一種靜態(tài)多光路星模擬器

1.一種靜態(tài)多光路星模擬器，其特征在于：包括法蘭(401)和至少四個(gè)星光管(402)，每個(gè)星光管(402)均能夠產(chǎn)生一顆模擬星，每個(gè)星光管(402)的光譜和亮度均可單獨(dú)調(diào)整；所述的星光管包括光源(501)、勻光板(502)、星點(diǎn)板(503)、準(zhǔn)直物鏡(505)和準(zhǔn)直鏡筒(504)；由光源(501)發(fā)出的光線，經(jīng)過勻光板(502)的衰減和勻化后，照亮位于準(zhǔn)直物鏡(505)焦平面上的、刻有一個(gè)透光微孔的星點(diǎn)板(503)，形成模擬星點(diǎn)；由模擬星點(diǎn)產(chǎn)生的光線經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡(505)準(zhǔn)直后成為平行光出射；光源(501)、勻光板(502)、星點(diǎn)板(503)、準(zhǔn)直物鏡(505)均安裝于準(zhǔn)直鏡筒(504)內(nèi)部；所述的光源(501)為三色發(fā)光二極管，三色發(fā)光二極管的出射光譜可調(diào)，調(diào)整后三色發(fā)光二極管出射光譜峰值波長(zhǎng)的最短波長(zhǎng)不大于440nm，最長(zhǎng)波長(zhǎng)不小于620nm；星光管(402)通過角度調(diào)整機(jī)構(gòu)(406)安裝于法蘭(401)上，且任意兩個(gè)星光管(402)的光軸不平行，任意兩個(gè)星光管(402)之間的相對(duì)角度可在不小于10度的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜態(tài)多光路星模擬器，其特征在于：所述的靜態(tài)多光路星模擬器還包括左右調(diào)整機(jī)構(gòu)(403)、前后調(diào)整機(jī)構(gòu)(404)和高低調(diào)整機(jī)構(gòu)(405)，用于改變法蘭(401)的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜態(tài)多光路星模擬器，其特征在于：所述的星光管(402)出射的模擬星光為發(fā)散角不大于3′、直徑2～7mm的細(xì)光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜態(tài)多光路星模擬器，其特征在于：所述的角度調(diào)整機(jī)構(gòu)(406)包括：懸掛螺釘(801)、調(diào)節(jié)螺釘(802)、活動(dòng)安裝環(huán)(803)和固定連接盤(804)；星光管(402)從活動(dòng)安裝環(huán)(803)中穿過并與其固連，懸掛螺釘(801)將活動(dòng)安裝環(huán)連接在固定連接盤(804)上，活動(dòng)安裝環(huán)(803)可相對(duì)于固定連接盤(804)轉(zhuǎn)動(dòng)；固定連接盤(804)固連在法蘭(401)上；通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘(802)，可改變星光管(402)與法蘭(401)之間的相對(duì)角度。

技術(shù)領(lǐng)域\n本發(fā)明屬光學(xué)敏感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于室內(nèi)條件下進(jìn)行星敏感器功能和精度測(cè)試的靜態(tài)多光路星模擬器。\n背景技術(shù)\n傳統(tǒng)的星敏感器是一種目前廣泛應(yīng)用的航天產(chǎn)品，是以恒星為觀測(cè)對(duì)象的光學(xué)姿態(tài)敏感器，主要用于衛(wèi)星、飛船等航天器在軌飛行時(shí)的姿態(tài)測(cè)量任務(wù)。\n當(dāng)前通常意義上的星敏感器屬于星圖儀方式的星敏感器。它首先需要拍攝某一區(qū)域星空的圖像，然后通過圖像處理算法檢測(cè)出圖像中的恒星影像，并利用恒星識(shí)別技術(shù)來確認(rèn)所觀測(cè)恒星的“身份”，最終完成姿態(tài)測(cè)量任務(wù)。\n為了測(cè)試星敏感器的性能，就需要在地面測(cè)試中為其提供一定的觀測(cè)目標(biāo)作為輸入激勵(lì)，使星敏感器能夠產(chǎn)生一定的輸出。這種激勵(lì)源就是星模擬器，通常可以產(chǎn)生具有一定空間位置關(guān)系的多束模擬星光，以形成特定的模擬星座。星模擬器一般可分為動(dòng)態(tài)模擬器和靜態(tài)模擬器。動(dòng)態(tài)星模擬器所產(chǎn)生的模擬星座是可變的；靜態(tài)模擬器所產(chǎn)生的模擬星座是不能改變的。\n目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出的靜態(tài)星模擬器大致有兩類：一類是單光路星模擬器，其原理為：由電光源發(fā)出的光線，經(jīng)過散射屏后照亮位于準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)焦平面上的、刻有若干透光微孔的分劃板，形成多個(gè)模擬星點(diǎn)，由各模擬星點(diǎn)產(chǎn)生的光線經(jīng)過物鏡組準(zhǔn)直后成為平行光射出。此類星模擬器由鏡筒、準(zhǔn)直物鏡、分劃板、散射屏、光源、電源等部分等組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中101為準(zhǔn)直物鏡組，102為星點(diǎn)分劃板，103為光源(單色發(fā)光二極管)，其星點(diǎn)板102的A向視圖如圖2所示。由于各束模擬星光均經(jīng)由一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)投射，故此類靜態(tài)星模擬器可稱為單光路星模擬器。單光路星模擬器的局限性主要有以下幾個(gè)方面：1)所生成的模擬星座構(gòu)型完全取決于分劃板，當(dāng)劃板加工完成后，其產(chǎn)生的模擬星座構(gòu)型就不能再作任何改變，即一個(gè)星模擬器只能產(chǎn)生一種構(gòu)型的模擬星座；2)星模擬器中只有一個(gè)光源，所有模擬星的星光光譜都是相同的，不能單獨(dú)改變其中一個(gè)模擬星的光譜；3)星模擬器中用一個(gè)光源照明分劃板產(chǎn)生所有模擬星點(diǎn)，調(diào)整光源的亮度只能使所有的模擬星都變亮或都變暗，不能單獨(dú)改變其中一個(gè)模擬星的亮度；4)由于星模擬器光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)、孔徑通常都比較大，因此其光學(xué)像差的影響不能忽略，即在利用星模擬器進(jìn)行星敏感器精度測(cè)試時(shí)，星模擬器本身的誤差可能對(duì)測(cè)試結(jié)果的可信程度產(chǎn)生影響。\n國(guó)外也開發(fā)、使用過的另外一類星模擬器為多光路星模擬器，如圖3所示，該種星模擬器由若干激光二極管(圖中301所示)、安裝法蘭(圖中303所示)、調(diào)整機(jī)構(gòu)(圖中302所示)、電源等部分等組成，其原理為：每個(gè)激光二極管發(fā)出一束準(zhǔn)直光束，可在星敏感器的像面上形成一個(gè)模擬星點(diǎn)，由于各激光二極管之間相互位置不同，因此可在星敏感器像面上產(chǎn)生具有一定構(gòu)型的模擬星座。因每個(gè)激光二極管均構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)，故此類靜態(tài)星模擬器可稱為多光路星模擬器。多光路星模擬器克服了單光路星模擬器的部分缺點(diǎn)：1)星模擬器所生成的模擬星座構(gòu)型決定于各激光二極管的相對(duì)角度，因此調(diào)整各激光二極管的角度就能改變模擬星座構(gòu)型，使得一套星模擬器可以產(chǎn)生多種幾何構(gòu)型的模擬星座；2)原則上各激光二極管的亮度均可單獨(dú)設(shè)定，因此可以單獨(dú)調(diào)整模擬星座中任一模擬星的亮度；3)各激光二極管發(fā)出的均為發(fā)散角趨于0的細(xì)光束，因此其光學(xué)像差完全可以忽略，使得在利用星模擬器進(jìn)行星敏感器精度測(cè)試時(shí)，星模擬器本身的誤差不會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。但是，多光路星模擬器也有其局限性，主要有：1)各激光二極管的相對(duì)角度只能在較小范圍內(nèi)調(diào)整，模擬星座構(gòu)型的改變范圍也非常有限，即不同構(gòu)型的模擬星座之間其幾何相似程度仍然比較高；2)由于激光二極管對(duì)輸入電流中的尖峰比較敏感，過高或過頻繁的尖峰可能造成二極管的損壞，因此對(duì)所采用的電源品質(zhì)要求較高，需采用特種電源供電，同時(shí)在使用過程中不能頻繁點(diǎn)亮/熄滅激光二極管，或者反復(fù)改變激光二極管的輸入功率，這都可能引起二極管的損壞；3)每只激光二極管的光譜特性都是固定的，因此除非選用其它型號(hào)的激光二極管，否則不能改變其中任一模擬星的光譜。\n在星敏感器所觀測(cè)的真實(shí)星空中，任意兩顆星的亮度和光譜特性都可能是不相同的，但現(xiàn)有靜態(tài)單光路星模擬器和多光路星模擬器，均不能有效模擬出真實(shí)星空中存在的這種差別，因此在很大程度上影響了對(duì)星敏感器的測(cè)試效果，限制了其測(cè)試覆蓋性。\n發(fā)明內(nèi)容\n本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模擬星座構(gòu)型眾多、星空模擬效果逼真的靜態(tài)多光路星模擬器。\n本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種靜態(tài)多光路星模擬器，其特征在于：包括法蘭和至少四個(gè)星光管，每個(gè)星光管均能夠產(chǎn)生一顆模擬星，每個(gè)星光管的光譜和亮度均可單獨(dú)調(diào)整；星光管通過角度調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝于法蘭上，且任意兩個(gè)星光管的光軸不平行，任意兩個(gè)星光管之間的相對(duì)角度可在不小于10度的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。\n所述的靜態(tài)多光路星模擬器還包括左右調(diào)整機(jī)構(gòu)、前后調(diào)整機(jī)構(gòu)和高低調(diào)整機(jī)構(gòu)，用于改變法蘭的位置。\n所述的星光管包括光源、勻光板、星點(diǎn)板、準(zhǔn)直物鏡和準(zhǔn)直鏡筒；由光源發(fā)出的光線，經(jīng)過勻光板的衰減和勻化后，照亮位于準(zhǔn)直物鏡焦平面上的、刻有一個(gè)透光微孔的星點(diǎn)板，形成模擬星點(diǎn)；由模擬星點(diǎn)產(chǎn)生的光線經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直后成為平行光出射；光源、勻光板、星點(diǎn)板、準(zhǔn)直物鏡均安裝于準(zhǔn)直鏡筒內(nèi)部。\n所述星光管出射的模擬星光為發(fā)散角不大于3′、直徑2～7mm的細(xì)光束。\n所述的光源為三色發(fā)光二極管，發(fā)光二極管的出射光譜可調(diào)，調(diào)整后發(fā)光二極管出射光譜峰值波長(zhǎng)的最短波長(zhǎng)不大于440nm，最長(zhǎng)波長(zhǎng)不小于620nm。\n所述的角度調(diào)整機(jī)構(gòu)包括：懸掛螺釘、調(diào)節(jié)螺釘、活動(dòng)安裝環(huán)和固定連接盤；星光管從活動(dòng)安裝環(huán)中穿過并與其固連，懸掛螺釘將活動(dòng)安裝環(huán)連接在固定連接盤上，活動(dòng)安裝環(huán)可相對(duì)于固定連接盤轉(zhuǎn)動(dòng)；固定連接盤固連在法蘭上；通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘，可改變星光管與法蘭之間的相對(duì)角度。\n本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明選用光譜和亮度均可單獨(dú)調(diào)整的星光管模擬單個(gè)星點(diǎn)，且任意兩個(gè)星光管之間的相對(duì)角度可進(jìn)行不小于10度范圍內(nèi)調(diào)整，因此可以產(chǎn)生大量不同構(gòu)型的模擬星座，且每個(gè)星點(diǎn)的亮度和光譜特性都可以不相同的，任意兩個(gè)模擬星座之間的幾何相似程度比較低，可以很好地模擬真實(shí)星空的物理特性。星光管發(fā)出的均為發(fā)散角很小的細(xì)光束，其光學(xué)像差完全可以忽略，不會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，因此有利于保證對(duì)星敏感器的測(cè)試精度。星光管的光源采用三色發(fā)光二極管，使得對(duì)星點(diǎn)亮度和光譜的調(diào)節(jié)更加簡(jiǎn)捷，同時(shí)二極管對(duì)輸入電壓的紋波和尖峰不敏感，對(duì)輸入電源要求較低，可使用普通民用直流電源供電，而且在使用過程中可以頻繁點(diǎn)亮或熄滅。另外，通過設(shè)置位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，與星光管的角度調(diào)整機(jī)構(gòu)相配合，使得產(chǎn)生的模擬星座位置調(diào)整靈活。\n附圖說明\n圖1為現(xiàn)有的靜態(tài)單光路星模擬器的工作原理圖；\n圖2為圖1所示靜態(tài)單光路星模擬器星點(diǎn)板的A向視圖；\n圖3為現(xiàn)有的靜態(tài)多光路星模擬器的結(jié)構(gòu)示意圖；\n圖4為本發(fā)明靜態(tài)多光路星模擬器的結(jié)構(gòu)示意圖；\n圖5為本發(fā)明靜態(tài)多光路星模擬器星光管的組成原理圖；\n圖6為本發(fā)明靜態(tài)多光路星模擬器中所采用的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖6a為二極管的側(cè)視圖，圖6b為二極管的底視圖；\n圖7為本發(fā)明靜態(tài)多光路星模擬器中所采用的發(fā)光二極管的光譜曲線圖；\n圖8為本發(fā)明靜態(tài)多光路星模擬器角度調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；\n圖9為本發(fā)明靜態(tài)多光路星模擬器角度調(diào)整機(jī)構(gòu)的調(diào)整操作示意圖，其中圖9a為對(duì)星光管進(jìn)行上下調(diào)整的操作示意圖，圖9b為對(duì)星光管進(jìn)行左右調(diào)整的操作示意圖。\n具體實(shí)施方式\n如圖4所示，本發(fā)明靜態(tài)多光路星模擬器包括弧形法蘭401和至少四個(gè)星光管402，每個(gè)星光管402均能夠產(chǎn)生一顆模擬星，其光譜和亮度均可單獨(dú)調(diào)整；星光管402通過角度調(diào)整機(jī)構(gòu)406安裝于弧形法蘭401上，且任意兩個(gè)星光管402的光軸不平行，任意兩個(gè)星光管402之間的相對(duì)角度可在不小于10度的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。一個(gè)星光管402即構(gòu)成一個(gè)小型單星模擬器，能夠產(chǎn)生一顆模擬星。如圖5所示，星光管由光源501、勻光板502、星點(diǎn)板503、準(zhǔn)直物鏡505和準(zhǔn)直鏡筒504組成，其工作原理如下：由光源501發(fā)出的光線，經(jīng)過勻光板502的衰減和勻化后，照亮位于準(zhǔn)直物鏡505焦平面上的、刻有一個(gè)透光微孔的星點(diǎn)板503，形成模擬星點(diǎn)；由模擬星點(diǎn)產(chǎn)生的光線經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡505準(zhǔn)直后成為平行光射出；光源501、勻光板502、星點(diǎn)板503、準(zhǔn)直物鏡505均安裝于準(zhǔn)直鏡筒504內(nèi)部。\n本發(fā)明實(shí)施例中，選取準(zhǔn)直物鏡505的焦距為100mm，有效通光孔徑為4mm，星點(diǎn)板503透光微孔直徑0.03mm，可以從星光管402得到發(fā)散角1′、直徑4mm的細(xì)光束，其中所附帶的光學(xué)像差完全可以忽略，有利于保證對(duì)星敏感器的測(cè)試精度。\n星光管402中采用三色發(fā)光二極管(RGB-LED)作為光源，以采用型號(hào)為L(zhǎng)F59EMBGMBC的發(fā)光二極管為例進(jìn)行說明。這種LED內(nèi)置四個(gè)獨(dú)立的發(fā)光單元，其中一個(gè)可發(fā)出峰值波長(zhǎng)630nm的紅光，一個(gè)可發(fā)出峰值波長(zhǎng)560nm的綠光，兩個(gè)可發(fā)出峰值波長(zhǎng)430nm的藍(lán)光。發(fā)光二極管的外形如圖6所示，其中圖6a為二極管的側(cè)視圖，圖6b為二極管的底視圖。601為紅色發(fā)光單元，606為綠色發(fā)光單元，602和605為兩個(gè)藍(lán)色發(fā)光單元，603和604為共陰極。圖中發(fā)光二極管個(gè)發(fā)光單元的發(fā)光光譜如圖7所示，圖中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)(單位nm)，縱坐標(biāo)為相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度，曲線701為藍(lán)色發(fā)光單元的發(fā)光光譜曲線，702為綠色發(fā)光單元的發(fā)光光譜曲線，703為紅色發(fā)光單元的發(fā)光光譜曲線。\n到達(dá)星點(diǎn)板503透光微孔的光，是四個(gè)發(fā)光單元所發(fā)出光線的合成。由于每個(gè)發(fā)光單元的發(fā)光強(qiáng)度均可單獨(dú)控制，因此改變各發(fā)光單元輸入電流，就能影響其發(fā)光強(qiáng)度，從而改變星光管402出射星光的光譜特性。星光管402出射星光的峰值波長(zhǎng)可在430nm～630nm的范圍內(nèi)調(diào)整。同時(shí)，改變各發(fā)光單元的發(fā)光強(qiáng)度，也能改變星光管402出射星光的強(qiáng)度。因此，每個(gè)星光管402出射星光的強(qiáng)度和光譜都是可以根據(jù)需要獨(dú)立設(shè)定的。\n由于所選用的發(fā)光二極管對(duì)輸入電流中的尖峰遠(yuǎn)不如激光二極管那樣敏感，因此對(duì)供電電源尖峰和紋波特性也無特殊要求，普通民用直流電源即可。同時(shí)，在使用過程中可以頻繁點(diǎn)亮或熄滅二極管，也可以快速改變二極管的輸入功率。這些操作一般不致引起發(fā)光二極管的損壞。\n如圖4所示，本發(fā)明星模擬器除星光管402和弧形法蘭401外，還包括左右調(diào)整滑板403、前后調(diào)整滑板404和高低調(diào)整臺(tái)405。左右調(diào)整滑板403、前后調(diào)整滑板404和高低調(diào)整臺(tái)405上帶有可以旋轉(zhuǎn)的手柄，旋轉(zhuǎn)這些手柄分別可以使星光管陣列整體向左或向右、向前或向后、向上或向下平移，以便實(shí)現(xiàn)星模擬器與星敏感器的光學(xué)對(duì)接。\n每個(gè)星光管402都通過一個(gè)如圖8所示的角度調(diào)整機(jī)構(gòu)406安裝在弧形法蘭401上。角度調(diào)整機(jī)構(gòu)406包括：活動(dòng)安裝環(huán)803、固定連接盤804、懸掛螺釘801和兩個(gè)調(diào)節(jié)螺釘802。星光管402從活動(dòng)安裝環(huán)803中穿過并與其固連，懸掛螺釘801將活動(dòng)安裝環(huán)連接在固定連接盤804上，活動(dòng)安裝環(huán)803可相對(duì)于固定連接盤804轉(zhuǎn)動(dòng)；固定連接盤804固連在法蘭401上；如圖9所示，其中圖9a為對(duì)星光管進(jìn)行上下調(diào)整的操作示意圖，圖9b為對(duì)星光管進(jìn)行左右調(diào)整的操作示意圖。通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘802，可帶動(dòng)星光管在兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變星光管402與法蘭401之間的相對(duì)角度。星光管402每個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)角度可達(dá)±5°。\n由于每個(gè)星光管402在兩個(gè)方向上都具有±5°的調(diào)整空間，再加上每根星光管402都可以根據(jù)需要隨時(shí)單獨(dú)點(diǎn)亮或熄滅，因此本發(fā)明靜態(tài)多光路星模擬器所產(chǎn)生的模擬星座的構(gòu)型，能在較大范圍內(nèi)加以改變。\n本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。