馬 強(qiáng)，張 濤

（四川大學(xué) 激光應(yīng)用研究所，四川 成都610065）

引言

星模擬器是伴隨著星敏感器的誕生和發(fā)展而逐步起步的。星敏感器是航空飛船等飛行器空間姿態(tài)敏感器中的一種，主要是利用星空中的恒星作為參考點(diǎn)設(shè)置參考系［1-2］。由于可以參考的恒星數(shù)目比較多，使得測(cè)量出來的結(jié)果相對(duì)于其他方法的空間姿態(tài)敏感器更加精確。在星敏感器技術(shù)中非常關(guān)鍵的一項(xiàng)就是對(duì)周圍恒星發(fā)射光的接收，所以對(duì)星敏感器進(jìn)行標(biāo)定就顯得尤為重要［3-4］。星模擬器作為一種對(duì)敏感器進(jìn)行地面標(biāo)定的設(shè)備無疑避免了在軌標(biāo)定危險(xiǎn)、昂貴的缺點(diǎn)［5-6］。

星模擬器按照功能可以分為標(biāo)定型和功能檢測(cè)型兩大類［7］，標(biāo)定型通常對(duì)單個(gè)星點(diǎn)像的星等、色溫等光學(xué)參量進(jìn)行模擬，主要用于對(duì)星敏感器的探測(cè)能力，光信號(hào)分辨能力與處理能力的標(biāo)定，因此格外注重對(duì)精度的要求［8-9］；功能型則是對(duì)多個(gè)星的實(shí)際位置、分布等進(jìn)行整體模擬，考察星敏感器對(duì)于光信號(hào)的處理轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)的運(yùn)算轉(zhuǎn)換，星點(diǎn)模擬位置的精確度等技術(shù)指標(biāo)要求，注重的是對(duì)各星點(diǎn)像的位置要求［10］。

本文討論的是標(biāo)定型的單星模擬器，所要實(shí)現(xiàn)的功能是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)提供與單顆真實(shí)恒星在光度特性、光譜特性、幾何特征等方面趨于一致的模擬的恒星。

1 系統(tǒng)組成

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作原理是由電光源發(fā)出的光線經(jīng)一進(jìn)多出光纖束傳入多路波段光強(qiáng)控制器，經(jīng)每一路控制器的帶通濾光片后形成具有以某一波長(zhǎng)為中心波長(zhǎng)、具有一定譜帶寬度的光。根據(jù)給定的擬合系數(shù)調(diào)節(jié)每一路光強(qiáng)控制器的光闌，得到多束不同光譜、不同強(qiáng)度的光線，再經(jīng)多進(jìn)一出光纖束后投射到六棱鏡積分棒內(nèi)進(jìn)行均勻混合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)恒星色溫的模擬。擬合得到的不同色溫的光進(jìn)入到星等控制系統(tǒng)時(shí)，由可控光闌加反射鏡大范圍控制星等，再調(diào)節(jié)可控光闌使光強(qiáng)按所需倍率衰減，可以獲得所需模擬恒星的亮度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)恒星亮度特征的模擬。

總體結(jié)構(gòu)有電源、光源、波段光強(qiáng)控制器、六棱鏡、星等控制器、工控箱、PC機(jī)7部分組成。

圖1 單星模擬器系統(tǒng)組成Fig.1 Structure of whole system

系統(tǒng)需要在峰值光譜350nm～950nm之間對(duì)星等范圍在0～＋6.5MI、等效黑體溫度為：2 600K、3 600K、4 300K、5 000K、5 500K、6 000K、6 800K、7 600K、9 800K的行星進(jìn)行模擬。

2 光源選擇

目前使用較普遍的光學(xué)光源有激光光源、發(fā)光二極管、氙燈、鹵素?zé)?、鹵鎢燈、鎢絲燈、白熾燈等。但由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原因?qū)庠匆蟊容^高，波段盡量可以完美覆蓋350nm～950nm，且在這一譜段的發(fā)光頻率比較大且均勻，經(jīng)過多次理論分析和具體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差分析，我們排除了單一光源以及之前系統(tǒng)采用的氙燈光源LED燈補(bǔ)償?shù)确桨?，最終選擇了使用氙燈和鹵鎢燈雙光源的方案，使得改進(jìn)后的系統(tǒng)最終輸出結(jié)果在精確度和穩(wěn)定度方面得到提高。

圖2 光譜范圍Fig.2 Spectral range

在350nm～600nm附近氙燈的光譜平滑且光照強(qiáng)度較強(qiáng)，因此我們?cè)?50nm～600nm附近使用氙燈作為光源；而在600nm～950nm之間，鹵鎢燈的光譜逐漸攀升，且較為平滑、光照強(qiáng)度較大，因此在600nm～950nm之間，我們使用鹵鎢燈作為系統(tǒng)的光源。我們?nèi)‰療艉望u鎢燈的光譜特性中平滑的波段，使其分別在系統(tǒng)的相應(yīng)波段工作，則能夠很好地避免他們光譜特性中抖動(dòng)的部分。

3 色溫的模擬

在本次設(shè)計(jì)任務(wù)中，我們通過普朗克黑體輻射定律來計(jì)算出各色溫下的光譜曲線，然后對(duì)不同波段的光進(jìn)行光強(qiáng)控制，均勻混合合成，從而達(dá)到高精度模擬色溫的目的。

3.1 傳光

設(shè)計(jì)中所需要的波長(zhǎng)跨度為350nm～950 nm，其中每50nm分為一個(gè)控光單元，共13條支路，因此需要13條光纖來進(jìn)行分光。我們首先需要考慮到在滿足研究任務(wù)要求的前提下節(jié)約成本，但是由于該星等及光譜可調(diào)的單星模擬器系統(tǒng)的光源工作時(shí)間較長(zhǎng)，光源溫度會(huì)隨著光照時(shí)間的增長(zhǎng)而升高。光纖束在光傳遞過程中，其溫度也會(huì)隨著時(shí)間的變化而升高。因此，我們?cè)谶x擇時(shí)，需要注意選擇耐高溫的光纖。在實(shí)驗(yàn)之初，我們選用了11路玻璃光纖來完成光在450nm～950nm波段的光傳遞。在350nm和400nm的紫外光波段的光傳遞則需要選用石英光纖來進(jìn)行傳遞。在系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中我們發(fā)現(xiàn)，隨著光照時(shí)間的增加，石英光纖和玻璃光纖的溫度都會(huì)增加，光纖傳導(dǎo)中的數(shù)值孔徑角和傳光效率都會(huì)受到影響。后來我們發(fā)現(xiàn)了另外一種光纖叫液芯光纖［11］。它是一種不同于其他普通石英光纖的新型光傳輸元件。這種光纖是將透明液體填充在折射率較低的聚合物材料包層管中，填充在其中的透明液體即是這種光纖的纖芯。這種光纖具有芯徑大，數(shù)值孔徑大，傳光效率高，光譜傳輸范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。所以系統(tǒng)中所有的傳光光纖束（圖1中4兩側(cè)）我們都使用了液芯光纖。

圖3 液芯光纖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of liquid core optical fiber

3.2 波段光強(qiáng)控制

我們通過數(shù)學(xué)建模模擬出光譜色溫的模擬曲線，由此可得出相應(yīng)的擬合系數(shù)。由其擬合系數(shù)可以確定可變光闌的透光率。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中根據(jù)相應(yīng)的擬合系數(shù)使用碼盤控制步進(jìn)電機(jī)，來控制可變光闌的透光率。光源經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入可變光闌，傳導(dǎo)至10%分束鏡后匯聚輸出。經(jīng)過10%分束鏡之后，部分光作為參考光進(jìn)入光電池，用于檢測(cè)當(dāng)前光源的光強(qiáng)。根據(jù)當(dāng)前的光強(qiáng)，通過控制面板實(shí)時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)對(duì)可變光闌進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到對(duì)光強(qiáng)的控制。這樣即可以用碼盤控制對(duì)系統(tǒng)在需要校準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，又可以用光強(qiáng)反饋控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)光強(qiáng)控制反饋調(diào)節(jié)。

圖4 波段光強(qiáng)控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of light intensity controller

3.3 勻光合成

光源發(fā)出的光在經(jīng)過波段光強(qiáng)控制器控制模擬恒星的色溫之后，13路光強(qiáng)匯聚到一起需要經(jīng)過一個(gè)勻光系統(tǒng)，把13路光混合均勻。

式中：Ad表示積分球出口的表面積；As表示積分球的內(nèi)表面表面積；ρw表示內(nèi)表面涂層的反射率；ρw，avg表示積分球的內(nèi)壁涂層平均反射率。由上面的公式可以看出，積分球的透射率與積分球的內(nèi)表面積成反比，與積分球的出口表面積成正比。內(nèi)表面積比出口表面積要小得多，所以使用這種方案雖然可以很好地勻光，但是積分球?qū)嶋H上也是一個(gè)光衰減器，經(jīng)過積分球勻光之后得到的光源大幅度衰減，不再能滿足后繼系統(tǒng)的要求。

在投融資方案上充分發(fā)揮政府投資對(duì)社會(huì)資本的引導(dǎo)放大作用，吸引社會(huì)資本參與。要堅(jiān)持以市場(chǎng)為導(dǎo)向，以制度建設(shè)為重點(diǎn)，形成市場(chǎng)融資為主導(dǎo)、政府投資為補(bǔ)充、民間投資健康發(fā)展的投融資格局。在旅游、醫(yī)療、教育、停車等社會(huì)化產(chǎn)業(yè)服務(wù)領(lǐng)域，堅(jiān)持以政策導(dǎo)向引領(lǐng)，社會(huì)資本主導(dǎo)參與建設(shè)為原則，通過出讓特許經(jīng)營權(quán)、第三方付費(fèi)、使用者付費(fèi)結(jié)合少量政府補(bǔ)助的方式，鼓勵(lì)社會(huì)資本加大此類應(yīng)用的建設(shè)力度和速度。利用社會(huì)資本的靈活性和企業(yè)服務(wù)的創(chuàng)新性實(shí)現(xiàn)智慧城市的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。

因此系統(tǒng)需要一種光損耗在較小范圍內(nèi)的器件來實(shí)現(xiàn)勻光。最終選取六棱鏡積分棒，光線從六棱鏡積分棒的一個(gè)端面入射時(shí)，當(dāng)光線折射到積分棒內(nèi)部之后，在積分棒的內(nèi)壁上形成了全反射，不同波長(zhǎng)的光在積分棒內(nèi)經(jīng)過不同的光路多次反射后出射，假設(shè)入射時(shí)是一個(gè)光源，經(jīng)過多次反射后會(huì)形成多束光，出射時(shí)會(huì)形成多個(gè)光源“鏡像”，或稱為子光源，子光源在出口處形成疊加，從而達(dá)到光的積分，這樣，就相當(dāng)于把一個(gè)光源在能量層面上均勻化了。

圖5 六棱鏡積分棒勻光示意圖Fig.5 Schematic of hexagonal prism integrator rod

但是在六棱鏡的出射端面，不同波長(zhǎng)的光在其出射點(diǎn)的能量相對(duì)較為集中，因此在六棱鏡的出射端面就形成了清晰的小亮斑，并沒有達(dá)到非常理想的勻光的目的。我們又在其后面加上了毛玻璃，這與積分球的漫反射原理相似。毛玻璃的表面越是毛糙，其透光率就越低，經(jīng)過毛玻璃之后的光源的光強(qiáng)就會(huì)越弱，我們只能通過實(shí)驗(yàn)盡可能在滿足光源透光度的情況下，選擇毛糙度最高的毛玻璃。在六棱鏡之后安置一塊毛玻璃，使各個(gè)子光源光線在傳遞至毛玻璃時(shí)發(fā)生無規(guī)律折射，進(jìn)一步使光源平均，達(dá)到勻光的目的。光源在經(jīng)過毛玻璃之后再經(jīng)過匯聚透鏡匯聚成點(diǎn)光源進(jìn)入下一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。

4 星等的模擬

在選擇星等調(diào)節(jié)控制器的方案時(shí)，我們提出了兩種方案。

方案一：光源經(jīng)過勻光系統(tǒng)之后，經(jīng)過光纖耦合器進(jìn)入準(zhǔn)直透鏡，經(jīng)過可變光闌和反射鏡后由匯聚透鏡匯聚輸出。其中用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制可變光闌，改變可變光闌的大小直接控制光的通過量；用另外一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制反射鏡衰減陣列。通過2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)的控制，模擬出恒星星等。反射鏡衰減陣列總共可以分為3組，主要目的是把光源分為3大塊，以實(shí)現(xiàn)0～＋6.5MI的星等調(diào)節(jié)。而步進(jìn)電機(jī)控制下的可變光闌則實(shí)現(xiàn)每一部分的小調(diào)節(jié)，完成具體的模擬。星等控制器在機(jī)構(gòu)上跟波段光強(qiáng)控制器大體相同。

在對(duì)此方案的研究中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)把反射鏡衰減／陣列調(diào)節(jié)到固定值之后，反射鏡衰減陣列便不能隨著光源照射時(shí)間的增長(zhǎng)而發(fā)生變化，但是光源的光強(qiáng)卻隨著光照時(shí)間的增長(zhǎng)發(fā)生變化，不再是本時(shí)刻光源光強(qiáng)的理論照射值。除此之外，我們通過調(diào)節(jié)可變光闌來實(shí)現(xiàn)對(duì)光源光強(qiáng)的微調(diào)，但是當(dāng)我們把可變光闌調(diào)節(jié)至理論的光強(qiáng)值口徑時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)有些波長(zhǎng)的光無法再正常通過可變光闌，從而導(dǎo)致該波長(zhǎng)的光消失了。因此這種方案使得系統(tǒng)存在太大的誤差，無法滿足系統(tǒng)的精確要求。

方案二：經(jīng)過研究，使用可變光闌和反射鏡的調(diào)節(jié)都屬于幾何調(diào)節(jié)，而不是根據(jù)光源的光譜特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，由此我們發(fā)現(xiàn)了使用中性密度濾波片可以達(dá)到所要求的調(diào)節(jié)目的。中性密度濾波片可以在保持光能量透過率基本不變的情況下，等比例地衰減光源的所有波長(zhǎng)的光強(qiáng)。在系統(tǒng)中，為了調(diào)節(jié)和控制方便，選擇使用圓形漸變的中性密度濾波片。

使用中性密度濾波片作為星等調(diào)節(jié)的最大好處便是系統(tǒng)的星等調(diào)節(jié)和波段調(diào)節(jié)完全分離開來，即把系統(tǒng)的光譜調(diào)節(jié)和光強(qiáng)度調(diào)節(jié)完全分開，則系統(tǒng)的星等調(diào)節(jié)就不再受前一光源系統(tǒng)的影響，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室為星等及光譜可調(diào)的單星模擬器系統(tǒng)搭建了一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試所用的主要光學(xué)儀器是光譜儀，測(cè)試時(shí)使用OSM-Analyst軟件。分別測(cè)試了2 600K、3 600K、4 300K、5 000K、5 500K、6 000K、6 800K、7 600K、9 800K 色 溫情況下的各個(gè)光譜圖。圖6和表1分別為9 800K色溫模擬和各種色溫情況下星等模擬光度實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。表1中的標(biāo)準(zhǔn)值是系統(tǒng)在各種色溫情況下所需要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)光度。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)可以在色溫和星等方面高精度地模擬單星，并且在可靠性和成本控制方面有良好的表現(xiàn)。

圖6 在9 800K情況下的光譜擬合曲線Fig.6 Spectral fitting curve（9 800 K）

表1 標(biāo)準(zhǔn)星等光度與各個(gè)色溫情況下實(shí)測(cè)星等光度對(duì)照表（MI）Table 1 Magnitude comparison between standard magnitude and measured magnitude under different color temperatures（MI）

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