呂 濤，孫海江，付東輝，陳小云

（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）

引言

光學(xué)成像敏感器(降落相機(jī))是衛(wèi)星姿態(tài)控制分系統(tǒng)[1-2]的重要組成部分，用于月面景物的圖像獲取，可為月面著陸器提供信息來源，以供其完成障礙識(shí)別、安全區(qū)域選取、避障路徑規(guī)劃等[3-7]。

光學(xué)成像敏感器在裝星之后必須進(jìn)行充分的地面模擬試驗(yàn)，需要一種能夠在室內(nèi)有限空間模擬生成無窮遠(yuǎn)光學(xué)目標(biāo)的儀器[8]，即光學(xué)目標(biāo)模擬器，靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器可在室內(nèi)產(chǎn)生無窮遠(yuǎn)的靜態(tài)月面圖像，供光學(xué)成像敏感器接收[9-12]。

本文設(shè)計(jì)和研制了一種膠片形式的靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器，該模擬器采用膠片作為光學(xué)目標(biāo)圖像源，通過光學(xué)積分球均勻照亮后，經(jīng)無窮遠(yuǎn)光學(xué)鏡頭將圖像信息投影至無窮遠(yuǎn)處，設(shè)計(jì)完成的靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器能夠在室內(nèi)產(chǎn)生無窮遠(yuǎn)的月面圖像，供光學(xué)成像敏感器接收，試驗(yàn)效果良好。

1 工作原理

靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器主要由模擬器頭部和調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器的頭部主要由照明光源、光學(xué)積分球、膠片和無窮遠(yuǎn)鏡頭組成，模擬器頭部組成如圖1 所示。

圖1 模擬器頭部組成Fig.1 Composition of simulator head

如圖1 所示，膠片為“135”相機(jī)翻轉(zhuǎn)底片，膠片上的月面圖像信息由計(jì)算機(jī)生成，并通過專業(yè)設(shè)備將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化為翻轉(zhuǎn)片。由于翻轉(zhuǎn)片顏色較深，必須采用照明系統(tǒng)。為保證照明的均勻性，設(shè)計(jì)采用光學(xué)積分球?qū)崿F(xiàn)勻光。當(dāng)膠片被照亮后，膠片上的圖像信息被無窮遠(yuǎn)鏡頭投射至無窮遠(yuǎn)處，從而被光學(xué)成像敏感器接收。

為實(shí)現(xiàn)裝星后光學(xué)成像敏感器的光閉路試驗(yàn)，在靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器頭部下設(shè)計(jì)了調(diào)整機(jī)構(gòu)，以方便與光學(xué)成像敏感器的光軸對(duì)準(zhǔn)，由于裝星后光學(xué)成像敏感器的位置較高，靜態(tài)光學(xué)敏感器安裝固定在一個(gè)三腳架上，設(shè)計(jì)選用了安捷倫的10753B 三腳架，最低高度為0.5 m，最高高度可達(dá)1.5 m，能夠滿足靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器與光學(xué)成像敏感器的對(duì)接高度。

2 光學(xué)設(shè)計(jì)

靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器的光學(xué)設(shè)計(jì)需達(dá)到光學(xué)成像敏感器的指標(biāo)要求。按照光學(xué)成像敏感器的指標(biāo)要求，靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器的具體指標(biāo)要求如下：

1)視場(chǎng)：≥30°×30°；

2)入瞳直徑：≥Ф3 mm；

3)入瞳距：≥40 mm；

4)波長范圍：600 nm～800 nm；

5)發(fā)光面不均勻度：優(yōu)于±5%；

6)圖像分辨率：≥1 024×1 024 像素(22 lp/mm時(shí)，MTF≥0.4)。

“135”膠片的尺寸為36 mm×24 mm，要求的視場(chǎng)為30°×30°，膠片可用尺寸為24 mm×24 mm，因此無窮遠(yuǎn)鏡頭的焦距為44.78 mm，考慮到光瞳匹配問題，無窮遠(yuǎn)鏡頭的F數(shù)設(shè)計(jì)為8.95，即入瞳直徑為Ф5 mm，設(shè)計(jì)完成的光學(xué)系統(tǒng)如圖2 所示。設(shè)計(jì)完成的光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)在22 lp/mm 時(shí)約為0.5，滿足指標(biāo)要求。

圖2 靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器的光學(xué)系統(tǒng)Fig.2 Optical system of static optical target simulator

為保證發(fā)光面的均勻性，設(shè)計(jì)采用光學(xué)積分球作為勻光器件[13-14]，設(shè)計(jì)完成的積分球出光口直徑為Φ36 mm，積分球內(nèi)部直徑為Φ90 mm，此時(shí)積分球內(nèi)部反射面的面積約為出光口面積的25 倍，積分球內(nèi)部涂層選擇不易脫離的聚四氟乙烯涂層，避免涂層粉末掉落污染膠片，同時(shí)積分球的照亮采用在600 nm～800 nm 有較強(qiáng)輻射能量的鹵素?zé)簦O(shè)計(jì)將2 支20 W 的鹵素?zé)舴謩e放置在積分球兩側(cè)的燈室內(nèi)，采用成像法測(cè)量了光學(xué)積分球出光口處的不均勻度為±4.24%[15]，滿足指標(biāo)的要求。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)完成的靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由模擬器頭部、方位俯仰調(diào)整機(jī)構(gòu)和平移調(diào)整機(jī)構(gòu)組成，模擬器頭部實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的功能，方位俯仰調(diào)整機(jī)構(gòu)和平移調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模擬器頭部與成像敏感器光軸的對(duì)準(zhǔn)，模擬器頭部的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.3 Mechanical construction of static optical target simulator

圖4 模擬器頭部結(jié)構(gòu)Fig.4 Construction of simulator head

如圖4 所示，模擬器頭部主要由無窮遠(yuǎn)鏡頭、膠片傳輸機(jī)構(gòu)、主箱體、光學(xué)積分球組件和入瞳距調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。無窮遠(yuǎn)鏡頭將膠片圖像投影至無窮遠(yuǎn)處，其固定在膠片傳輸機(jī)構(gòu)的法蘭上。膠片傳輸機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)膠片的更換，主箱體為膠片傳輸機(jī)構(gòu)和光學(xué)積分球組件提供機(jī)械結(jié)構(gòu)支撐。入瞳距調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器的瞳孔與光學(xué)成像敏感器瞳孔的匹配。為防止靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器與光學(xué)成像敏感器機(jī)械碰撞，在無窮遠(yuǎn)鏡頭前端設(shè)計(jì)了非金屬絕緣件，且該件與光學(xué)成像敏感器通過機(jī)械表面公差配合保證光軸的對(duì)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)完成的靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器實(shí)物如圖5所示。

經(jīng)檢測(cè)后，靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，圖6 為光學(xué)成像敏感器獲取的一幅月面圖像。

圖5 靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器實(shí)物圖Fig.5 Physical map of static optical target simulator

圖6 光學(xué)成像敏感器獲取的月面圖像Fig.6 The moon’s image derived from optical image sensor

4 結(jié)論

靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器采用膠片作為圖像源，可在室內(nèi)產(chǎn)生無窮遠(yuǎn)的月面圖像信息，供光學(xué)成像敏感器接收，是光學(xué)成像敏感器裝星后進(jìn)行功能和性能檢測(cè)的關(guān)鍵設(shè)備。本文設(shè)計(jì)和研制的膠片式靜態(tài)光學(xué)目標(biāo)模擬器在與光學(xué)成像敏感器對(duì)接聯(lián)試后，成像效果良好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。