白 瑜，張 輝,劉恩海

(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所， 成都 610209)

隨著深空探測(cè)任務(wù)的逐步實(shí)施，深空探測(cè)器的自主運(yùn)行技術(shù)逐漸成為深空探測(cè)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容,而深空自主導(dǎo)航是深空探測(cè)器自主運(yùn)行的核心問(wèn)題之一[1-6]。國(guó)外多個(gè)深空探測(cè)任務(wù)都采用了多功能光學(xué)系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)了包含自主導(dǎo)航能力在內(nèi)的多種功能。

典型代表有1998年美國(guó)發(fā)射的深空一號(hào)(deep space 1，DS1)探測(cè)器，DS1采用MICAS(miniature integrated camera spectrometer)微型綜合相機(jī)光譜儀，通過(guò)共孔徑方式實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外、紅外和可見(jiàn)光波段的同時(shí)探測(cè)，其中2個(gè)可見(jiàn)光相機(jī)視場(chǎng)分別為0.69°×0.78°(VISCCD Imager)和0.26°×0.26°(APS Imager)，口徑100 mm，F(xiàn)數(shù)為6.8；2個(gè)可見(jiàn)光相機(jī)成功地實(shí)現(xiàn)了在巡航段和接近段及繞飛段的自主導(dǎo)航[7]。2016年歐空局發(fā)射的奧西里斯(OSIRIS-Rex)小行星探測(cè)器[8]，采用了激光測(cè)高儀(osiris-rex laser altimeter， OLA)，利用小行星反射回來(lái)的光脈沖與發(fā)射激光脈沖之間的時(shí)間差計(jì)算得到距離信息，并據(jù)此創(chuàng)建了Bennu表面的3-D模型；同時(shí)OLA還能夠進(jìn)行輔助導(dǎo)航。其他的深空探測(cè)任務(wù)，如日本隼鳥(niǎo)一號(hào)(MUSES-C)探測(cè)器、美國(guó)NASA的深度撞擊(Deep Impact)探測(cè)器等也都采用了光學(xué)導(dǎo)航敏感器、激光測(cè)距儀等實(shí)現(xiàn)了交會(huì)、附著段或者撞擊段的自主導(dǎo)航能力。

本文提出了一種用于深空探測(cè)的多功能光學(xué)系統(tǒng)載荷方案，該系統(tǒng)能夠在實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)器自主導(dǎo)航的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距功能，同時(shí)還能兼顧對(duì)紅外波段目標(biāo)的探測(cè)。

1 多功能光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 多功能光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成

用于深空探測(cè)的多功能光學(xué)系統(tǒng)由可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)、中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)、激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)和激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)組成。其中可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)、中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)、激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)等三個(gè)系統(tǒng)采用共孔徑結(jié)構(gòu)形式，減小了系統(tǒng)尺寸，減輕了系統(tǒng)重量，確保實(shí)現(xiàn)光電設(shè)備的輕小型化，原理圖如圖1所示。激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖1 共孔徑光學(xué)系統(tǒng)原理圖

圖2 激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)原理圖

共孔徑光學(xué)系統(tǒng)由主鏡、次鏡、準(zhǔn)直鏡、分光鏡1、分光鏡2、可見(jiàn)光校正透鏡、激光校正透鏡和紅外校正透鏡組成。目標(biāo)經(jīng)過(guò)主鏡、次鏡后成一次像，一次像經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡對(duì)光線(xiàn)進(jìn)行準(zhǔn)直，分光鏡1反射可見(jiàn)光波段、透射激光和中波紅外波段，分光鏡2反射激光波段、透射中波紅外波段，通過(guò)2個(gè)分光鏡的兩次分光，實(shí)現(xiàn)了共孔徑下可以同時(shí)在可見(jiàn)光、激光、紅外3個(gè)波段下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。

激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)口徑較小，無(wú)法和上述三個(gè)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)共孔徑，設(shè)計(jì)為單獨(dú)的光學(xué)系統(tǒng)。光纖出射端放置在物點(diǎn)處，通過(guò)激光準(zhǔn)直透鏡對(duì)光束準(zhǔn)直后發(fā)射出去。

1.2 可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)

可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1 可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)的光路圖如圖3。

圖3 可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)光路圖

可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)由主鏡(1)，次鏡(2)，準(zhǔn)直鏡組(3～4)，分光鏡(5)，校正透鏡組(6～11)，可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)的像面(12)組成，光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌置于主鏡上，準(zhǔn)直鏡組(3～4)采用ZNSE光學(xué)玻璃材料，采用了SF57和NSK16兩種光學(xué)玻璃材料，可見(jiàn)光探測(cè)器的像元數(shù)1 024×1 024，像元大小 6.5 μm×6.5 μm，實(shí)際使用時(shí)只使用了探測(cè)器的可見(jiàn)光的一部分像元，主鏡的通光口徑為100 mm，遮攔比為0.18，次鏡到分光鏡的距離為154.84 mm，分光鏡到像面的距離為55.23 mm，校正透鏡組的最大通光直徑為6.88 mm。

能量集中度是光學(xué)系統(tǒng)重要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo),圖4為可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)不同視場(chǎng)的像點(diǎn)徑向能量集中度分布曲線(xiàn)，其中橫坐標(biāo)是彌散圓直徑，縱坐標(biāo)表示該彌散圓直徑內(nèi)所包含的能量百分比，表2為可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)的各個(gè)視場(chǎng)的能量集中度數(shù)據(jù)，可知80%能量集中處，所有視場(chǎng)的彌散圓直徑都在6.5 μm以?xún)?nèi)。

畸變是一種軸外像差，是指軸外點(diǎn)主光線(xiàn)在像面上交點(diǎn)的高度和理想像高的差值，畸變不會(huì)影響圖像的清晰度，也不會(huì)降低系統(tǒng)的分辨率，它只是使圖像的大小和圖像發(fā)生某些變化。圖5右側(cè)為可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)的畸變曲線(xiàn)，可知全視場(chǎng)內(nèi)的最大畸變?yōu)?.38%。

圖4 可見(jiàn)光光學(xué)系統(tǒng)能量集中度曲線(xiàn)

表2 可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)能量集中度數(shù)值

圖5 可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲和畸變曲線(xiàn)

1.3 激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及結(jié)果

激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)的光路圖如圖6所示。激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)由主鏡(1)，次鏡(2)，準(zhǔn)直鏡組(3～4)，分光鏡(5)，分光鏡(6)，激光校正透鏡組(7～8)，激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)的像面(9)組成，光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌置于主鏡上，采用了SF57和NSK16兩種光學(xué)玻璃材料，主鏡的通光直徑為100 mm，次鏡到分光鏡(6)距離171.85 mm，分光鏡6到像面的距離為36.09 mm，激光雷達(dá)接收校正透鏡組的最大通光直徑為3.83 mm。

圖6 激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)光路圖

圖7為激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)的MTF曲線(xiàn)，由圖7可知，激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)的MTF均接近衍射極限，性能良好。

圖7 激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線(xiàn)

圖8為激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖，表4給出了激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)彌散斑RMS直徑大小。由此可知激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)彌散斑均方根直徑大小均在6 μm 以?xún)?nèi)。

圖8 激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖

表4 激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)彌散斑RMS直徑

1.4 中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的光路圖如圖9所示。中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)由主鏡(1)、次鏡(2)、準(zhǔn)直鏡組(3～4)、分光鏡(5)、分光鏡(6)、中波紅外校正透鏡組(7～10)、中波紅外探測(cè)器窗口(11)、中波紅外探測(cè)器濾光片(12)、中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)像面(13)組成，紅外探測(cè)器的像元數(shù)320×256，像元大小30 μm×30 μm，實(shí)際使用時(shí)只使用了紅外探測(cè)器的一部分像元，光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌置于紅外探測(cè)器的冷光闌處，采用了鍺、硅和硒化鋅3種紅外光學(xué)玻璃材料，主鏡的通光直徑為100 mm，分光鏡(5)和分光鏡(6)的材料都為硒化鋅，次鏡到像面的距離為237.28 mm，中波紅外校正透鏡組的最大通光直徑為7.79 mm，中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)滿(mǎn)足100%冷光闌效率，冷光闌到像面的距離為20 mm。

表5 中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖9 中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)光路圖

圖10為中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)不同視場(chǎng)的像點(diǎn)徑向能量集中度分布曲線(xiàn)，表6為中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的各個(gè)視場(chǎng)的能量集中度數(shù)據(jù)。由此可知60%能量集中處，所有視場(chǎng)的彌散圓直徑都在30 μm以?xún)?nèi)。

圖10 中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)能量集中度曲線(xiàn)

表6 中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)能量集中度數(shù)值

圖11右側(cè)為中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的畸變曲線(xiàn)，由圖11可知，全視場(chǎng)內(nèi)的最大畸變?yōu)?.41%。

圖11 中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲和畸變曲線(xiàn)

1.5 共孔徑光學(xué)系統(tǒng)合成光路圖

將可見(jiàn)光導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng)、激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)和中波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)3個(gè)光學(xué)系統(tǒng)合成在一起的共孔徑光路圖如圖12所示，由圖12可知，系統(tǒng)在兼顧3個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的同時(shí)，用一套光學(xué)系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)以往3個(gè)光路單獨(dú)實(shí)現(xiàn)的光學(xué)系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足深空探測(cè)光學(xué)有效載荷的小型化、輕量化要求。

1.6 激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)

激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表7所示。

表7 激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的光路圖如圖13所示。激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)由3片透鏡組成，采用ZF6光學(xué)玻璃，光纖出射端作為物點(diǎn)，激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)只使用了光纖芯徑的一部分，激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)為30.79 mm,物點(diǎn)到透鏡1的距離為13.41 mm。

圖13 激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光路圖

因?yàn)榧す饫走_(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的物方在有限遠(yuǎn)處，像方在無(wú)窮遠(yuǎn)處，因此，評(píng)價(jià)激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量時(shí)，需要將激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)物方和像方倒置后進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖14為激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)的MTF曲線(xiàn)，其中橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別為像面上的空間頻率和光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)值。由圖14中可知，激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)的MTF均接近衍射極限，性能良好。

圖15為激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖，表8給出了激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)RMS彌散斑直徑。由此可知激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)彌散斑均方根直徑均在0.2 μm以?xún)?nèi)。

圖14 激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)的MTF曲線(xiàn)

圖15 激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖

表8 激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)RMS彌散斑直徑

2 結(jié)論

本文針對(duì)深空探測(cè)載荷小型化的需求，提出了一種具備自主光學(xué)導(dǎo)航、激光測(cè)距以及紅外目標(biāo)探測(cè)等功能的多功能光學(xué)系統(tǒng)方案，并給出了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，首先介紹了多功能光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成。然后分別介紹了入瞳直徑為100 mm的共孔徑結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)光導(dǎo)航系統(tǒng)、激光雷達(dá)接收系統(tǒng)和紅外波段探測(cè)系統(tǒng)等3個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)光路圖、設(shè)計(jì)參數(shù)以及結(jié)果。最后，對(duì)給出了激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)結(jié)果表明，該多功能光學(xué)系統(tǒng)可滿(mǎn)足深空探測(cè)任務(wù)需求。