CN102116642B - 一种恒星敏感器的模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种恒星敏感器的模拟器，它包括准直物镜，在准直物镜的焦平面上设有星点靶标，通过准直物镜将星点靶标成像到无限远；在准直物镜和星点靶标之间设置分光组件，在分光组件侧面分光光路焦平面上还设有检测靶标，星点靶标固定在焦面调整机构上，靶标照明装置为星点靶标提供照明。本发明采用与以往恒星模拟器方案不同的技术，克服了现有恒星模拟器星间角距模拟精度差问题，能够解决用于小行星自主导航甚高精度恒星敏感器的恒星和小行星星阵的甚高精度模拟，验证恒星敏感器的测量精度和自主导航定位精度，对于深空自主导航敏感器研制具有广阔的应用前景。

Description

一种恒星敏感器的模拟器

技术领域

本发明涉及一种恒星敏感器的模拟器，可作为自主导航半物理仿真实验的目标模拟器，也应用于深空导航敏感器镜头测试，和其它成像型光学敏感器光学系统测试。

背景技术

在航天技术领域恒星敏感器是通过成像测量恒星在惯性空间角位置的方法确定航天器姿态的一类光学敏感器。在恒星敏感器进行功能检验和性能检验时，一种常见的方法是通过恒星模拟器生成恒星模拟成像目标，进入到恒星敏感器镜头，成像在恒星敏感器焦平面上，按照目标角距离分布模拟成像出来太空中相关星图分布的星像。

经过调研和资料查询，目前恒星模拟有单星模拟器和多星模拟器，多星模拟器又分为静态和动态两类。静态恒星模拟器采用固定星图和镜头成像，模拟无限远恒星，动态多星模拟器一般采用液晶光阀作为动态目标模拟器，采用准直透镜将模拟恒星成像到无限远。目前的所有液晶光阀恒星模拟器受到恒星模拟像出射精度的限制，仅用来作为恒星敏感器功能性检验，不作为精度检验仪器。

深空探测光学导航恒星敏感器是一个甚高精度星敏感器，其精度要求0.5″，于传统恒星敏感器比较有很大的区别，如入瞳口径为150mm左右，焦距在1000m左右，视场角在1°～2°。这些特点使得该敏感器的恒星模拟器也具有了一些新特点，要求模拟的恒星出射精度达到0.2″。传统的星模拟器已经不能满足该导航星敏感器的恒星模拟要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长焦距高精度可变模拟恒星点阵的恒星敏感器的模拟器，它是一种基于光纤照明控制的动态恒星模拟器，为了获取高精度模拟，准直仪采用超长焦距，解决了这类恒星敏感器的恒星目标模拟问题。

实现本发明目的的技术方案：一种恒星敏感器的模拟器，它包括准直物镜，在准直物镜的焦平面上设有星点靶标，星点靶标与准直物镜距离约等于准直物镜后截距，通过准直物镜将星点靶标成像到无限远；在准直物镜和星点靶标之间设置分光组件，分光组件与星点靶标的距离大于准直物镜的入瞳半径；在分光组件侧面分光光路焦平面上还设有检测靶标，检测靶标到分光组件的中心距离与星点靶标到分光组件的中心距离相等；星点靶标固定在焦面调整机构上以实现多自由度调整；靶标照明装置为星点靶标提供照明。

恒星敏感器的模拟器具有三个工况。工况一是自准直调焦状态；工况二是模拟器常规工作状态；工况三是自准直模拟器成像质量检测与标定状态。对于工况一和工况三在准直物镜前面设有与光轴垂直的自准直反射镜，用于模拟器自身检测，模拟器正常工作状况下该自准直反射镜应移开光路。

如上所述的一种恒星敏感器的模拟器，当处于非工况二时，所述的分光组件主要用于模拟器自身检测和标定，为平板分光板或棱镜分光板；当模拟器需要测试时其可将星点靶标发出的入射光束通过分光面的半反半透膜分成两束分光束，两束分光束的能量基本相同，理论上均为入射光束的一半，其中一束分光束被反射出去，另一束分光束沿着光轴方向入射准直物镜，由准直物镜出射至自准直反射镜，然后被自准直反射镜反射回来，从另一侧进入准直物镜，再从准直物镜出射后又进入分光组件，最后经过分光膜分光后，其中反射分光束进入检测靶标，而透射分光束又回到星点靶标上。

如上所述的一种恒星敏感器的模拟器，所述的分光组件包括相对设置的与光轴成角θ为45°的上分光棱镜和下分光棱镜，在上下分光棱镜相对接的一个分光面上镀有半反半透分光膜。

如上所述的一种恒星敏感器的模拟器，所述的靶标照明装置是一种带有光源控制器的光纤照明系统，星点靶标上的每个星点均对应一个光纤通道，其光源采用面阵多单元可控亮度的发光器件，每个发光单元对应一根光纤一个端面，该光纤的另一个端面与星点靶标上的星点孔封闭连接，保证不漏光造成背景杂光。

如上所述的一种恒星敏感器的模拟器，所述的靶标照明装置包括一个可控亮度发光器件，在可控亮度发光器件前方连接光纤端面板，若干根传输光纤一端固定在光纤端面板上，另一端一一对应固定在星点靶标上的星点孔上，在星点靶标前方设有衰减片，在衰减片前方设有滤光片，精微可控电源与可控亮度发光器件连接，为其供电。星点靶标与衰减片、衰减片与滤光片的间隔在1mm～10mm，传输光纤长度在100mm～1000mm。

如上所述的一种恒星敏感器的模拟器，所述的焦面调整机构是高精度移动机构，用于调整星点靶标的空间位置状态。

如上所述的一种恒星敏感器的模拟器，所述的星点靶标上有若干星点孔阵列；所述的检测靶标为亮背景、暗测量刻线、尺寸与星点靶标相同的靶标。

如上所述的一种恒星敏感器的模拟器，当分光组件与准直物镜之间的光路距离较长时，采用光路折转反射镜进行光路折转。

本发明的效果在于：

本发明所述的恒星敏感器的模拟器，采用与以往恒星模拟器方案不同的技术，克服了现有恒星模拟器星间角距模拟精度差问题，能够解决用于小行星自主导航甚高精度恒星敏感器的恒星和小行星星阵的甚高精度模拟，验证恒星敏感器的测量精度和自主导航定位精度，对于深空自主导航敏感器研制具有广阔的应用前景。本发明这种恒星模拟器具体优点在于：

(1)采用近衍射极限和超长焦距大视场准直仪不但可以适应普通恒星敏感器的测量，而且可以适应长焦距恒星敏感器的测量；

(2)采用大视场固定靶标变换点亮星点的方法实现星图动态变换，可以及保证精度又可以实现动态变换星图的目的；

(3)采用光纤加上亮度控制开关的方法实现星点亮暗控制模拟可以保证比液晶光阀等方法更大动态范围；

(4)采用大视场自准双光路设计方案可以为模拟器自检和敏感器标定提供简捷有效的方法，减小了传统方法检测和标定的复杂性。

附图说明

图1为本发明所述的一种恒星敏感器模拟器结构示意图；

图2为本发明所述的一种采用折转反射镜进行光路折转的恒星敏感器模拟器结构示意图；

图3为图2所述的恒星敏感器模拟器整体布局效果图；

图4为图2所述的恒星敏感器模拟器的光学光路图；

图5为一种准直物镜的光学成像系统结构示意图；

图6为一种1.2°X1.2°视场的准直物镜波像差图；

图7为一种1.2°X1.2°视场的准直物镜MTF曲线图；

图8为一种分光组件的结构示意图；

图9为一种靶标照明装置示意图。

图中：1.准直物镜；2.分光组件；3.星点靶标；4.检测靶标；5.靶标照明装置；6.焦面调整机构；7.自准直反射镜；8.光路折转反射镜；101～108.均为透射镜片；201.上分光棱镜；202.分光面；203.下分光棱镜；501.精微可控电源；502.可控亮度发光器件；，503.传输光纤；，504.衰减片；505.滤光片；506.光纤端面板。

具体实施方式

下结合附图和具体实施例对本发明所述的一种恒星敏感器的模拟器作进一步描述。

如图1所示，本发明所述的一种恒星敏感器模拟器主要包括超长焦距大视场准直物镜1、焦平面光束分光组件2、带有星点孔阵列的星点靶标3、检测靶标4、靶标照明装置5、焦面调整机构6。它具有三个工况：工况一是自准直调焦状态；工况二是模拟器常规工作状态；工况三是自准直模拟器成像质量检测与标定状态。对于工况一和工况三在准直物镜1前面设有与光轴垂直的自准直反射镜7，用于模拟器自身检测，模拟器正常工作状况下该自准直反射镜应移开光路。

在准直物镜1的焦平面上设有星点靶标3，星点靶标3与准直物镜1距离等于准直物镜1后截距，通过准直物镜1将星点靶标3成像到无限远，以模拟恒星敏感器所要探测的恒星和小行星目标。

在准直物镜1和星点靶标3之间设置分光组件2，分光组件2与星点靶标3的距离大于准直物镜1的入瞳半径。当处于非工况二时，所述的分光组件2主要用于模拟器自身检测和标定，分光组件2可将星点列靶标3发出并经自准直反射镜7反射回来的恒星模拟目标光束分别成像在两个靶标(星点靶标3和检测靶标4)面上。

星点靶标3上制有已知精确相互位置关系的星点阵列，阵列形状可以按照用户需要设计，星点靶标3固定在焦面调整机构6上，焦面调整机构6是高精度移动机构，用于调整星点靶标3的空间位置状态。靶标照明装置5为星点靶标3提供照明。

在分光组件2侧面分光光路焦平面还设有检测靶标4，检测靶标4到分光组件2的中心距离与星点靶标3到分光组件2的中心距离相等。检测靶标4为亮背景、暗测量刻线、尺寸与星点靶标3相同的靶标。星点靶标3经过自准以后成像在检测靶标4上，检测靶标4上的刻度线可以测量出星点靶标3上的星点之间位置经过两次准直物镜1后的变形量，作为模拟器固有误差标定参考数据。

在准直物镜1前面设有与光轴垂直的自准直反射镜7，用于模拟器自检测，自准直反射镜7应接近而不接触准直物镜1。当自检测完毕模拟器正常工作时，自准直反射镜7应从光路中移出。

按照上述本发明方案设计了一个实施例，如图2～图4所示。当分光组件2与准直物镜1之间的光路距离较长时，采用光路折转反射镜8进行光路折转。

上述超长焦距大视场准直物镜1是一个近衍射极限的长焦距成像系统，焦距可在2m～5m，视场角可在1°～2°，具有接近理想的成像质量和相对较大的成像视场。准直物镜1的光学结构由若干透射镜片构成；入射光瞳为实瞳，光栏设在第一个透射镜片前、距离光学面10mm～1000mm。

例如，如图5所示，该准直物镜1由8片透射镜片构成；入射光瞳为实瞳，光栏设在第一个透射镜片前、距离光学面600mm；性能特点如下：

准直物镜1焦距为5000mm，允许测量值变化在±30mm以内；视场角1.2°×1.2°(其中有效视场不小于：1°×1°)；入瞳上无遮拦工作区域不小于Φ200mm；设计光谱在0.5～0.8μm，中心波长0.65μm；成像质量(以实际使用的光瞳中心轴线作为光轴进行评价)可实现0.9°×0.9°视场内最差波像差均方值不大于λ/30，1°×1°视场内最差波像差均方值不大于λ/20，其它视场内最差波像差均方值不大于/10，λ＝0.65μm；最大相对畸变误差不大于0.005％；倍率色差最大不大于4μm；弥散斑均匀性满足能量中心与主光线误差小于2μm；外形尺寸不超过3.5m×2.5m×2.5m；工作温度20℃±5℃。准直透镜1的光学结构一般为透射式，也可以用反射式和折射反射式实现，具体结构形式可根据以上性能要求进行优化设计。1.2°X1.2°视场的波像差图参见图6，其MTF曲线如图7所示。

上述焦平面光束分光组件2是一种平板分光板或者是棱镜分光板，一般与光轴倾斜45°放置，也可以做少量的倾斜角度调整。当模拟器需要自检测时，将准直反射镜7移入光路，垂直光轴置于准直透镜1前面，分光组件2可将星点靶标3发出的入射光通过分光面的半反半透分光膜分成两束分光束，两束光的能量基本相同，理论上均为入射光束的一半。其中一个分光束被分光膜反射出去，本发明不加利用；另一束分光束沿着光轴方向入射准直物镜1，由准直物镜1出射至自准直反射镜7，然后被自准直反射镜7反射回来，再进入准直物镜1，再从准直物镜1出射后又进入分光组件2，最后经过分光膜分光后，其中反射分光束进入检测靶标4，而透射分光束又回到星点靶标3上。例如，如图8所示，该分光组件2包括相对设置的与光轴成角θ为45°的上分光棱镜201和下分光棱镜203，在上下分光棱镜相对接的一个分光面202上镀有半反半透分光膜，谱段根据用户需要确定，一旦确定准直物镜1的设计谱段即按照此谱段进行。棱镜材料可为K9牌号玻璃，尺寸为100mm×100mm×100mm。

上述靶标照明装置5是一种带有光源控制器的光纤照明系统，星点靶标3上的每个星点均对应一个光纤通道，其光源采用面阵多单元可控亮度的发光器件，每个发光单元对应一根光纤一个端面，该光纤的另一个端面与星点孔阵列靶标3的星点孔封闭连接，保证不漏光造成背景杂光。例如，如图9所示，精微可控电源501与可控亮度发光器件502连接，在可控亮度发光器件502前方密接光纤端面板506，若干根传输光纤503一端固定在光纤端面板506上，另一端一一对应固定在星点靶标3上的星点孔上，在星点靶标3前方设有衰减片504，在衰减片504前方设有滤光片505。可控亮度发光器件502在精微可控电源501供电下可控发光，光通过光纤端面板506传导到传输光纤503，通过传输光纤503传导到星点靶标3，再经过衰减片504的衰减和滤光片505的滤光出射到分光组件2和准直物镜1，再通过准直物镜1成像到无限远。其中星点靶标3与衰减片504、衰减片504与滤光片505的间隔在1mm～10mm之间，传输光纤503长度在100mm～500mm之间。

上述自准直反射镜7除了用来星点靶标3自准直调焦外，还有两个特殊的用途，一是将星点靶标3的像反射自准成像到检测靶标4上，以便进行模拟器自身的成像质量和畸变参数的测量，二是进行星点靶标3星点之间位置尺寸的标定。

本发明所述的恒星敏感器模拟器能够实现从一般精度恒星敏感器一直到甚高精度恒星敏感器的各类恒星敏感器的动态和静态星图模拟、模拟器自身标定、恒星敏感器检测以及带有恒星背景的小行星运动物理仿真。

该模拟器装置有三种工作状况：工况一是自准直调焦状态；工况二是模拟器常规工作状态；工况三是自准直模拟器成像质量检测与标定状态。工况二不需要自准直反射镜位于光路；其余工况要求自准直反射镜位于光路并与光轴垂直。

第一种工况是自准直调焦工况，采用自准直反射镜7安置到光路中，按照普遍自准直原理通过观测星点靶标3的自准直像的清晰度判断星点靶标3是否准确安装于焦平面。

第二种工况光路的走向是，由靶标照明装置5点亮星点靶标3，星点靶标3发出的光经过分光组件2分为两束，其中沿着光轴方向的一束光继续入射到准直物镜1的右面，经过准直物镜1后再经过入瞳光栏出射到无限远，恒星敏感器的入瞳与准直物镜的入瞳重合，接收准直物镜出射的无限远的光。

第三种工况是星点靶标3发出的入射光通过分光面的半反半透分光膜分成两束分光束，两束光的能量基本相同，理论上均为入射光束的一半，其中一个分光束被分光膜反射出去，本发明不加利用，另一束沿着光轴方向的分光束，经自准直反射镜7反射回来，重新从镜头的另一侧进入准直物镜1，从准直物镜1出射后又进入分光组件2，经过分光膜分光后，其反射分光束进入检测靶标4，而透射分光束又回到星点靶标3上。星点靶标3经过了两次准直物镜1最后成像到检测靶标4上，因此星点靶标3在检测靶标4上的像包含了两倍的准直物镜1的成像误差，因此可以根据星点靶标3在检测靶标4上的像的质量检测准直物镜1的成像质量。恒星模拟目标光束经过自准直反射镜7分别成像在两个靶标(星点孔阵列靶标3和检测靶标4)面上，在星点靶标3上的像可以用来调整星点靶标3的安装位置(工况一)，使其位于准直物镜1的焦平面上，检测靶标4上的像可用来调焦和模拟器精度检测与标定，当采用这种方法进行准直物镜1的检测与标定时，自准直反射镜7应当调整到与光轴垂直。

上述模拟器不但具有目前恒星模拟器达不到的星光大视场甚高出射精度，而且还具有常规模拟器不具有的自检测和自标定功能。

一般模拟器开始工作时，首先需要完成工况一，然后可以进行工况二。工况三一般是在模拟器研制过程中或者标定过程中采用的一种工况。

本发明所述的恒星敏感器的模拟器所模拟的恒星像之间的角距具有甚高精度(如优于0.5角秒)，不仅可以利用它作为恒星敏感器的功能性验证，也可以作为其精度检测验证仪器。功能性验证仅实现恒星星图识别即可，对于确定精度不作要求。它采用了一种超长焦距的准直仪作为恒星模拟目标的投射光学系统，一般其焦距大于恒星敏感器角距的3倍。其视场比恒星敏感器视场略大。采用了星点孔阵列靶标作为恒星模拟的目标，采用各个星点孔单独照明实现星点亮暗选通，采用阵列发光点器件通过光纤传输点亮星点并调整性点亮度。准直仪采用分光的方法分为两路焦平面，使得一路作为发光靶标，另一路作为靶标自准像观测和检测通道。所采用的靶标可以根据需要是多幅星图叠合而成，也可以是固定分布的图案。

本发明所提出的动态模拟器不是采用液晶光阀原理，并作为精度检测仪器使用，因精度检测要求其设计指标非常高。另一方面，由于本发明涉及的恒星敏感器焦距非常长，若采用模拟器传统设计方法，因液晶光阀尺寸和镜头限制，则无法实现。

Claims (9)

1.一种恒星敏感器的模拟器，其特征在于：它包括准直物镜(1)，在准直物镜(1)的焦平面上设有星点靶标(3)，星点靶标(3)与准直物镜(1)距离约等于准直物镜(1)后截距，通过准直物镜(1)将星点靶标(3)成像到无限远；在准直物镜(1)和星点靶标(3)之间设置分光组件(2)，分光组件(2)与星点靶标(3)的距离大于准直物镜(1)的入瞳半径；在分光组件(2)侧面分光路上还设有检测靶标(4)，检测靶标(4)到分光组件(2)的中心距离与星点靶标(3)到分光组件(2)的中心距离相等；星点靶标(3)固定在焦面调整机构(6)上以实现多自由度调整；靶标照明装置(5)为星点靶标(3)提供照明；

所述的准直物镜(1)为近衍射极限的长焦距成像系统，焦距在2m～5m，视场角在1°～2°；光学结构由若干片透射镜片构成；入射光瞳为实瞳，光栏设在第一个透射镜片前、距离光学面10mm～1000mm。

2.根据权利要求1所述的一种恒星敏感器的模拟器，其特征在于：在准直物镜(1)前面设有与光轴垂直的自准直反射镜(7)。

3.根据权利要求2所述的一种恒星敏感器的模拟器，其特征在于：所述的分光组件(2)为平板分光板或棱镜分光板；其可将星点靶标(3)发出的入射光束通过分光面的半反半透膜分成两束分光束，其中一束分光束被反射出去，另一束分光束沿着光轴方向入射准直物镜(1)，由准直物镜(1)出射至自准直反射镜(7)，然后被自准直反射镜(7)反射回来，从另一侧进入准直物镜(1)，再从准直物镜(1)出射后又进入分光组件(2)，最后经过分光膜分光后，其中反射分光束进入检测靶标(4)，而透射分光束又回到星点靶标(3)上。

4.根据权利要求3所述的一种恒星敏感器的模拟器，其特征在于：所述的分光组件(2)包括相对设置的与光轴成角θ为45°的上分光棱镜(201)和下分光棱镜(203)，在上下分光棱镜相对接的一个分光面(202)上镀有半反半透分光膜。

5.根据权利要求1所述的一种恒星敏感器的模拟器，其特征在于：所述的靶标照明装置(5)是一种带有光源控制器的光纤照明系统，星点靶标(3)上的每个星点均对应一个光纤通道，其光源采用面阵多单元可控亮度的发光器件，每个发光单元对应一根光纤一个端面，该光纤的另一个端面与星点靶标(3)上的星点孔封闭连接，保证不漏光，防止造成背景杂光。

6.根据权利要求5所述的一种恒星敏感器的模拟器，其特征在于：所述的靶标照明装置(5)包括一个可控亮度发光器件(502)，在可控亮度发光器件(502)前方连接光纤端面板(506)，若干根传输光纤(503)一端固定在光纤端面板(506)上，另一端一一对应固定在星点靶标(3)上的星点孔上，在星点靶标(3)前方设有衰减片(504)，在衰减片(504)前方设有滤光片(505)，精微可控电源(501)与可控亮度发光器件(502)连接，为其供电；星点靶标(3)与衰减片(504)、衰减片(504)与滤光片(505)的间隔在1mm～10mm，传输光纤(503)长度在100mm～1000mm。

7.根据权利要求1所述的一种恒星敏感器的模拟器，其特征在于：所述的焦面调整机构(6)是高精度移动机构，用于调整星点靶标(3)的空间位置状态。

8.根据权利要求1所述的一种恒星敏感器的模拟器，其特征在于：所述的星点靶标(3)上有若干星点孔阵列；所述的检测靶标(4)为亮背景、暗测量刻线、尺寸与星点靶标(3)相同的靶标。

9.根据权利要求1所述的一种恒星敏感器的模拟器，其特征在于：当分光组件(2)与准直物镜(1)之间的光路距离较长时，采用光路折转反射镜(8)进行光路折转。

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