一種星敏感器光機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計與雜光分析

趙雨時，付躍剛，歐陽名釗，王加科

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

一種星敏感器光機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計與雜光分析

趙雨時，付躍剛，歐陽名釗，王加科

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

星敏感器是航天器實現(xiàn)高精度測量的重要組成部分，其姿態(tài)測量精度和指向精度都可以精確到角秒級。星敏感器的靈敏度很高，外界因素容易影響星敏感器測量的精度，雜光對星敏感器高精度測量的影響程度最大。根據(jù)應用指標，進行了一種改進型卡塞格林光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計，并通過模擬仿真，對系統(tǒng)的消雜光結(jié)構(gòu)進一步實現(xiàn)了優(yōu)化設計。利用增加主遮光罩葉片外傾角度、設計消光螺紋、加遮光筒長度、加大遮光筒直徑等方式，完善星敏感器光學級系統(tǒng)自身的消雜光能力。最后進行整個光機系統(tǒng)的雜散光仿真分析，驗證優(yōu)化設計后的星敏感器光機系統(tǒng)符合應用要求。

星敏感器；雜散光；遮光系統(tǒng)

星敏感器是以恒星位置作為基準為航天器提供慣性坐標系下三軸姿態(tài)的測姿態(tài)敏感器，是航天飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。星敏感器對光的敏感度非常高，是一個弱光光學系統(tǒng)［1］。由于星敏感器一般應用在溫度、氣壓條件極端的高空環(huán)境，同時，星敏感器光學系統(tǒng)口徑較小，接收的定位光源均為來自遙遠太空的恒星，光強極弱。在設計過程中，必須充分考慮星敏感器光機結(jié)構(gòu)和應用材料對工作環(huán)境的適應能力，并且星敏感器成像光學系統(tǒng)容易受到來自星空背景中雜散光的影響，引起像質(zhì)模糊和對比度下降，所以要提高系統(tǒng)雜光抑制的能力必須要結(jié)合系統(tǒng)自身的光學性質(zhì)來進行。本文研究的星敏感器光學系統(tǒng)，是一種改進型卡塞格林光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由主鏡、次鏡反射鏡和兩片透鏡組成的［2］。為降低加工和檢測成本，主次鏡均為球面，未選擇非球面鏡。用附加透鏡組的方式校正像差。

1 光機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

1.1 主鏡固定方式研究

在光機系統(tǒng)實際應用過程中，成像效果會受到主鏡因自重產(chǎn)生變形導致主鏡面型改變的影響。所以在結(jié)構(gòu)設計中應盡可能的采用柔性結(jié)構(gòu)，以緩解主鏡由于自重變形產(chǎn)生的影響。同時，星敏感器光學系統(tǒng)的工作環(huán)境是自然環(huán)境，由于外界環(huán)境溫度的改變，主鏡與結(jié)構(gòu)材料的熱膨脹系數(shù)不一致，使主鏡面型因內(nèi)部熱應力受到破壞，引起變形［3］。所以在設計時也要考慮熱應力的影響。由于星敏感器實際工作載體是飛行器，從地面到天空要經(jīng)歷飛行器起飛降落的沖擊、震動以及飛行時的低溫、低壓等環(huán)境的考驗，這些都會使構(gòu)件的疲勞應力加劇，使主鏡產(chǎn)生相對位移，改變光路，成像效果下降，甚至無法成像，所以固定主鏡的結(jié)構(gòu)必須具有較強的剛性［4］。在結(jié)構(gòu)設計中，構(gòu)件的柔性和剛性是一對矛盾體，怎樣解決這對矛盾，是結(jié)構(gòu)設計中的一個難點。

為確保不同環(huán)境下光機系統(tǒng)能夠適應環(huán)境正常工作，主鏡固定方式采取外框式固定方式，結(jié)構(gòu)如圖1所示。主鏡固定在鏡座上，在鏡座與主鏡之間加入0.2～0.3mm厚的膠層，可以使金屬與玻璃之間因膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的應力得到控制，使機械振動對主鏡的影響降低［5］。另外，在主鏡的邊緣用三個定位塊固定主鏡，限制主鏡的軸向位移。修切定位塊，使定位塊端面主鏡貼合，并且沒有附加應力作用在主鏡上。

圖1 主鏡固定結(jié)構(gòu)

在這個結(jié)構(gòu)中，鏡座作為整個系統(tǒng)的連接支撐構(gòu)件，具有很好的剛性，主鏡與鏡座徑向之間的膠層具有一定的柔性。這樣，當系統(tǒng)在工作時，很好地消除了由于主鏡自重所產(chǎn)生的變形，也減少了震動和溫度變化對主鏡的影響。

在主鏡的外緣增加凸臺，然后采用定位塊固定主鏡。調(diào)試時，根據(jù)主鏡凸臺的實際尺寸修正定位塊尺寸，使定位塊與主鏡凸臺之間的間隙控制在± 0.005mm之間，減小定位塊對主鏡的壓力，消除定位塊預緊時給主鏡帶來的變形，也是減小主鏡變形的有效措施。

1.2 次鏡支架的設計

次鏡的光學特性非常敏感，其光學間隔即使出現(xiàn)微小偏離，都會造成十分嚴重的影響，光學系統(tǒng)的中心遮攔大小與次鏡支架大小密切相關。因此，應嚴格控制次鏡的支承結(jié)構(gòu)尺寸，以確保在實際應用中光機系統(tǒng)的成像質(zhì)量。次鏡支架的材料上應該選擇輕質(zhì)材料，并且要求材料的膨脹率低、比剛度高。

本系統(tǒng)的主鏡口徑為75mm，相對來說口徑很小，主次鏡之間的距離小于200mm，距離也很小，為了減少加工的難度，使結(jié)構(gòu)簡單，采用桁梁結(jié)構(gòu)作為次鏡支架的設計方案。主鏡座和次鏡座通過次鏡支架直接聯(lián)接起來，可以大大減輕光機系統(tǒng)重量，在實際應用中意義重大［6］。本系統(tǒng)次鏡支架的示意圖如圖2所示。

圖2 次鏡支架結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到與主鏡固定結(jié)構(gòu)的材料匹配以及材料性能、重量等因素，次鏡支架座采用ZTC4合金。對整個光機系統(tǒng)進行輕量化設計，便于儀器的使用。初步估算，儀器總重量為2.5kg。

2 改進型卡式樣機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計結(jié)果

2.1 次鏡固定結(jié)構(gòu)及第三鏡組的設計

系統(tǒng)的次鏡是由一塊反射鏡和兩塊透鏡組成，所以在設計次鏡固定結(jié)構(gòu)時，作為整體考慮。次鏡的固定結(jié)構(gòu)如圖3所示。次鏡前部設有消雜光光闌。次鏡固定結(jié)構(gòu)的材料也采用TC4合金。

圖3 次鏡固定結(jié)構(gòu)圖

第三鏡組包含一塊濾光片，一塊衰減片，并且要求濾光片和衰減片可更換。并且第三鏡組還要留有與探測器的接口。根據(jù)這個要求，第三鏡組的結(jié)構(gòu)如圖4所示。第三鏡組上也設有消雜光光闌。

圖4 第三鏡組結(jié)構(gòu)圖

總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。對整個光機系統(tǒng)進行輕量化設計，便于儀器的使用。初步估算，儀器總重量為2.5kg。經(jīng)過光路的優(yōu)化設計，連同結(jié)構(gòu)初步設計結(jié)果，儀器整體尺寸不超過體積φ115×165mm。

圖5 改進型卡式系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 光機系統(tǒng)的溫度與氣壓分析

圖6 0℃～30℃情況下的彌散斑和能量分布

由圖6分析可知在0℃～30℃范圍內(nèi)，彌散斑變化不大，中心視場RMS半徑變?yōu)?.1μm，邊緣視場RMS半徑變?yōu)?.7μm半徑，彌散斑半徑均小于艾里斑。在11μm以內(nèi)能量分布均大于85%。將系統(tǒng)處于0.8個大氣壓，0.6個大氣壓，0.4個大氣壓及0.2個大氣壓的情況下，分析系統(tǒng)的點列圖及能量分布變化如圖7所示。

圖7 0.8～0.2個大氣壓下的彌散斑及能量分布

由圖7分析可以看到在0.2～1個大氣壓范圍內(nèi)，彌散斑RMS半徑變?yōu)?.41μm小于艾里斑半徑；在半徑11μm內(nèi)，能量分布在85%以上。

3 光機結(jié)構(gòu)仿真及雜光分析

根據(jù)改進型卡塞格林光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的Solid-Works設計文件以及ZEMAX文件，通過FRED軟件完成真?zhèn)€光機系統(tǒng)的光學結(jié)構(gòu)及機械結(jié)構(gòu)的建模，如圖8所示。所有機械表面選擇了與機械結(jié)構(gòu)涂黑色消光漆效果相似的方法，設置了類型為Flat Black Paint的散射表面，這種表面散射類型在正入射時與Lambertian散射模型類似，入射角度很大時，會出現(xiàn)部分能量鏡面反射的現(xiàn)象［7］。

圖8 光學系統(tǒng)建模圖及機械建模圖

在仿真過程中建立許多不同波段的光源，這些光源均為單色光源。讓入射光線以不同入射角度入射。可以對由系統(tǒng)入口處進入，經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)表面的多次反射、折射到達像面處的雜散光進行分析。根據(jù)要求，定義光線追跡入射角度為30°的格柵型光源，設置總能量為100000W，進行追跡光線數(shù)目為1000×1000條。結(jié)構(gòu)在像面上得到的照度如圖3.2所示。

圖9 像面照度圖

探測像面上接收到的能量為:1.037×10-5W；消光比為:0.964×10-10；像面總平均照度為:1.779× 10-5lx；非零單元的平均照度:0.0001046434911374lx；最大照度:0.004920272645933lx；入瞳處平均照度: 8.841941433lx。

改進卡塞格林型結(jié)構(gòu)由于沒有一次像面，內(nèi)置焦點，所以為了消除其一次雜光，分別在主鏡的中心孔與次鏡的外圍加設了遮光筒，并在其內(nèi)壁及整機內(nèi)壁涂消光漆設置消光螺紋。但同時也將原有的遮攔比0.4增加到了0.5。

要減少雜光的影響，可以降低雙向反射分布系數(shù)BRDF的值，即在光機系統(tǒng)內(nèi)表面涂一層吸光材料。降低幾何構(gòu)成因子GCF的值，則需要在系統(tǒng)內(nèi)外設計遮光部件［8］。綜合本文所研究的光學系統(tǒng)，采用加強內(nèi)、外遮光罩遮光性能的方法來降低雜光的影響。內(nèi)遮光罩可以阻擋直接到達像面的一級雜光；外遮光罩為了防止主鏡被視場外雜光源直接照射。為了增強遮光效果，在遮光罩內(nèi)加入擋光環(huán)增加雜光在系統(tǒng)內(nèi)的反射次數(shù)。

遮光結(jié)構(gòu)改進如下:

（1）增加主遮光罩上葉片的傾斜角度，增加軸外雜光入射到內(nèi)壁上的反射次數(shù)，利用機械表面的吸光涂層對雜散光進行有效吸收，如圖10所示。

圖10 主遮光筒內(nèi)壁的傾斜葉片

（2）加大次鏡的遮光筒口徑，將半口徑擴大為26.3mm。是攔截一次雜光的作用增強。

（3）增加內(nèi)遮光筒的長度，在遮光筒的內(nèi)外壁上設置消光螺紋。并且將內(nèi)遮光筒在底座上的直徑增大，形成帶有起錐角的圓臺形，如圖11所示。

圖11 帶消光螺紋的內(nèi)遮光罩

在光機系統(tǒng)完成針對于消雜光的結(jié)構(gòu)設計后，新的光機系統(tǒng)如圖12所示。利用FRED軟件對改進后的光機系統(tǒng)模型進行建模分析。軟件仿真分析得出，入射像面光能量為3.12×10-13W；像面的峰值照度可達到5.72×10-12lx。

圖12 二次消雜光設計建模

再利用Light-Tools軟件，設定光線追跡條件，如表1所示。再對整個優(yōu)化后的光機系統(tǒng)進行對比建模分析。

表1 光線追跡條件

Light-Tools模擬輸出結(jié)果如圖13所示。像面照度如圖14所示。入射像面的總能量為3.3×10-13W；峰值照度為6.32×10-12lx。

圖13 Light-Tools輸出結(jié)果

圖14 像面照度圖

繼續(xù)增加入射光線數(shù)目來驗證光線追跡結(jié)果的穩(wěn)定性，如表2所示。

表2 光線追跡條件

輸出結(jié)果如圖15所示，得到像面上的照度如圖16所示:入射像面總能量為2.98W；峰值照度為5.21×10-12lx。

圖15 輸出結(jié)果

兩款仿真軟件光線追跡結(jié)果表明，雜光入射量基本穩(wěn)定在3e-13W量級上，消光系數(shù)達到10-13量級。軟件中建模已按照太陽入射角30°范圍設置，所以可對太陽光進行30°規(guī)避。當太陽光在入瞳處的入射總能量為1W時，其照度為1.09e-4W/mm2，在像面上形成的雜光峰值照度約為6e-12W/mm2，三等星在入瞳處的照度約為1.09e-16W/mm2，當透過率按照54%，所壓像元為2×2pixels，像元大小為16μm時計算在像面上的照度約為5.27e-10W/mm2，因此三等星的像點照度要比太陽雜光的照度高出2個數(shù)量級，滿足該系統(tǒng)對星觀測要求。

4 結(jié)論

本文對一種星敏感器光機系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設計，該系統(tǒng)采用改進型卡塞格林光學結(jié)構(gòu)。針對設計的星敏感器光機結(jié)構(gòu)進行仿真分析，提出進一步消雜光的結(jié)構(gòu)設計，如增加主遮光罩葉片外傾角度，設計消光螺紋，加遮光筒長度，加大遮光筒直徑等方式，完善星敏感器光學級系統(tǒng)自身的消雜光能力。利用Light-Tools軟件對系統(tǒng)進行了整機的仿真建模分析，仿真結(jié)果表明經(jīng)過雜光優(yōu)化設計后的星敏感器達到使用要求。

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Optical Analysis of A Star Sensor Optical System Design and Miscellaneous

ZHAO Yushi，F(xiàn)U Yuegang，OUYANG Mingzhao，WANG Jiake
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Star sensor is an important part of high precision measurement of spacecraft，and the measurement accuracy and pointing precision of star sensor can be accurate to the second stage.The sensitivity of star sensor is very high，

star sensor；stray light；shading syst

TH74

A

1672-9870（2016）05-0030-05

2016-07-15

趙雨時（1987-），男，博士研究生，助理實驗師，E-mail:181973115@qq.com

and the external factors are easy to affect the accuracy of star sensor measurement，and the influence of stray light on the high precision measurement of star sensor is the most.According to the application of indicators，to a improved structure design of Cassegrain optical system，and through the simulation，the system of stray light structure to further optimize the design.Increasing the utilization of Lord hood blade camber angle，extinction design thread，with light shading barrel length，increase the shading cylinder diameter，improve star sensor's optical system level its stray light. Finally the stray light simulation of the whole optical system level analysis，show that the optimization design of star sensor opto mechanical system to meet application requirements.