唐 杰,蔡 盛,喬彥峰

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長春 130033)

行星光學(xué)遠(yuǎn)程著陸模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐 杰*,蔡 盛,喬彥峰

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長春 130033)

為了實(shí)現(xiàn)對行星光學(xué)遠(yuǎn)程著陸過程的光學(xué)模擬以及滿足行星光學(xué)遠(yuǎn)程著陸系統(tǒng)導(dǎo)航算法的地面測試需求，提出了以商用投影儀顯示系統(tǒng)為基礎(chǔ)的模擬器光學(xué)系統(tǒng)方案，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)思想，并給出了設(shè)計(jì)結(jié)果。首先，介紹了模擬器的工作原理和系統(tǒng)組成，在此基礎(chǔ)上，由技術(shù)要求及所選擇的投影儀和CCD參數(shù)確定了投影鏡頭和成像鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)，最后給出了投影鏡頭、成像鏡頭及系統(tǒng)對接的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖，像差曲線、點(diǎn)列圖和MTF曲線圖。仿真分析結(jié)果表明：系統(tǒng)的點(diǎn)列圖中的彌散斑對稱性都很好，有利于模擬器系統(tǒng)的后續(xù)圖像處理和判讀，同時(shí)系統(tǒng)在Nyquist頻率(91 lp/mm)處的MTF設(shè)計(jì)值接近0.6，系統(tǒng)整體成像性能良好。設(shè)計(jì)結(jié)果可作為研制行星光學(xué)遠(yuǎn)程著陸模擬器系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

模擬器；光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；光學(xué)遠(yuǎn)程著陸

1 引言

隨著人類社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，深空探測已成為空間科學(xué)研究的重要內(nèi)容，行星探測則是目前深空探測所關(guān)注的重點(diǎn)，一直受到各國家和航天機(jī)構(gòu)的支持，行星探測的次數(shù)和任務(wù)規(guī)劃相比于其它深空探測的對象也是最多的。早期行星探測的主要方式是飛越和繞飛，隨著技術(shù)進(jìn)步以及為了對目標(biāo)行星進(jìn)行實(shí)地考察和采樣，著陸方式的行星探測已成為主要探測方式選擇。

由于目標(biāo)行星與地球的距離遙遠(yuǎn)，導(dǎo)致地面測控站所發(fā)出的測控信息的傳輸出現(xiàn)大時(shí)滯，難以實(shí)現(xiàn)對著陸過程進(jìn)行實(shí)時(shí)測控。同時(shí)，由于存在初始確定誤差以及慣性測量單元常值漂移偏差，采用慣導(dǎo)單元的導(dǎo)航方式存在累計(jì)誤差無界的缺陷，最終帶來落點(diǎn)偏差過大的結(jié)果(落點(diǎn)誤差橢圓半徑均在100～300 km的量級)，很難滿足未來行星表面精確著陸任務(wù)的需求。因此，有必要發(fā)展新一代的基于光學(xué)測量的高度自主導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)行星表面精確著陸［1-4］。

在基于光學(xué)測量的高度自主導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)的研究過程中，為保證光學(xué)遠(yuǎn)程著陸系統(tǒng)的整體性能，必須對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)而準(zhǔn)確的測試和驗(yàn)證，受到測試條件以及測試手段的限制，常規(guī)地面測試只能對成像系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)、性能進(jìn)行簡單的測試，若想對成像效果以及算法進(jìn)行測試需要提供目標(biāo)的動態(tài)圖像，即利用“星模擬器”對“星敏感器”在地面進(jìn)行檢測標(biāo)定。關(guān)于星敏感器及星模擬器的研究在國內(nèi)開展的較為廣泛，目前主要集中在如何實(shí)現(xiàn)大視場星敏感器及高精度地面標(biāo)定技術(shù)，采用新型光源的星模擬器等方面［5-14］。為實(shí)現(xiàn)對光學(xué)遠(yuǎn)程自主著陸系統(tǒng)的模擬并進(jìn)行算法驗(yàn)證，本文采用了一種以商用投影儀顯示系統(tǒng)為核心部件的模擬器方案，根據(jù)模擬器的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種透射式投影鏡頭，其出瞳位于光學(xué)系統(tǒng)的外部，出射光線為平行光出射，以方便與相應(yīng)的成像鏡頭光學(xué)對接，系統(tǒng)光譜范圍為可見光。

2 工作原理

行星光學(xué)遠(yuǎn)程著陸模擬器主要由圖像模擬生成系統(tǒng)和圖像接收處理系統(tǒng)組成(見圖1)，其中圖像模擬生成系統(tǒng)擬在成熟的商用投影儀基礎(chǔ)上，采用重新設(shè)計(jì)的投影鏡頭，以數(shù)字微鏡陣列(Digital Micro-mirror Device，DMD)作為動態(tài)景象生成器，將其投影到無窮遠(yuǎn)處，即模擬無窮遠(yuǎn)目標(biāo)(遠(yuǎn)程著陸)。圖像接收系統(tǒng)利用成像鏡頭對圖像模擬生成系統(tǒng)形成的模擬目標(biāo)進(jìn)行成像，通過CCD采集和圖像采集卡將圖像存儲在PC機(jī)上，并進(jìn)行解算。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Components of system

3 技術(shù)要求及指標(biāo)分析

3.1 技術(shù)要求

行星光學(xué)遠(yuǎn)程著陸模擬器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則實(shí)現(xiàn)對行星遠(yuǎn)程自主著陸過程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)對自主著陸導(dǎo)航算法進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)行星光學(xué)遠(yuǎn)程自主著陸系統(tǒng)的規(guī)劃，對模擬器系統(tǒng)的主要要求如下：

(1)模擬器系統(tǒng)畸變測試優(yōu)于千分之一；

(2)行星著陸遠(yuǎn)程光學(xué)環(huán)境成像分辨率不小于1 024×1 024；

(3)探測目標(biāo)星等優(yōu)于5等星；

(4)遠(yuǎn)程光學(xué)環(huán)境圖像分辨率不小于1 280× 768；

(5)遠(yuǎn)程光學(xué)環(huán)境圖像對比度不小于5 000∶1；

(6)行星遠(yuǎn)程著陸光學(xué)模擬設(shè)備通光孔徑不小于直徑60 mm。

3.2 指標(biāo)分析

為滿足3.1中(4)和(5)的要求，選用優(yōu)派投影儀7820HD，其標(biāo)配鏡頭和DMD參數(shù)如下：

(1)焦距(實(shí)測值)：19.2～25.7 mm；

(2)F數(shù)：2～2.57；

(3)鏡頭安裝基面距DMD距離(實(shí)測)：37 mm；

(4)型號：0.65”LVDS S600 1080p；

(5)分辨率：1 920×1 080；

(6)像元大?。?.5 μm；

(7)偏移量：120%。

根據(jù)3.2中(2)的要求，選擇的CCD相機(jī)參數(shù)如下：

(1)像元大?。?.5 μm；

(2)分辨率：1 024×1 024；

(3)接口類型：C口。

根據(jù)所選擇的投影儀和CCD相關(guān)參數(shù)，以及3.2中(6)的要求，可以確定投影鏡頭的主要光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)如下：

(1)入瞳直徑：60 mm；

(2)焦距：150 mm；

(3)視場：像高大于12 mm；

(4)后工作距BFL：大于40 mm。

其中視場的確定依據(jù)是DMD的大小及偏置放置，如圖2所示，由于DMD是偏置放置，同時(shí)考慮到投影鏡頭的安裝方便，將投影鏡頭的視場范圍規(guī)劃為以投影儀標(biāo)配鏡頭的中心，即O點(diǎn)為軸上點(diǎn)，投影儀的視場可由式(1)計(jì)算得到。

此時(shí)，可將投影鏡頭整體傾斜一定角度來實(shí)現(xiàn)成像鏡頭與投影鏡頭的對接，相應(yīng)的成像鏡頭的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

圖2 DMD偏置示意圖Fig.2 Schematic diagram of offset of DMD

(1)入瞳直徑：40 mm；

(2)焦距：110 mm；

(3)視場：像高大于2.816 mm；

(4)后工作距BFL：大于17.526 mm。

4 光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果

4.1 投影鏡頭

根據(jù)上述投影鏡頭的主要光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，選擇雙高斯為基本結(jié)構(gòu)型式［15-17］，考慮到方便和成像鏡頭的光學(xué)對接，將標(biāo)準(zhǔn)雙高斯的光闌位置由中間調(diào)整到最前面，這樣就破壞了雙高斯鏡頭原有的對稱性，為了有利于像差的校正，加入了兩個(gè)單片，最終的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 投影鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Optical system of projective lens

圖4為投影鏡頭的像差曲線，球差和軸向色差都不大，1.0視場以內(nèi)的像散和場曲都很小，全視場基本無畸變。

圖5為投影鏡頭的光學(xué)傳遞函數(shù)(MTF)曲線，計(jì)算的波長為486.1、587.6、656.3 nm，權(quán)重1∶1∶1，空間頻率0～70 lp/mm，設(shè)計(jì)值接近衍射極限。圖6為系統(tǒng)的點(diǎn)列圖，0.85視場內(nèi)星點(diǎn)的形狀對稱性都很好。

圖4 投影鏡頭像差曲線Fig.4 Aberration curves of projective lens

圖5 投影鏡頭光學(xué)傳遞函數(shù)曲線圖Fig.5 Modulation transfer function curves of projective lens

圖6 投影鏡頭點(diǎn)列圖Fig.6 Spot diagram of projective lens

4.2 成像鏡頭

成像鏡頭選擇與投影鏡頭類似的結(jié)構(gòu)型式，由于它的視場較投影鏡頭要小，在雙高斯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上只增加了1個(gè)單片就實(shí)現(xiàn)了像差的校正，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 成像鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Optical system of imaging lens

圖8為成像鏡頭的像差曲線，球差和軸向色差都不大，1.0視場以內(nèi)的像散和場曲都很小，全視場基本無畸變。

圖8 成像鏡頭像差曲線Fig.8 Aberration curves of imaging lens

圖9為成像鏡頭的MTF曲線，計(jì)算的波長同投影鏡頭，空間頻率0～100 lp/mm，MTF值均在0.6以上。圖10為系統(tǒng)的點(diǎn)列圖，1.0視場內(nèi)星點(diǎn)的形狀對稱性都很好。

圖9 成像鏡頭光學(xué)傳遞函數(shù)曲線圖Fig.9 Modulation transfer function curves of imaging lens

圖10 成像鏡頭點(diǎn)列圖Fig.10 Spot diagram of imaging lens

4.3 投影鏡頭與成像鏡頭對接

根據(jù)3.2中的分析，由于DMD的偏置，為了實(shí)現(xiàn)成像鏡頭整體傾斜2.085°，實(shí)際上DMD的分辨率大于模擬器系統(tǒng)要求的環(huán)境圖像分辨率，該傾斜角度可隨著實(shí)際使用的DMD區(qū)域進(jìn)行微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)CCD像素點(diǎn)與DMD像素點(diǎn)的一一對應(yīng)。整個(gè)模擬器光學(xué)系統(tǒng)圖如圖11所示。

圖11 模擬器光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.11 Optical system of simulator

圖12為模擬器系統(tǒng)的MTF曲線，計(jì)算的波長同投影鏡頭，空間頻率0～100 lp/mm，MTF值均在0.5以上。圖13為系統(tǒng)的點(diǎn)列圖，視場內(nèi)星點(diǎn)的形狀對稱性都很好，有利于后續(xù)圖像處理。并且光線追跡結(jié)果表明，由DMD發(fā)出的圖像成像在CCD上的實(shí)際位置與理想位置最大偏離量為3.8 μm，小于1個(gè)像素，相對畸變小于1%，滿足3.1中(1)的要求。

圖12 模擬器光學(xué)傳遞函數(shù)曲線圖Fig.12 Modulation transfer function curves of simulator

圖13 系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.13 Spot diagram of simulator

5 結(jié)論

本文以實(shí)現(xiàn)行星光學(xué)遠(yuǎn)程著陸模擬為出發(fā)點(diǎn)，介紹了模擬器的工作原理，提出了以商用投影儀顯示系統(tǒng)為基礎(chǔ)的模擬器光學(xué)系統(tǒng)方案，分析了系統(tǒng)技術(shù)要求并進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)分析，給出了投影鏡頭、成像鏡頭及系統(tǒng)對接的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖，像差曲線、點(diǎn)列圖和MTF曲線圖表明，模擬器光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能良好，模擬器系統(tǒng)在Nyquist頻率處91 lp/mm的MTF設(shè)計(jì)值接近0.6，設(shè)計(jì)結(jié)果可作為研制行星光學(xué)遠(yuǎn)程著陸模擬器系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

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Optical system design of simulator for autonomous landing on planets based on optical navigation

TANG Jie*，CAI Sheng，QIAO Yan-feng
(Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China)

In order to realize the simulation of autonomous landing on planets based on optical navigation and to satisfy the need of ground-based testing for system navigation algorithms，a scheme of simulator based on commercial projector′s projection system is suggested.The idea of optical system design are described especially and the design results are given.First，the working principle and components of system are introduced. Then the optical specifications of projective lens and imaging lens are fixed based on the simulator′s technology demands，projector and CCD selected.Finally，the optical system layouts，aberration curves，spot diagrams and modulation transfer functions(MTF)are showed.Simulation results indicate that the symmetry of spot diagrams is well to satisfy the demand of image processing and judgments，and the design value of MTF is close to 0.6 at the Nyquist frequency(91 lp/mm)and the imaging performance of system is good.The design results can be used for the following manufacture of simulator for autonomous landing on planets based on opticalnavigation.

simulator；optical system design；autonomous landing based on optical navigation

V448.22；TP394.1；TH703

A

10.3788/CO.20140706.0962

2095-1531(2014)06-0962-07

唐 杰(1964—)，男，吉林長春人，研究員，主要從事光電測量技術(shù)方面的研究。E-mail：13943196096@139.com

蔡 盛(1983—)，男，湖北武穴人，博士，副研究員，主要從事光電測量及靶場光學(xué)成像測量方面的研究。E-mail：cais-ciomp@hotmail.com

喬彥峰(1962—)，男，吉林長春人，研究員，主要從事光電測量技術(shù)方面的研究。E-mail：qiaoyf@ciomp.ac.cn

2014-08-21；

2014-10-19

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(No.2012CB720000)

*Corresponding author，E-mail：13943196096@139.com