静态星模拟器准直光学系统设计

陈娜，王凌云，李光茜，崔贺，张润泽

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

星敏感器是一种空间检测设备，主要检测和解算在不同位置的恒星，然后将准确的方位和基准传送给卫星、航空飞船和洲际战略导弹等航空航天飞行器［1］。星敏感器和惯性陀螺具有相同的特点，都可实现自主导航，有着不可或缺的应用价值。与其它的航空航天姿态敏感器比较，星敏感器是最为精准的姿态敏感器［2］。星模拟器是一种用来检测和标定星敏感器的地面测试设备［3］。从星图的显示效果进行划分，星模拟器主要分为静态星模拟器和动态星模拟器［4］。静态星模拟器称之为标定型星模拟器［5］，通常由点光源和一系列滤光片组成，星图是固定不变的，为了模拟不同天区的星图，需要更换不同的星点板。动态星模拟器称之为功能型星模拟器［6］，其星图是实时可变的，主要根据姿态与仿真计算机提供的四元数或欧拉角来确定光轴指向，从而将与光轴指向夹角小于半视场角的导航星提取出来，经过坐标转换，在计算机软件上显示出来。当姿态仿真计算机提供的四元数和欧拉角发生变化时，模拟星图也随之发生改变。本文主要针对静态星模拟器中的准直光学系统进行研究，提出了一种静态星模拟器对“无穷”远处恒星进行高精度模拟的光学系统设计方案。通过对产生的各像差曲线进行像质分析表明，该光学系统实现了对“无穷”远处恒星的高精度模拟要求。

1 静态星模拟器工作原理及组成

静态星模拟器对星间角距的测量非常严格，其中星间角距表示的是星敏感器对星模拟器的辨识程度［7］。星图的显示主要是通过背光板照亮放在准直光学系统焦平面处刻有若干个微光透孔的星点分划板，由这些星点产生的光经过准直光学系统后，以平行光的形式出射，在星敏感器的入瞳处构成一幅完整的星图。其中控制电路的作用主要是用来调节通过背光板的电流大小，从而改变星点分划板上星点的发光亮度，实现对恒星的星等模拟。同时为了减少杂散光对静态星模拟器测试精度的影响，光源首先需要通过滤光片，从而得到所需要的模拟光谱范围。

静态星模拟主要由头部（准直光学系统、星点分划板和背光板）、滤光片组件、电控部分组件（光源、电源以及电路盒）等部分组成，各部分的组成关系如图1所示。

图1 静态星模拟器各部分组成关系

2 光学系统设计

2.1 光学系统参数

在静态星模拟器中，星图的模拟精度受准直光学系统的影响。在对光学系统进行设计时，为了防止星模拟器到星敏感器这一传递过程中产生光能信息的损失，星敏感器的入瞳应与静态星模拟器的出瞳重合［8］，如图2所示。图中可以看出，星敏感器的入瞳位于光学系统的后侧，因此静态星模拟器光学系统需满足出瞳外置。

图2 光瞳衔接原则

为了使星敏感器和静态星模拟器在遮光罩内不发生相互运动，星模拟器的出瞳距为190 mm。为了避免光能量的损失，星模拟器的出瞳直径应比星敏感器的入瞳直径大，星模拟器的出瞳直径为65 mm。由于静态星模拟器为星敏感器的地面标定设备，根据星敏感器的使用要求，静态星模拟器的视场为10°。静态星模拟器中星点刻划直径为10 μm，单星张角≤8.3″，根据计算公式（1）光学系统焦距f为：

静态星模拟器准直光学系统指标参数如表1所示。

表1 光学系统技术指标参数

2.2 光学系统设计结果

光学系统的最终设计结果为：焦距248.989 mm，像高43.568 mm，后截距（像距）10.043 mm，系统总长470.131 mm，其光路图和光学结构数据如图3和表2所示。

图3 准直光学系统光路示意图

表2 光学结构数据

3 像质分析

通过ZEMAX软件平台实际设计出的静态星模拟器准直光学系统各像差曲线如图4-图7所示。在对其进行像质分析时，选择了三个波长，这三个波长分别是0.5 μm、0.65 μm和0.8 μm。

（1）场曲与畸变

图4为场曲与畸变曲线，左边表示的是场曲，右边表示的是畸变，场曲会对星点的清晰度产生影响，但对星点的形状不产生任何影响。畸变会对星点的位置精度和星点的形状产生影响，但对星点的清晰度不产生任何影响。从场曲曲线中可以得出，光学系统的全视场场曲均小于0.2 mm。从畸变曲线中可以得出，光学系统的最大畸变值为0.026 75%，达到了系统指标所要求的不超过0.05%，该准直光学成像质量良好。

图4 场曲与畸变

（2）点列图

图5为点列图，光学系统的成像优劣主要通过点列图中弥散斑的半径大小来进行判断［9］。图中选取了五个视场，分别为0°，1.5°，2.5°，3.5°，5°。从图中可以看出，最大RMS半径出现在视场为5°时，其值仅为3.489 μm，小于表1中提出的4 μm的弥散斑尺寸要求，满足准直光学系统的设计指标。该准直光学系统成像质量良好。

图5 点列图

（3）点扩散函数

图6为点扩散函数，描述的是光学系统对点源解析能力的函数，因为点源在经过任何光学系统后都会由于衍射而形成一个扩大的像点。通过测量系统的点扩散函数，能够更准确地提取图像信息。图中给出的是边缘视场为5°时的点扩散函数，由图可知，边缘视场的点扩散函数峰值较高并且尖锐。该光学系统成像质量良好。

图6 点扩散函数

4 测试数据

将刻划好的星点板放置在准直光学系统的焦平面处，以星点6作为中心点，使用徕卡经纬仪6100A进行测试，其星点板上各星点的位置分布、测试现场及经纬仪测试数据如图7、图8和表3所示。

图7 星点板星点位置分布

表3 经纬仪测试数据

图8 测试现场

根据计算公式（2）实际星间角距为：

5 结论

为了提高静态星模拟器对“无穷”远处恒星的模拟精度，主要针对星模拟器中的准直光学系统进行设计，首先介绍了静态星模拟器的工作原理和各部分组成之间的关系，然后根据星敏感器的地面测试要求，得出星模拟器准直光学系统设计指标参数，并通过ZEMAX软件平台对其进行设计。并对所产生的各像差曲线进行像质分析，结果表明所设计的光学系统具有高成像质量的特点。最后使用徕卡经纬仪6100A对放置在准直光学系统处的星点分划板进行测试，测试数据表明，各星点的星间角距优于10″，达到了对恒星高精度模拟的要求。