空间目标可见光散射动态特性测试校验系统

魏祥泉 黄建明 颜根廷 肖余之 范小礼

随着航天技术的不断发展,空间目标光学特性研究已成为国际上空间目标探测领域的研究热点[1].空间目标光学特性是基于光学探测手段的空间目标探测与识别的重要基础,也是天基空间监视系统方案论证和设计的前提,可以为空间目标探测与识别系统的优化设计和探测能力分析提供依据.

空间目标光学特性主要包括目标的红外辐射特性、可见光散射特性、激光散射特性、紫外散射特性与偏振特性等.总的来说,目前地基和天基空间目标光学监视系统主要集中在可见光波段,因此空间目标的可见光散射特性正受到越来越多的关注.

通过理论建模与仿真分析可以获得不同空间目标的光学特性数据,但是,仅靠理论建模和仿真分析很难完全模拟试验目标本身的几何结构和表面热控状态以及空间在轨实际运行状态,因此仅利用建模和软件分析或多或少会存在一定的偏差.为获得更为可靠的可见光散射动态特性数据,需要研制试验观测目标的实物模型,构建空间目标可见光散射动态特性测试系统.通过模拟试验目标的空间在轨运行情况来逼近空间真实观测环境,对试验目标的可见光散射动态特性进行模拟与测试,进而与理论分析结果进行比较分析,以便对分析模型进行校验.

国内关于空间目标可见光散射特性的研究较多[1−6],但是针对空间目标可见光散射特性测试的研究较少,路大举等在实验室根据对双向反射分布函数测量系统的研究结果,设计了一套测量系统,包括功率计、斩波器、锁相放大器、前置放大器、能量监测和样品转台,由于实验条件的限制,采用光谱仪对光源进行分光来获得不同波长的入射光源[7].李雅男等在实验室搭建了测量典型几何体目标以及卫星缩比模型光学特性的实验装置,由模拟光源、实验支架、地面CCD相机系统组成,光源采用卤钨灯泡模拟太阳光[8].由于条件的限制和系统构成较为简单,上述测试系统很难获得被测目标全面而又准确的测量结果.北京207所目标与环境光学特征国防科技重点实验室构建了一套空间目标可见光散射特性测试系统,在室内利用与太阳光谱接近的氮灯做光源,利用大口径反射镜产生平行光模拟太阳光的照射,被测目标放置在可调整姿态的转台上,用CCD摄像机作为探测器采集被测目标在太阳光照射下的反射光强度图像,经过适当的图像处理得到卫星目标的散射特性数据.该系统首次实现了室内空间目标可见光散射特性的测试,但是无法实现空间目标可见光散射动态特性的测试[9].

上海宇航系统工程研究所根据实际应用需求,牵头研制了空间目标光学动态特性测试校验系统,可在实验室条件下模拟测量空间太阳辐照条件下不同目标运动和不同观测状态下的光散射特性.这一成果在为空间目标特性分析模型校验提供定量数据,为空间平台跟瞄系统研制提供设计依据,以及支撑空间试验任务规划方面均具有较好的借鉴意义.

1 空间目标可见光散射动态特性测试校验系统功能与组成

本节重点介绍空间目标可见光散射动态特性测试校验系统的功能与组成.

1.1 系统功能

所构建的空间目标可见光散射动态特性测试校验系统既可以进行空间目标可见光散射静态特性测试,也可以进行空间目标可见光散射动态特性测试,测试结果可用于对空间目标特性分析模型进行校验.

1.1.1 空间目标可见光散射静态特性测试

空间目标可见光散射静态特性测试用于对某个或某几个重点关注状态的目标可见光散射特性进行测试,以便在进行动态特性测试之前确认测试系统的工作状态是否正常,是否能够得到预期的测试结果.

空间目标可见光散射静态特性测试的功能:

在规定的观测方位角(−25◦∼+25◦)和俯仰角(−15◦∼+15◦)范围内,在规定的太阳照射方位角(50◦∼130◦)和俯仰角 (−35◦∼+35◦)范围内,能够模拟试验目标、太阳和探测器三者之间的特定组合状态,对试验目标模型的可见光散射特性进行测试.

1.1.2 空间目标可见光散射动态特性测试

空间目标可见光散射动态特性测试用于测试被测目标的可见光散射动态特性,主要功能如下.

1)地影区和光照区模拟:根据设定的太阳光照条件,利用太阳模拟器和姿态模拟系统模拟空间试验目标特定轨道的在轨地影区和光照区的光照情况,能够模拟太阳光照方位角和俯仰角的动态变化.

2)模拟跟踪飞行器观测方位角和俯仰角的动态变化:根据设定的目标飞行器在跟踪飞行器中的观测方位角和俯仰角组合规律,利用姿态模拟系统、测试轨道和周视测试车模拟观测方位角和俯仰角的连续变化.

3)光学动态特性测试:根据设定的太阳照射方位角和俯仰角的动态变化以及观测方位角和俯仰角的动态变化,对试验目标模型的光学动态特性进行连续测试.

4)光学动态特性校验:测试完毕后,利用测试结果对试验目标可见光散射动态特性分析模型进行校验.

1.2 系统组成

如图1所示,空间目标可见光散射动态特性测试校验系统由测试轨道、姿态模拟系统、太阳模拟器、周视测试车、可见光探测系统和中央控制管理系统组成.

测试轨道为半径为10.5m的半圆形轨道,周视测试车安装在测试轨道上,探测系统安装在周视测试车上,姿态模拟系统安装在半圆形轨道的圆心位置,太阳模拟器安装在与半圆形轨道圆心、测试轨道1的0◦和180◦三点连线上距圆心25m 处,中央控制系统安装在测试系统所在实验室不被太阳模拟器照射的位置.

通过太阳模拟器、运行在测试轨道上的周视测试车、姿态模拟系统三者之间的相对关系模拟空间太阳光、观测目标和探测平台3站之间的相对关系,包括太阳照射方位角和俯仰角、探测平台的观测方位角和俯仰角;利用可见光探测系统对置于姿态模拟系统上的试验目标进行成像,通过光学定标和处理软件获得试验目标可见光散射动态特性的测试结果.

1.2.1 测试轨道

图2为测试轨道及基础截面图,测试轨道采用立式圆弧板导轨形式,轨道直径21m,轨道范围大于180◦.通过中央控制系统的控制,周视测试车、探测系统、测试轨道三者模拟空间探测平台对试验目标的观测方位角变化.导轨上平面为周视测试车提供行走面,其余各面为周视测试车提供导向面,轨道上有大直径外齿,用于驱动周视测试车沿轨道行走.导轨置于槽形基础中,沟槽尺寸约:宽650mm,深700mm.当周视测试车不运行时,可用盖板将轨道基础槽覆盖,恢复试验室地面平整,也可保证轨道基础槽内部清洁及轨道安全.立式圆弧导轨板和焊接在预埋板上的调节垫块通过螺栓连接.

图1 空间目标可见光散射特性测试系统组成示意图

图2 测试轨道及基础截面图

1.2.2 姿态模拟系统

图3所示姿态模拟系统由底座、下圆弧运动机构、回转机构、上圆弧运动机构及模型支撑杆等组成,姿态模拟系统的下圆弧运动机构可以让试验目标绕其质心做俯仰旋转,与探测系统配合,模拟空间探测平台对试验目标的观测俯仰角变化.姿态模拟系统的回转机构和上圆弧运动机构可以让试验目标绕其质心做方位旋转和俯仰旋转,与太阳模拟器配合,模拟空间太阳对试验目标的照射方位角和俯仰角变化.

图3 姿态模拟系统

1.2.3 太阳模拟器

图4所示太阳模拟器由灯室、电源控制柜和准直反射镜三大部分组成,灯室内安装了氙灯、椭球聚光镜、平面反射镜、光学积分器、电源触发器以及散热系统.准直反射镜直径米,镜面与光中心轴线水平偏转8◦,它把入射光线准直后出射模拟阳光,光斑均匀区直径在距镜面27.5m处为3200mm,用于对直径3m以下的试验目标在实验室内模拟测试空间阳光照射下的光学散射.

图4 太阳模拟器

1.2.4 周视测试车

图5所示周视测试车安装在半径为10.5m的半圆形测试导轨上,中央控制系统控制周视测试车在半圆形导轨上运动,可以在−90∼90◦范围内运动(除去被太阳模拟器照射的位置).周视测试车上有升降、方位、俯仰机构,其上承载探测系统,通过中央控制系统控制探测系统对准试验目标质心所在位置.

图5 周视测试车

1.2.5 探测系统

图6所示探测系统采用可见光成像敏感器,用于对试验目标进行成像,通过光学定标和中央管理控制系统中的处理软件进行处理,获得试验目标在不同太阳照射角和不同观测角度下的可见光散射特性.

图6 探测系统

1.2.6 中央控制系统

图7所示中央控制系统由试验数据库、试验控制管理子系统、数据采集子系统、数据处理子系统和监视子系统组成.试验数据库用于存储过程产生的所有数据,其中包括设备库、材料库、目标库、模型库等,可完成数据库的录入、浏览、删除、关联等.试验控制管理子系统由管理软件和相应的硬件平台组成,控制测量设备自动化完成测试过程.数据采集处理子系统包括采集设备和采集控制软件,完成测量信号的采集、记录、处理及结果的实时显示,并对采集图像进行二次编码,叠加试验记录信息.监视子系统采用室内球型摄像机,对试验设备及其运行过程进行实时监视,用于保护设备和异常数据的分析.

图7 中央控制系统

2 空间目标可见光散射动态特性测试校验系统主要技术指标

空间目标光学动态特性测试校验系统的主要技术指标如表1所示.

表1 空间目标光学动态特性测试校验系统主要技术指标

3 空间目标可见光散射动态特性测试校验系统特点

空间目标光学动态特性测试校验系统填补了八院在空间目标光学动态特性测试方面的空白,该系统现为我国最先进的室内可见光散射动态特性测试系统,具有以下4大特点:

1)系统集成性.集成了光(太阳模拟器、可见光成像探测系统)、机(半圆形测试导轨、周视测试车、六自由度姿态模拟系统)、电(中央控制管理系统)3种设备.

2)系统先进性.研制出国内第一个用于光学测量的六自由度姿态模拟系统,无遮挡,可模拟大范围太阳照射角 (方位−135◦∼135◦,俯仰−42.5◦∼42.5◦)和观测角 (俯仰−25◦∼25◦、方位−31◦∼31◦);采用标准光源、标准板、照度计、光学衰减系统对系统进行了标定,置信度高;只要被测目标最大包络不超过3m,均可在本系统完成可见光散射特性的测试,适应性强.

3)高效全自动.设置好试验任务和工况后,自动完成测试,因干扰造成中断,可保留之前工作状态,恢复正常后可继续进行之前的测试.

4)系统可拓展.可以对不同空间在轨试验任务的试验目标的可见光散射特性进行测试,获得可靠的可见光散射特性数据,为空间在轨试验任务规划提供合理建议,为可见光探测敏感器的研制提供设计依据;可扩展用于可见光探测敏感器对空间试验目标的绕飞观测以及对非合作目标的三维重建等;可增加激光发射与探测系统,对试验目标激光散射特性进行测试与校验;可增加紫外发射与探测系统,对试验目标紫外散射特性进行测试与校验;可增加红外发射与探测系统,对试验目标红外辐射特性进行测试与校验;可根据需求,为不同单位试验目标可见光散射特性提供测试服务.

4 结束语

本文构建的空间目标可见光散射动态特性测试校验系统,通过研制试验观测目标实物模型,模拟试验目标的空间在轨运行,可模拟大范围太阳照射角(方位−135◦∼135◦,俯仰−42.5◦∼42.5◦)和观测角 (俯仰−25◦∼25◦、方位−31◦∼31◦),自动实现试验目标可见光散射动态特性的测试.相对于仅靠理论建模和仿真分析的模拟和测试方式,更接近空间真实观测环境,结果更有参考价值,对可见光探测敏感器的设计与研制、空间在轨试验任务的规划与开展具有重要意义.