龔德鑄，趙春暉，張 琳，白 山，覃 波，馬云亮

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.中國電子科技集團公司第三十四研究所，桂林541004;3.中國電子科技集團公司第二十三研究所，上海200437)

0 引言

在太空交會對接任務中，交會對接光學成像敏感器是交會對接平移靠攏段從百米到對接完成唯一能夠同時進行位置和姿態(tài)六自由度測量的關鍵單機.它分為相機和合作目標兩部分.相機安裝在追蹤飛行器上，合作目標安裝在目標飛行器上，相機對合作目標成像，完成兩個飛行器相對位置和姿態(tài)的測量，為飛行器提供導航信息［1］9-10.

交會對接光學成像敏感器的測量體制有主動模式和被動模式兩種，相應照明系統(tǒng)的設計方案也有發(fā)光二級管(LED，light-emitting diode)照明、激光二極管(LD，laser diode)照明等方式，本文主要討論被動式交會對接光學成像敏感器LD照明系統(tǒng)的組成原理和應用特點，旨在完成大角度、遠距離、均勻照明的空間交會對接任務。

1 交會對接光學成像敏感器簡介

交會對接光學成像敏感器是一種位置和姿態(tài)測量敏感器，在測量原理上與星敏感器的主要區(qū)別是:星敏感器對恒星成像，經過圖像處理，根據已知星表信息，計算獲得衛(wèi)星姿態(tài);而交會對接光學成像敏感器對另一飛行器上安裝的合作目標成像，通過圖像處理，根據已知目標的位置和姿態(tài)特征計算獲得兩飛行器的相對位置和姿態(tài)［2］.

國內外主流交會對接光學成像敏感器如表1所示.國際上以美國 VGS/AVGS/NGAVGS、法國VDM、日本PXS等為代表產品.國內以北京控制工程研究所(BICE)研制的Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型交會對接光學成像敏感器為代表產品，其具備國際一流的技術水平，在測量精度、視場等方面有一定優(yōu)勢.

交會對接光學成像敏感器兩種測量模式如下:

1)被動目標測量模式:目標由角反射器或角反射器陣列組成，由位于相機一側的照明系統(tǒng)對其進行照明，角反射器把照明光沿原路反射，進入相機視場，完成測量任務.被動目標及其相機照明系統(tǒng)如圖1所示.照明器件可分為LED和LD兩種，照明方式可分為環(huán)形光源和同軸光源兩種.本文重點敘述

LD同軸照明方式.

圖1 被動目標及其相機照明系統(tǒng)Fig.1 Passive target and its camera lighting system

2)主動目標測量模式:目標自主發(fā)光，相機對其進行直接成像測量.主動LED目標及其相機如圖2所示.目標內部的照明器件可分為LED和LD兩種.

圖2 主動LED目標及其相機Fig.2 Active target and its camera

表1 國內外主流交會對接光學成像敏感器列表Tab.1 Mainstream camera-type rendezvous and docking sensor

在以上測量模式中，被動模式的敏感器包括國外典型敏感器、北京控制工程研究所的Ⅱ/ⅢCRDS;北京控制工程研究所首創(chuàng)Ⅰ型交會對接光學成像敏感器屬于主動模式，在軌表現優(yōu)異.

2 LD照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)是交會對接光學成像敏感器的重要組成部分，照明系統(tǒng)設計是否合理，不僅影響成像質量和測量精度，還影響產品的總功耗和總重量，功耗和重量也是航天產品的重要指標.

2.1 LD照明系統(tǒng)的組成

LD照明系統(tǒng)由激光二極管驅動單元(LDDU，laser diode driving unit)、照明光纖和半透半反鏡等組成，如圖3所示.

LDDU包括多個LD組件、恒流驅動電路、TEC(thermal energy converter)溫控電路、主體結構等部分.LDDU用來驅動LD發(fā)光，提供足夠的光功率對目標進行照明，并通過控制TEC使LD工作溫度保持在安全范圍內，保證其能夠可靠穩(wěn)定工作.LD溫控范圍一般在25℃左右，LD輸出光功率根據照明距離選擇為10～1 000 mW左右，LD光功率穩(wěn)定度優(yōu)于2%，LD波長為808 nm、850 nm兩種，光譜范圍±10 nm.

圖3 LD照明系統(tǒng)Fig.3 LD lighting system

照明光纖由光纖連接器、光纖耦合器、整形光纖、出光端法蘭等組成，如圖4所示.照明光纖主要通過光纖耦合器把多個LD發(fā)出的光束耦合到同一根光纖輸出，并通過整形光纖對耦合后的LD光束進行發(fā)散角和均勻性調整，以保證照明光源的發(fā)散角和均勻性滿足敏感器的成像需求.

圖4 照明光纖組成示意圖Fig.4 The composing of lighting optical fiber

半透半反鏡的作用為透射光源，且保證照明光源與相機光軸同軸，并將目標反射進入相機視場，本文不作重點描述.

2.2 LD性能和選擇

LD也稱半導體激光或泵浦固體激光器，具有以下優(yōu)點［3］，是作為交會對接光學成像敏感器照明光源的優(yōu)勢.

1)方向性好:普通光源(太陽、白熾燈等)發(fā)光方向呈散射分布，而激光的發(fā)光方向可以限制在小于幾個毫弧度立體角內，在照射方向上的照度提高千萬倍.

2)亮度高:激光是當代最亮的光源(能量高度集中).太陽光亮度大約是103W/(cm2·sr)，而一臺大功率激光器的輸出光亮度比太陽光高出7～14個數量級.

3)單色性好:光的顏色取決于其波長(頻率).普通光源通常包含多種波長，是各種顏色光的混合.而激光的波長可以控制在較窄的光譜波段或頻率范圍內，如氦氖激光的波長為632.8 nm，波長變化不到萬分之一納米.

LD是整個照明系統(tǒng)的核心器件，其性能是照明系統(tǒng)優(yōu)劣的基礎.在選擇LD時，應該考慮中心波長、發(fā)光功率、集成度、轉換效率、工作溫度和使用經歷等基本指標，還需要結合敏感器整機設計，考慮光源空間分布、帶寬與成像器件的匹配、閾值電流、空間適應性等特性.

下面從激光器的模式、譜線寬度、閾值電流幾個方面說明對LD照明系統(tǒng)的影響.

(1)激光器的縱模和橫模模式

與激光器諧振腔軸平行方向(即縱向)的電磁場分布(即模式)稱為縱模.與激光器諧振腔軸垂直方向(即橫向)的電磁場分布稱為橫模.縱模反映了激光器光強隨波長的變化情況，有多縱模和單縱模之分.多縱模激光器輸出的光譜中包含若干個縱模，縱模在光譜中是一根根離散的線譜，不同縱模上的光能量(即光強)分布是不同的，其中縱模光強最大的稱為主模，主模旁邊的其他光強較小的縱模稱為旁?；蜻吥?，如圖5所示.單縱模激光器只有一個縱模能夠正常工作，其他縱模都受到抑制.通常利用光柵的波長選擇特性，只允許一種特定的模式能夠傳輸，并抑制其他縱模，形成了單模工作條件.橫模反映了激光器輸出光束光強的空間分布，即方向特性的集散程度，分為單模和多模，對整個照明系統(tǒng)光源的空間分布和均勻性有很大影響.

圖5 某型LD的譜線Fig.5 Bandwidth of LD

(2)激光器的譜線寬度和閾值電流［4］

譜線寬度是衡量器件發(fā)光單色性的一個物理量.LD的譜線寬度是交會對接光學成像敏感器的關鍵指標，其與濾光片帶通寬度相結合影響相機接收目標光源和雜光光源的能量，從而影響敏感器的作用距離、動態(tài)性能和抗雜光能力等.LD的譜線寬度取決于激發(fā)的縱模數目.觀察LD的光譜(如圖6所示)可以看到激光器的光譜隨激勵電流而變化.當激勵電流低于閾值電流時，發(fā)出的是熒光，光譜很寬.當電流增大到閾值時，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加，出現激光.光譜變窄，單色性加強是半導體激光器達到閾值時的一個特征.因而可通過激光器光譜的測量來確定閾值電流.

圖6 激光波長隨驅動電流的漂移Fig.6 LD wavelength's drifting with driving current

閾值電流的一個重要特點是隨溫度增加而加大，如圖7所示，因此在照明系統(tǒng)設計中必須考慮LD的工作溫度范圍.LD激光器的壽命可以用閾值電流的增值來估量.通常激光器的閾值隨使用時間增多而增大.激光器的閾值增大在50%內，能繼續(xù)工作，當閾值增大至3倍時，激光器將迅速損壞.

圖7 激光器閾值電流隨溫度變化Fig.7 LD threshold value's change with temperature

LD光譜決定相機工作光譜，在選擇器光譜時應該要考慮以下兩個因素:

1)選擇成像器件光譜響應較好的譜段［5］.LD提供照明光源，其發(fā)光光譜必須與成像器件響應譜段配合，盡可能處于成像器件較高的量子效率譜段.此外如果是雙波長差分工作模式，兩個譜段對應的量子效率應該接近.

2)遠離太陽輻射較強的譜段.太陽光作為雜光光源，是交會對接光學成像敏感器必須避免的.表2示出太陽光部分譜段對應的輻照度，LD光譜應盡量避開太陽強輻照度的譜段，以降低雜光干擾，提高相機成像的信噪比.

表2 太陽光部分譜段輻照度Tab.2 Irradiance of parts of solar spectrum

(3)器件質保以及空間適應性

目前LD主要用于通信行業(yè)，沒有高等級器件，在設計照明系統(tǒng)時必須考慮LD的質保需求.作為航天器件，還應該考慮抗輻照性能、抗溫變性能、抗力學性能等.

2.3 照明光纖設計和性能

2.3.1 總體功能和指標概述

照明光纖的功能主要是通過耦合器把多個LD器件的尾纖耦合到同一根光纖輸出，使光源合并，再通過整形光纖對合束光源進行發(fā)散角控制，以滿足交會對接光學成像敏感器對照明光源的發(fā)散角和均勻性要求.主要設計指標如下:

1)出射光發(fā)散角:根據交會對接走廊和相機視場的大小需求，出射光發(fā)散角一般為A=18°(半錐角);

2)出射光指向性和對稱性:出射光指向性與安裝面垂直度、出射光束相對照明光纖出光端端面法線對稱分布;

3)能量耦合效率η:優(yōu)于50%;

4)光纖連接器:損耗小、可靠性高;

5)出光端口徑:小于2.5 mm;

6)具備相應的空間適應性能力.

2.3.2 光纖的選擇和性能

(1)光纖基本性能

光纖主要用于通信、傳感、圖像、能量傳遞、照明等領域.根據ITU-T(國際電信聯盟)規(guī)定其基本特性［6］如下:

1)纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層低，光能量主要在纖芯內傳輸，利用光在纖芯與包層界面上的全反射實現光的傳播;

2)包層為光的傳輸提供反射面和光隔離.設纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，光能量在光纖中傳輸的必要條件是n1＞n2;

3)涂覆層保護光纖不受水汽的侵蝕和機械擦傷，且增加了光纖的機械強度與可彎曲性，有延長光纖壽命的作用.

(2)光纖光源空間分布

光源空間分布是照明光纖的重要指標之一，主要取決于光纖發(fā)散角和模場直徑(MFD，modefield diameter)，而光纖發(fā)散角主要取決于光纖的數值孔徑(NA，numeric aperture).DNA值即光纖端面臨界入射角(2 θmax)的正弦值(如式(1)所示)決定于n1和n2，與光纖的直徑無關.一般光纖DNA有0.094、0.22、0.48 等標準.在選擇照明光纖不同DNA值時，需要綜合考慮照明系統(tǒng)的發(fā)散角、光源分布性能，以及光纖彎曲半徑、傳輸損耗和高低溫性能等.

發(fā)散角根據邊緣能量與中心能量比值定義，涉及光纖的模場直徑.基模光斑的特點是中間亮、四周漸暗，沒有明顯的邊界，其近場光強近似為高斯分布.通常，將纖芯中場分布曲線最大值(近似中心處)的1/e處(強度為1/e2處)所對應的寬度定義為模場直徑.

(3)光纖傳輸特性

當LD輸出光源能量一定時，照明光源的作用距離受光纖傳輸損耗限制.光纖損耗特性定義為光信號在光纖中傳播時其光功率隨距離L的增加呈指數衰減.一般包括吸收損耗、散射損耗和彎曲損耗.評價光纖損耗特性可以通過損耗常數來衡量.光纖的損耗常數定義如下:

式中:L為光纖長度;Pin和Pout分別為輸入和輸出光功率.

宏彎損耗不僅與彎曲半徑有關，還與光纖的模場直徑相關，模場直徑越大，宏彎損耗越大，如圖8所示(LB表示宏彎損耗).

圖8 宏彎彎曲和模場直徑的關系Fig.8 Relation between macro bending bend and MFD

除了宏彎損耗外，光纖的微彎損耗也應該注意.光纖的微彎有兩種，一是光纖在生產過程中不均成纜時，由于受到壓力不均而造成的微彎;二是在光纖使用過程中，由于光纖各個部分熱脹冷縮的不同而導致的微彎.因此，除了早期剔除因光纖生產環(huán)節(jié)引起的微彎外，在光纖的安裝、固封環(huán)節(jié)中，應該采用合理工藝，避免光纖在膠應力、熱應力時產生微彎損耗.

綜上，雖然照明光纖一般選用模場直徑較大的光纖，但是必須結合光纖的傳輸損耗特性進行選擇.在傳輸損耗中，吸收損耗和散射損耗相對固定，重點需考慮彎曲損耗.尤其受安裝結構限制，光纖必然彎曲使用，所以彎曲損耗、模場分布變化和相關工藝需綜合考慮.

(4)光纖的選擇

光纖有多種分類，對于LD照明系統(tǒng)來說，除了石英光纖外，塑料光纖也較為常用.塑料光纖的彎曲損耗隨彎曲半徑增大而下降，纖芯直徑越大，臨界半徑越大，彎曲半徑小于臨界半徑時，彎曲損耗呈現指數規(guī)律.按照 Mareuse的理論［7］，光纖彎曲引起的損耗依賴于彎曲半徑、纖芯半徑、芯層和包層折射率.在彎曲半徑大于臨界半徑時，彎曲圈數對彎曲損耗的影響較小.

與石英光纖相比，塑料光纖DNA值較大，出射光較均勻，且模式耦合長度短得多，模式耦合在光纖長度僅為幾米時候就可發(fā)生，容易滿足交會對接光學成像敏感器對照明光源的要求.因此在受到產品尺寸限制條件下，選擇塑料光纖作為光源整形光纖.常用塑料光纖中，PS(聚苯乙烯)纖芯塑料光纖的彎曲損耗在任意彎曲半徑時都大于PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)纖芯塑料光纖.

3 結論

交會對接光學成像敏感器是空間交會對接任務最后距離段唯一提供六自由度測量的敏感器.LD照明系統(tǒng)是該敏感器的關鍵技術和重要組成，它解決了大視場遠距離均勻照明的難題，克服了空間適應性的困擾，且通過雙波長工作模式增強了整機的抗雜光能力.

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