面对面，绝对成清晰像。

焦距公式

$\frac{1}{f^{\′}}=(n-1)(\frac{1}{r_1}-\frac{1}{r_2})+\frac{{(n-1)}^{2}d}{{\mathrm{nr}}_1{r}_2}=-\frac{1}{f}---\left(10\right)$

主点公式

$l_H=\frac{-{\mathrm{dr}}_1}{n(r_2-r_1)+(n-1)d}---\left(11\right)$

$l_H^{\′}=\frac{-{\mathrm{dr}}_2}{n(r_2-r_1)+(n-1)d}---\left(12\right)$

下面对本发明地面试验的情况进行说明：

(1)自聚焦透镜辐亮度空间分布匀化性特性试验

温度：20.5℃，湿度：30％，试验条件：辐亮度计PR715，视场为2°。远场驱动电源一套。防辐照石英玻璃对974nm的光透过率为93.6％，测量距离3m，单光纤入射电流200mA，双光纤同时入射，自聚焦透镜口镜为65mm。

试验结果表明，单光源入射和双光源入射三曲线基本重合，在±22.5°范围内，辐亮度偏差不超过20％，如图4所示。

(2)150m远场标志灯试验联试

试验目的：远场标志灯口径；远场标质灯光强；匀化特性；温度：18.5℃湿度：30％；洁净度：十万级。

试验条件：积分球功率计，不确定度为3％～5％。远场驱动电源一套。CCD初样像机(X604号)，填充因子为82％(感光面积与不感光面积比)，积分时间30ms，调焦环1.7mm，滤光片透过率为85％，口径为φ65mm，双光纤入射，远场自聚焦透镜目标灯为TGK606，效率67％。

按单光纤远场自聚焦透镜目标灯光功率一级降额(50％)设计，单光纤远场自聚焦透镜目标灯最小光功率为375×95％×93.6％×67％＝224mW，考虑冗余设计，单光纤远场目标灯最小光功率为200mW，双光纤目标灯为400mW，L＝150m，调焦环＝1.7mm。

(3)25m远场灯联试

试验目的：远场灯口径；远场灯光强；匀化特性；温度：18.5℃；湿度：30％。

试验条件：积分球功率计，不确定度为3％～5％。远场驱动电源一套。CCD初样像机(X604号)，填充因子为82％(感光面积与不感光面积比)，积分时间30ms，调焦环1.7mm，滤光片透过率为85％，口径为φ65mm，远场自聚焦透镜目标灯为TGK605，效率67％。调焦环＝1.7mm。P＝350mW。

三个试验结果表明：远场标志灯工作距离为25m～150m内，可以为CCD像机提供目标标志，在18m～150m范围内，为CCD像机提供目标光源，发散角±30°。近场灯在工作距离L＝1.5m情况下，在整个发散角内近场标志灯只能出现一个能量峰值；远场灯在距离L＝15m情况下，成像亮度中心对称，辐亮度偏差不超过20％。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种交会对接远场标志灯，其特征在于包括：两个激光器、由透镜组和自聚焦透镜阵列(5)组成的光学系统以及防辐照玻璃(6)，两个激光器通过两根光纤为光学系统提供光源，光源发出的光经过透镜组后由自聚焦透镜阵列(5)均匀发散，防辐照玻璃(6)作为远场标志灯光学系统的保护罩，透镜组由一个双凹透镜(2)和一个弯月透镜(3)组成，双凹透镜(2)入射镜面的曲率半径为7mm，出射镜面的曲率半径为15mm，弯月透镜(3)入射镜面的曲率半径为10.4mm，出射镜面的曲率半径为128mm，双凹透镜(2)与弯月透镜(3)的中心距离为8.25mm。

2.根据权利要求1所述的一种交会对接远场标志灯，其特征在于：所述双凹透镜(2)的中心厚度为2.8mm，双凹透镜(2)的口径为14mm。

3.根据权利要求1所述的一种交会对接远场标志灯，其特征在于：所述弯月透镜(3)的中心厚度为3mm，弯月透镜(3)的口径为32mm。

4.根据权利要求1所述的一种交会对接远场标志灯，其特征在于：所述自聚焦透镜阵列(5)采用由直径1.8mm、截距小于0.25P的自聚焦透镜单元(502)用光学透明胶(503)粘合形成的圆形结构，自聚焦透镜阵列(5)表面镀增透膜(504)。

5.根据权利要求1所述的一种交会对接远场标志灯，其特征在于：所述两根光纤通过铠装合并成一根光纤为光学系统提供光源。

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