交会对接光学成像敏感器的LD照明系统*

龚德铸，赵春晖，张 琳，白 山，覃 波，马云亮

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.中国电子科技集团公司第三十四研究所，桂林541004;3.中国电子科技集团公司第二十三研究所，上海200437)

0 引言

在太空交会对接任务中，交会对接光学成像敏感器是交会对接平移靠拢段从百米到对接完成唯一能够同时进行位置和姿态六自由度测量的关键单机.它分为相机和合作目标两部分.相机安装在追踪飞行器上，合作目标安装在目标飞行器上，相机对合作目标成像，完成两个飞行器相对位置和姿态的测量，为飞行器提供导航信息［1］9-10.

交会对接光学成像敏感器的测量体制有主动模式和被动模式两种，相应照明系统的设计方案也有发光二级管(LED，light-emitting diode)照明、激光二极管(LD，laser diode)照明等方式，本文主要讨论被动式交会对接光学成像敏感器LD照明系统的组成原理和应用特点，旨在完成大角度、远距离、均匀照明的空间交会对接任务。

1 交会对接光学成像敏感器简介

交会对接光学成像敏感器是一种位置和姿态测量敏感器，在测量原理上与星敏感器的主要区别是:星敏感器对恒星成像，经过图像处理，根据已知星表信息，计算获得卫星姿态;而交会对接光学成像敏感器对另一飞行器上安装的合作目标成像，通过图像处理，根据已知目标的位置和姿态特征计算获得两飞行器的相对位置和姿态［2］.

国内外主流交会对接光学成像敏感器如表1所示.国际上以美国 VGS/AVGS/NGAVGS、法国VDM、日本PXS等为代表产品.国内以北京控制工程研究所(BICE)研制的Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型交会对接光学成像敏感器为代表产品，其具备国际一流的技术水平，在测量精度、视场等方面有一定优势.

交会对接光学成像敏感器两种测量模式如下:

1)被动目标测量模式:目标由角反射器或角反射器阵列组成，由位于相机一侧的照明系统对其进行照明，角反射器把照明光沿原路反射，进入相机视场，完成测量任务.被动目标及其相机照明系统如图1所示.照明器件可分为LED和LD两种，照明方式可分为环形光源和同轴光源两种.本文重点叙述

LD同轴照明方式.

图1 被动目标及其相机照明系统Fig.1 Passive target and its camera lighting system

2)主动目标测量模式:目标自主发光，相机对其进行直接成像测量.主动LED目标及其相机如图2所示.目标内部的照明器件可分为LED和LD两种.

图2 主动LED目标及其相机Fig.2 Active target and its camera

表1 国内外主流交会对接光学成像敏感器列表Tab.1 Mainstream camera-type rendezvous and docking sensor

在以上测量模式中，被动模式的敏感器包括国外典型敏感器、北京控制工程研究所的Ⅱ/ⅢCRDS;北京控制工程研究所首创Ⅰ型交会对接光学成像敏感器属于主动模式，在轨表现优异.

2 LD照明系统

照明系统是交会对接光学成像敏感器的重要组成部分，照明系统设计是否合理，不仅影响成像质量和测量精度，还影响产品的总功耗和总重量，功耗和重量也是航天产品的重要指标.

2.1 LD照明系统的组成

LD照明系统由激光二极管驱动单元(LDDU，laser diode driving unit)、照明光纤和半透半反镜等组成，如图3所示.

LDDU包括多个LD组件、恒流驱动电路、TEC(thermal energy converter)温控电路、主体结构等部分.LDDU用来驱动LD发光，提供足够的光功率对目标进行照明，并通过控制TEC使LD工作温度保持在安全范围内，保证其能够可靠稳定工作.LD温控范围一般在25℃左右，LD输出光功率根据照明距离选择为10～1 000 mW左右，LD光功率稳定度优于2%，LD波长为808 nm、850 nm两种，光谱范围±10 nm.

图3 LD照明系统Fig.3 LD lighting system

照明光纤由光纤连接器、光纤耦合器、整形光纤、出光端法兰等组成，如图4所示.照明光纤主要通过光纤耦合器把多个LD发出的光束耦合到同一根光纤输出，并通过整形光纤对耦合后的LD光束进行发散角和均匀性调整，以保证照明光源的发散角和均匀性满足敏感器的成像需求.

图4 照明光纤组成示意图Fig.4 The composing of lighting optical fiber

半透半反镜的作用为透射光源，且保证照明光源与相机光轴同轴，并将目标反射进入相机视场，本文不作重点描述.

2.2 LD性能和选择

LD也称半导体激光或泵浦固体激光器，具有以下优点［3］，是作为交会对接光学成像敏感器照明光源的优势.

1)方向性好:普通光源(太阳、白炽灯等)发光方向呈散射分布，而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内，在照射方向上的照度提高千万倍.

2)亮度高:激光是当代最亮的光源(能量高度集中).太阳光亮度大约是103W/(cm2·sr)，而一台大功率激光器的输出光亮度比太阳光高出7～14个数量级.

3)单色性好:光的颜色取决于其波长(频率).普通光源通常包含多种波长，是各种颜色光的混合.而激光的波长可以控制在较窄的光谱波段或频率范围内，如氦氖激光的波长为632.8 nm，波长变化不到万分之一纳米.

LD是整个照明系统的核心器件，其性能是照明系统优劣的基础.在选择LD时，应该考虑中心波长、发光功率、集成度、转换效率、工作温度和使用经历等基本指标，还需要结合敏感器整机设计，考虑光源空间分布、带宽与成像器件的匹配、阈值电流、空间适应性等特性.

下面从激光器的模式、谱线宽度、阈值电流几个方面说明对LD照明系统的影响.

(1)激光器的纵模和横模模式

与激光器谐振腔轴平行方向(即纵向)的电磁场分布(即模式)称为纵模.与激光器谐振腔轴垂直方向(即横向)的电磁场分布称为横模.纵模反映了激光器光强随波长的变化情况，有多纵模和单纵模之分.多纵模激光器输出的光谱中包含若干个纵模，纵模在光谱中是一根根离散的线谱，不同纵模上的光能量(即光强)分布是不同的，其中纵模光强最大的称为主模，主模旁边的其他光强较小的纵模称为旁模或边模，如图5所示.单纵模激光器只有一个纵模能够正常工作，其他纵模都受到抑制.通常利用光栅的波长选择特性，只允许一种特定的模式能够传输，并抑制其他纵模，形成了单模工作条件.横模反映了激光器输出光束光强的空间分布，即方向特性的集散程度，分为单模和多模，对整个照明系统光源的空间分布和均匀性有很大影响.

图5 某型LD的谱线Fig.5 Bandwidth of LD

(2)激光器的谱线宽度和阈值电流［4］

谱线宽度是衡量器件发光单色性的一个物理量.LD的谱线宽度是交会对接光学成像敏感器的关键指标，其与滤光片带通宽度相结合影响相机接收目标光源和杂光光源的能量，从而影响敏感器的作用距离、动态性能和抗杂光能力等.LD的谱线宽度取决于激发的纵模数目.观察LD的光谱(如图6所示)可以看到激光器的光谱随激励电流而变化.当激励电流低于阈值电流时，发出的是荧光，光谱很宽.当电流增大到阈值时，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，出现激光.光谱变窄，单色性加强是半导体激光器达到阈值时的一个特征.因而可通过激光器光谱的测量来确定阈值电流.

图6 激光波长随驱动电流的漂移Fig.6 LD wavelength's drifting with driving current

阈值电流的一个重要特点是随温度增加而加大，如图7所示，因此在照明系统设计中必须考虑LD的工作温度范围.LD激光器的寿命可以用阈值电流的增值来估量.通常激光器的阈值随使用时间增多而增大.激光器的阈值增大在50%内，能继续工作，当阈值增大至3倍时，激光器将迅速损坏.

图7 激光器阈值电流随温度变化Fig.7 LD threshold value's change with temperature

LD光谱决定相机工作光谱，在选择器光谱时应该要考虑以下两个因素:

1)选择成像器件光谱响应较好的谱段［5］.LD提供照明光源，其发光光谱必须与成像器件响应谱段配合，尽可能处于成像器件较高的量子效率谱段.此外如果是双波长差分工作模式，两个谱段对应的量子效率应该接近.

2)远离太阳辐射较强的谱段.太阳光作为杂光光源，是交会对接光学成像敏感器必须避免的.表2示出太阳光部分谱段对应的辐照度，LD光谱应尽量避开太阳强辐照度的谱段，以降低杂光干扰，提高相机成像的信噪比.

表2 太阳光部分谱段辐照度Tab.2 Irradiance of parts of solar spectrum

(3)器件质保以及空间适应性

目前LD主要用于通信行业，没有高等级器件，在设计照明系统时必须考虑LD的质保需求.作为航天器件，还应该考虑抗辐照性能、抗温变性能、抗力学性能等.

2.3 照明光纤设计和性能

2.3.1 总体功能和指标概述

照明光纤的功能主要是通过耦合器把多个LD器件的尾纤耦合到同一根光纤输出，使光源合并，再通过整形光纤对合束光源进行发散角控制，以满足交会对接光学成像敏感器对照明光源的发散角和均匀性要求.主要设计指标如下:

1)出射光发散角:根据交会对接走廊和相机视场的大小需求，出射光发散角一般为A=18°(半锥角);

2)出射光指向性和对称性:出射光指向性与安装面垂直度、出射光束相对照明光纤出光端端面法线对称分布;

3)能量耦合效率η:优于50%;

4)光纤连接器:损耗小、可靠性高;

5)出光端口径:小于2.5 mm;

6)具备相应的空间适应性能力.

2.3.2 光纤的选择和性能

(1)光纤基本性能

光纤主要用于通信、传感、图像、能量传递、照明等领域.根据ITU-T(国际电信联盟)规定其基本特性［6］如下:

1)纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层低，光能量主要在纤芯内传输，利用光在纤芯与包层界面上的全反射实现光的传播;

2)包层为光的传输提供反射面和光隔离.设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1＞n2;

3)涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，且增加了光纤的机械强度与可弯曲性，有延长光纤寿命的作用.

(2)光纤光源空间分布

光源空间分布是照明光纤的重要指标之一，主要取决于光纤发散角和模场直径(MFD，modefield diameter)，而光纤发散角主要取决于光纤的数值孔径(NA，numeric aperture).DNA值即光纤端面临界入射角(2 θmax)的正弦值(如式(1)所示)决定于n1和n2，与光纤的直径无关.一般光纤DNA有0.094、0.22、0.48 等标准.在选择照明光纤不同DNA值时，需要综合考虑照明系统的发散角、光源分布性能，以及光纤弯曲半径、传输损耗和高低温性能等.

发散角根据边缘能量与中心能量比值定义，涉及光纤的模场直径.基模光斑的特点是中间亮、四周渐暗，没有明显的边界，其近场光强近似为高斯分布.通常，将纤芯中场分布曲线最大值(近似中心处)的1/e处(强度为1/e2处)所对应的宽度定义为模场直径.

(3)光纤传输特性

当LD输出光源能量一定时，照明光源的作用距离受光纤传输损耗限制.光纤损耗特性定义为光信号在光纤中传播时其光功率随距离L的增加呈指数衰减.一般包括吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗.评价光纤损耗特性可以通过损耗常数来衡量.光纤的损耗常数定义如下:

式中:L为光纤长度;Pin和Pout分别为输入和输出光功率.

宏弯损耗不仅与弯曲半径有关，还与光纤的模场直径相关，模场直径越大，宏弯损耗越大，如图8所示(LB表示宏弯损耗).

图8 宏弯弯曲和模场直径的关系Fig.8 Relation between macro bending bend and MFD

除了宏弯损耗外，光纤的微弯损耗也应该注意.光纤的微弯有两种，一是光纤在生产过程中不均成缆时，由于受到压力不均而造成的微弯;二是在光纤使用过程中，由于光纤各个部分热胀冷缩的不同而导致的微弯.因此，除了早期剔除因光纤生产环节引起的微弯外，在光纤的安装、固封环节中，应该采用合理工艺，避免光纤在胶应力、热应力时产生微弯损耗.

综上，虽然照明光纤一般选用模场直径较大的光纤，但是必须结合光纤的传输损耗特性进行选择.在传输损耗中，吸收损耗和散射损耗相对固定，重点需考虑弯曲损耗.尤其受安装结构限制，光纤必然弯曲使用，所以弯曲损耗、模场分布变化和相关工艺需综合考虑.

(4)光纤的选择

光纤有多种分类，对于LD照明系统来说，除了石英光纤外，塑料光纤也较为常用.塑料光纤的弯曲损耗随弯曲半径增大而下降，纤芯直径越大，临界半径越大，弯曲半径小于临界半径时，弯曲损耗呈现指数规律.按照 Mareuse的理论［7］，光纤弯曲引起的损耗依赖于弯曲半径、纤芯半径、芯层和包层折射率.在弯曲半径大于临界半径时，弯曲圈数对弯曲损耗的影响较小.

与石英光纤相比，塑料光纤DNA值较大，出射光较均匀，且模式耦合长度短得多，模式耦合在光纤长度仅为几米时候就可发生，容易满足交会对接光学成像敏感器对照明光源的要求.因此在受到产品尺寸限制条件下，选择塑料光纤作为光源整形光纤.常用塑料光纤中，PS(聚苯乙烯)纤芯塑料光纤的弯曲损耗在任意弯曲半径时都大于PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)纤芯塑料光纤.

3 结论

交会对接光学成像敏感器是空间交会对接任务最后距离段唯一提供六自由度测量的敏感器.LD照明系统是该敏感器的关键技术和重要组成，它解决了大视场远距离均匀照明的难题，克服了空间适应性的困扰，且通过双波长工作模式增强了整机的抗杂光能力.

［1］张淑琴.空间交会对接测量技术及工程应用［M］.北京:宇航出版社，2005.

［2］赵春晖，高文文，刘鲁，等.神舟八号飞船交会对接CCD光学成像敏感器［J］.空间控制技术与应用，2011，37(6):7-13.ZHAO C H，GAO W W，LIU L，et al.A vision guidance sensor for Shenzhou-8 spacecraft autonomous rendezvous and docking［J］.Aerospace Control and Application，2011，37(6):7-13.

［3］SILFVAST W .Laser Fundamentals-激光基础［M］.北京:电子工业出版社，2003:12-28.

［4］DAVIS C C.激光和电光学［M］.北京:世界图书出版公司，1998:150-236.

［5］赵春晖，龚德铸，刘鲁，等.空间杂光对交会对接光学成像敏感器影响分析［J］.空间控制技术与应用，2012，38(3):1-4.ZHAO C H，GONG D Z，LIU L，et al.Analysis on influence of space stray light on vision sensor for autonomous rendezvous and docking［J］.Aerospace Control and Application，2012，38(3):1-4.

［6］PALAIS J C.光纤通信［M］.5th ed.北京:电子工业出版社，2010:198-360.

［7］MARCUSE D.Bend loss of slab and fiber mode computed with diffraction theory［J］.IEEE Journal of QE，1993，29(12):2957-2961.