甚高精度星模拟器设计

研制了一套星间角距精度优于0.2″的甚高精度星模拟器系统对深空光学导航敏感器进行地面标定和精度测试.采用高精度大口径静态可变目标标准源作为甚高精度星模拟器的核心显示器件模拟星图,同时研制了一种单点可控星图模拟矩阵式LED照明系统为其提供光源,并设计了长焦距大视场投影光学系统使模拟星图成平行光出射,在光学系统出瞳处产生星...     

双DMD红外双波段场景模拟器光机结构设计

针对常规红外双波段场景模拟器多基于单数字微镜器件(DMD)设计、不能对两个波段进行差异化调制、只满足仿真测试的工作波段需求、实用性差的问题,提出了一种基于双DMD的双通道、共口径、两档变焦、结构紧凑的红外中/长波场景模拟器,并对投影系统、照明系统、双色合束镜等主要部分进行了详细的光机结构设计。光学引擎采用远心光路直接照明DMD靶面,利用空间立体式布局来避免不同光路间的干扰,且使用两块小型金属平面反射镜压缩照明光路以提高系统集成度;采用半运动学弹性夹持方式固定合束镜,重点计算了弹簧夹为得到最小预载应发生的偏转量及其在材料中形成的弯曲应力;利用MATLAB求解出两波段黑体的工作温度,并拟合出经光学系统后两波段辐射出射度与全红外波段黑体辐射出射度的比例关系ψ(T)曲线。测试结果表明,黑体温度为850 K时达到最高表观温度要求,中波图像对比度为250∶1,长波图像对比度为14∶1,满足现阶段红外中/长波场景模拟器的使用要求。     

8μm~12μm红外动态热像模拟器光机结构设计

针对常规红外动态热像模拟器光能利用率低,结构复杂,机加与装调困难,无法模拟地面目标及场景的问题,提出一种基于DMD调制的大视场、易装调、结构紧凑的长波红外动态热像模拟器。模拟器采用场镜与反射镜分离照明与投影光束,光能利用率约为TIR棱镜分光结构的2倍左右,同时针对两者的特殊位置设计了多维微调结构;为避免不同材料间热膨胀系数不同所引起的透镜光学表面受力不均,影响照明均匀性,对照明光学系统进行了热稳定结构设计;利用MATLAB求解出黑体的温度变化范围,并拟合出经光学系统前后辐射出射度的比值随温度变化曲线。温度测试与仿真实验表明,黑体温度从50℃变化为350℃的过程中,仿真背景温度漂移为8.1℃,约为模拟温差的7.84%,黑体温度为400℃时其图像对比度达到0.8以上,满足现阶段红外动态热像模拟器的使用要求。     

月基极紫外相机光机结构设计

为了对地球等离子体层产生的30.4 nm辐射进行全方位的长期监视和观测,研制了月基极紫外相机.相机主体采用多层膜单反射镜光学系统以及30.4 nm球面光子探测器的结构形式,跟踪机构采用俯仰-方位模式,由步进电机驱动实现对地球的捕获.针对卫星发射、地月变轨、月表着陆过程中的振动冲击以及月表残酷的温度环境,月基极紫外相机的...     

可见光粗跟踪成像镜头光机结构设计

为某在研地基光学望远镜设备设计了300 mm口径的可见光粗跟踪成像镜头的光机结构。采用弯月形结构优化使主镜重量减少了41.2%。针对传统胶粘接固定结构的不足提出了采用弹性压紧方式的主镜支撑结构,采用Patran有限元仿真软件对不同倾角、不同温度状态下,带支撑的主镜面形精度进行了分析;制定了装调方案,室内采用Zygo干涉仪检测带支撑的主镜面形精度检测结果为0.04λ(RMS),可见光波长λ的设计参考值为0.633μm,长焦端和短焦端的系统波像差均为0.132λ(RMS);室内采用平行光管进行星点检验、分辨率检验和外场对北极星成像试验结果显示,系统成像质量满足设备要求;验证了主镜支撑结构和镜头光机结构设计的合理性,为研制同类型镜头的光机结构提供了设计依据和技术途径。     

高精度星敏感器天文标定方法及观测分析

提出了一种利用天顶观测来进行星敏感器标定的新方法.将地球当作均匀转动的转台,由一较精确的时钟代替刻度盘,用相对地球静止的星敏感器对天顶邻域进行观测.把星点作为目标,让其匀速扫过视场,建立星点坐标和对应恒星像点坐标的数学模型,求出位置传递函数.此方法简单、方便,标定精度高.通过实际星空观测,对连续拍摄的2037幅星图进行标定计算,每幅星图的积分时间为80 ms.实际观测星在α与δ方向上的标定误差分别为7.267 2″和6.922 0″,系统总的标定误差为10.036 2″.利用标定结果对连续拍摄的星图进行识别,得到星敏感器光轴指向误差为4.846 2″,标定结果比较理想.     

船载高精度星敏感器安装角的标定

星敏感器测量船体姿态精度与星敏感器与甲板之间的安装角标定精度密切相关。本文介绍了船载星敏感器的相关坐标系及安装角的定义,建立了船载星敏感器蒙气差修正模型,提出了一种船载高精度星敏感器安装角标定方法。船进坞坐墩时,船载经纬仪通过拍摄方位标确定航向,星敏感器通过星图识别获得视场内星点的赤经、赤纬,构成地心惯性系参考矢量,经岁差、章动、极移、船位等修正,得到各恒星在惯导地平系下的参考矢量。然后,根据蒙气差模型对星点逐个修正俯仰角,重构惯导地平系下的参考矢量。最后,依据姿态确定算法原理,解算星敏感器安装矩阵,求解安装角。实验表明,使用该方法可使方位角、俯仰角的标定精度达10"以内。该方法有效发挥了星敏感器指向精度高的优点,改善了程序自动化程度,提高了船体姿态测量精度。     

基于LCOS拼接技术的动态星模拟器光学系统设计

为了满足动态星模拟器大视场、高精度的技术要求,针对传统星模拟器光学系统的技术特点,提出了一种基于硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCOS)光学拼接技术的动态星模拟器光学系统设计方案。结合动态星模拟器的技术指标,使用LCOS作为星图显示的核心器件,通过LCOS光学拼接技术来实现星图显示覆盖全视场并满足拼接误差≤10″的拼接结果。根据动态星模拟器的工作原理,设计小畸变、平场复消色差的准直光学系统以实现动态星模拟器实时准确模拟星点,其设计结果表明:在10.2°视场角内准直光学系统相对畸变≤0.025%,调制传递函数(modulation transfer function,MTF)在60 lp/mm达到0.7。通过经纬仪实际测量,其星对角距误差≤25″,单像元等效张角误差≤6″,满足设计指标中的要求。     

用于天文导航设备检测的星模拟装置

为实现对天文导航设备的实验室检测,设计了一种星模拟装置。对该装置所采用的准直光学系统、数字可调光源进行了研究,并提出了背景光模拟的技术要求。根据天文导航设备的主要技术要求给出星模拟装置的整体结构。介绍了消色差准直光学系统、数字可调光源和确定星点大小及位置的关键技术,并分析了背景光均匀性对星模拟效果的影响。最后,制作了星模拟装置,并进行了相关验证性实验。实验结果表明,该装置能模拟0～5等星,背景光均匀性为94.7%,系统焦距为1647mm,视场为28′,准直性优于±2″。该装置可以同时模拟星光和背景光变化,具有准直性好、背景光照度模拟范围宽等优点,能够满足天文导航设备的实验室检测要求。     

基于数字光处理技术的小型星模拟器设计

提出了基于数字光处理(DLP)技术的星模拟器系统的技术方案。根据星模拟器技术指标,确定了总体光学结构;在确定数字微镜元件(DMD)芯片规格的基础上,计算出星模拟器光学系统的焦距、单星张角、相对孔径等光学系统参数;最后,介绍了星图模拟软件的设计方法。计算及模拟结果表明,设计的小型星模拟器实现了星图视场为10.5°×7.5°,模拟星等为2.0~8.0等星,单星张角优于40″;将采样周期控制在毫秒量级,能为星敏感器提供任一时刻、任一惯性坐标系下指向的模拟星图,可满足航天工程中对小型星模拟器的动态性、大视场、宽星等范围、短采样周期等需求。     

基于硅基液晶拼接的高对比度动态星模拟器光学系统

针对基于硅基液晶(LCOS)拼接技术的动态星模拟器对比度低,无法在星图识别过程中为星敏感器提供全部有效目标的问题,提出通过抑制光学系统杂散光来提高LCOS拼接动态星模拟器对比度的方法,讨论了偏振度对于杂散光的影响,并推导出入射角与偏振度的函数关系。设计了抑制杂散光的光学系统,该系统包括利用复合抛物面聚光器(CPC)结合望远系统组成照明光源,配合多棱镜的1/4波片和视场角不小于11°的准直光学系统。在截止频率为60lp/mm,视场角小于±5°的情况下,该准直系统的调制传递函数(MTF)大于0.7。实验显示:该高对比度LCOS拼接动态星模拟器的星间角距误差小于18″,相对于传统型的星模拟器杂散光降低了2.38倍,其在保证精度的条件下,降低了动态星模拟器的背景噪声,提高了动态星图的可识别率,基本可以满足星敏感器在多星等条件下的对精度和动态特性的需求。     

红外星模拟器星点位置分析与模拟技术研究

针对传统星点位置误差测试方法无法应用于红外星模拟器,提出了一种红外星模拟器星点位置分析、模拟与测试的新方法。结合传统星模拟器星点位置测试方法,分析像差对星点位置的影响因素,建立像差与星点位置模拟理论模型,并通过误差拟合,分析出像质好则单星位置误差小的理论关系。依据红外星模拟器与星敏感器的对接方式,设计了出瞳距大且外置的可见和红外光双重组态下的准直光学系统,并实现红外波段像质优于可见光波段像质。利用经纬仪实测,验证理论模型的准确性,同时实测结果表明,可见光波段单星位置误差优于±13.65″,红外波段间接实现单星位置误差优于±13.65″。     

高能高准直性太阳模拟器设计

设计一种能够同时满足辐照面辐照度达到一个太阳常数和32′张角的太阳模拟器。利用理论计算和光学软件仿真相结合的设计方式,对聚光系统、积分器和准直系统分别进行设计与优化,并提出一种新的氙灯建模方式,最后利用lighttools对整体光学系统进行仿真分析,获得了各部件在光学系统中的最佳位置,使整个光学系统达到较高的能量利用率和辐照均匀性。     

红外目标模拟器的光学设计

设计了一种用于红外光电系统性能测试的目标模拟器的光学系统。原理上采用一个无焦系统与后聚焦系统的组合系统,利用Zemax光学设计软件进行优化设计,最终设计结果为工作波段8~12μm,焦距230.599mm,视场12°,入瞳距600mm,入瞳直径100mm。整个光学系统有9个光学透镜,最大口径229.77 mm,光学系统达到衍射极限,全视场MTF均优于0.39,80%的能量集中在23μm的弥散圆内。各项指标都满足设计要求,能很好地应用于红外光电系统的性能测试。     

高时空分辨率动态星模拟器设计

针对大口径空间天文望远镜稳像精度测试的难题,提出了一种高时空分辨率运动导星模拟方案。利用硅基液晶作为运动导星模拟源,结合光束准直系统为空间天文望远镜提供无穷远运动导星,并且通过在光路中加入物镜来提高模拟导星的运动分辨率。针对望远镜像面结构的特殊分布,提出利用多路模拟的方法,分别为望远镜两侧精密导星仪以及巡天像面提供实时运动导星。最后,对影响运动导星模拟精度的各项误差进行分析,进而建立了误差模型。仿真结果表明:在运动导星模拟精度优于0.5″的概率为95%,时间分辨率为3 ms的前提下,动态星图星间角距误差小于0.04″,单星张角小于0.02″。通过实验验证了导星模拟模型的正确性,该模型基本满足空间天文望远镜稳像精度测试所需运动导星目标高时空分辨率的要求。     

用于高精度卫星姿态测量的大相对孔径高杂光抑制比星敏感器光学设计

星敏感器是卫星高精度空间姿态测量与飞行控制的关键仪器.针对低阈值星等、大视场等特殊需求,设计了焦距55 mm,相对孔径1/1.1,视场角17° x17°的星敏感器光学系统.基于无热玻璃图方法,通过光学玻璃材料与机械结构材料的温度特性匹配优化,实现了光学被动式无热化设计.完成两级遮光罩与挡光环的消杂光结构设计,利用非序列...     

Design and error analysis of a high accurate star simulator based on optical splicing technology

Dynamic tar simulator has been widely used in calibration and validation for star trackers.To achieve both high accuracy and large view field,a dynamic star sim...