交会对接光学成像敏感器遮光罩设计

王晓燕，赵春晖，李 志，高文文，龚德铸

（北京控制工程研究所，北京 100190）

交会对接光学成像敏感器遮光罩设计

王晓燕，赵春晖，李 志，高文文，龚德铸

（北京控制工程研究所，北京 100190）

遮光罩是交会对接光学成像敏感器中杂光抑制的重要组件，对有效提取目标点信息、保证敏感器定姿精度有重要作用.着重阐述了基于蒙特卡洛法的交会对接光学成像敏感器遮光罩设计，借助光学仿真软件进行仿真验证，并通过与试验结果进行对比，验证了遮光罩设计的有效性.

光学成像敏感器；遮光罩；杂光抑制

遮光罩作为杂光抑制部件主要应用于成像式敏感器（包括星敏感器、月球敏感器、CCD成像敏感器等）、相机等设备中，是此类部件杂光抑制的重要手段，其主要作用为减少外界杂散光对敏感器成像质量及提取精度的影响［1］.

外界杂光是指光学系统中除了目标光线外，扩散于探测器表面上的其他非目标光辐射能量.实际工作中，交会对接光学成像敏感器可能受到比较强的杂光源干扰，严重时甚至不能正常进行目标识别.因此，有必要对敏感器进行消杂光设计，估计出敏感器的消杂光能力，进一步提高姿态确定精度.

根据设计需求分析，需为交会对接光学成像敏感器设计高消光比的遮光罩以消除杂光影响.本文采用蒙特卡洛法（Monte Carlo）［2］，借助TracePro光学仿真软件，设计了满足使用要求的遮光罩.设计完成后，通过敏感器杂光试验，验证了遮光罩的消杂光能力及其设计的有效性，可满足敏感器的使用要求.

1 遮光罩设计

1.1 应用背景

交会对接光学成像敏感器是完成交会对接任务的关键单机［3-6］，由安装在运输飞船上的交会测量相机和安装在目标飞行器上的目标标志器组成，主要用于交会对接最后靠拢到对接完成阶段相对运动参数测量.

在交会对接过程中，其空间杂光源主要包括太阳光、星体反射光等.如果不能有效抑制外界杂光对敏感器的影响，将直接造成图像背景复杂，杂光噪声将直接影响目标点的提取精度，严重时甚至导致敏感器不能工作.为抑制空间杂光（这里特指敏感器视场外杂光）对于敏感器的影响，需根据整机需要设计相应的遮光罩，达到抑制甚至消除杂光干扰的目的.

1.2 设计指标

根据交会对接敏感器在太空的工作环境，不考虑视场内杂光影响，太阳杂光的最小入射角度为25。，结合敏感器光学镜头设计参数、探测器光谱响应曲线及工作谱段，同时考虑星上安装空间及整机质量要求，整机对遮光罩的设计要求如表1所示.

表1 整机下达的技术指标Tab.1 Specification of the assembly

1.3 设计难点

结合整机给出的设计指标，该交会测量敏感器遮光罩设计难点主要包括：

（1）太阳抑制角小

在遮光罩设计中，太阳抑制角为允许的太阳最小入射角度.该抑制角的大小将直接决定遮光罩的最小设计尺寸.在该遮光罩的设计指标中，杂光抑制角与镜头半视场角相差不到10。，这对遮光罩的设计是一个重大考验.

（2）外形尺寸控制严格

在整机给出的设计指标中，出于工程需要，明确规定了遮光罩的最大外形尺寸及接口尺寸，这将增大遮光罩的设计局限性.根据外形尺寸的限制，结合太阳抑制角的要求，该遮光罩只能选择一级吸收式遮光罩，其杂光抑制能力只能靠遮光罩内部结构设计实现，增大了遮光罩的设计难度.

（3）要求有较高的杂光抑制能力

由于上述两项设计难点的限制，该遮光罩的杂光抑制比相对较高.设计时，只能通过优化内部结构、选择合适的消光涂层来保证其杂光抑制能力.同时还要考虑工程实现性及涂层的空间适应性，保证整机的可靠性.

1.4 设计思想

遮光罩的基本设计思想源于蒙特卡洛法.该方法是一种在许多学科领域被广泛应用的概率模拟方法.在用蒙特卡洛法进行杂光分析计算时，将杂光辐射能看作是由大量独立的能束光线组成，如为 N束.每一能束光线在系统内部的传递过程都可视为随机过程.设N束光线中，最终有n束到达接受器，则N/n即为杂光到达接收器的衰减比例.

遮光罩的消杂光设计是建立在几何光学的基础上的，即杂光在遮光罩内部产生吸收、反射和折射（有透镜的情况）.遮光罩内杂光的吸收、反射和折射遵循表面的反射特性以及折射定律.为提高遮光罩的消杂光能力，杂光在遮光罩内部至少两次反射才能到达遮光罩出口.

遮光罩的类型有很多种，一般与遮光罩衰减比需求、视场角、遮光罩口径和长度、内表面涂层特性、杂光光源的种类和分布、杂光强度等因素有关.一般情况，根据各敏感器对遮光罩的设计要求，结合“尽量多次散射到达遮光罩出口”的设计原则，选择适合的遮光罩类型.

除考虑遮光罩类型外，遮光罩内表面的涂层选择也十分重要.不同涂层经杂光照射后的双向反射分布函数（BRDF，bidirectional reflectance distribution function）不同，太阳吸收比也存在差异.在工程设计中，选择的涂层既要满足空间环境的使用要求，又要在工作谱段内尽量具有较高的太阳吸收比.图1、2分别给出了涂层散射特性为表面漫反射和高斯散射的光强分布示意图.

图1 表面漫反射光强分布示意图Fig.1 Sketch for the light intensity distribution of diffuse reflection on surface

图2 高斯散射的光强分布示意图Fig.2 Sketch for the light intensity distribution of Gaussian scattering

结合光学成像敏感器遮光罩设计的具体指标，在详细设计时，采用以下方法实现遮光罩设计.

1）充分利用敏感器的内部结构空间.光学成像敏感器结构设计时，光学镜头位于整机结构内部，为减少遮光罩最大外轮廓尺寸，将部分遮光罩伸入整机结构中，减少遮光罩出口与镜头入口间的距离，在不影响镜头视场的前提下缩小遮光罩出口口径，使尽量少的光线经遮光罩后进入光学镜头.

2）对遮光罩内部结构进行优化设计.遮光罩采用一级挡光环式遮光罩，在允许的最大口径下，保证不影响光学镜头视场，设计各片挡光环的最小口径.通过几何关系，使从遮光罩入口进入的杂光至少经过两次散射进入光学镜头.

3）选择合适的内部涂层.由于光学成像敏感器工作谱段偏近红外，选择遮光罩内部涂层时主要考察其在近红外谱段的太阳吸收能力.通过比较，选择了一种对近红外谱段吸收效果很好的有机涂层作为遮光罩内表面涂层，在工作谱段该涂层的太阳吸收比可大于0.96.通过喷涂试片，实际测试该涂层的BRDF特性，作为仿真时的设计输入.

结合以上3点，经过多次仿真优化，设计了满足指标要求的遮光罩.

2 仿真及设计结果

2.1 仿真环境

遮光罩初步设计完成后，通过专用光学软件——TracePro软件进行仿真优化，验证遮光罩内部挡光环的杂光抑制能力.

在软件建模及参数设定时，根据实际工作中交会测量敏感器各组件间的相对位置建立模型，对不影响仿真分析的部分予以简化.表面涂层要与实际产品状态相对应，具体特性要根据该涂层的BRDF的测试数据建立.模型建好后，可通过设置重点采样面、开启光线分裂功能和设置合理的仿真光线数提高仿真精度.图3为仿真光路示意图.

图3 遮光罩仿真光路示意图Fig.3 Sketch for the light path simulation of baffle

2.2 仿真及设计结果

在遮光罩入口面生成1×108束光线，每一束光线代表Φtotal/108（Φtotal为进入遮光罩入口的总能量）的能量.所有光线互为平行线，在遮光罩入口面上均匀分布，以与遮光罩光轴25。的夹角进入遮光罩.

采用仿真软件模拟光线在遮光罩内的吸收、反射，最后统计到达遮光罩出口面的光线数，统计结果如表2所示.遮光罩抑制能力随太阳入射角度变化曲线如图4所示.

表2 遮光罩消杂光能力分析结果Tab.2 Analysis result of the stray light suppression capability of baffle

图4 遮光罩抑制能力随太阳入射角度变化关系Fig.4 Baffle suppression capability-sunlight incident relation

由分析结果可以看出，遮光罩的抑制能力随太阳入射角度的增大而增强.当杂光源位于遮光罩的抑制角外即太阳入射角大于25。时，遮光罩的杂光抑制比≥1.68×10-6，满足设计要求.此时，光学成像敏感器应不受太阳杂光干扰，可以正常工作.

遮光罩的主要设计参数如下：

1）遮光罩入口口径：Φ130 mm（有效通光孔径Φ113.6mm）；

2）遮光罩出口口径：Φ54mm（有效通光孔径Φ27.8mm）；

3）挡光环数量：9个；

4）遮光罩长度：160mm；

5）遮光罩材料：硬铝合金.

考虑遮光罩加工工艺性，将遮光罩分为两段，后段的部分长度探入敏感器内部，前段伸出敏感器的部分长为130mm.

3 试验结果

为验证光学成像敏感器遮光罩设计结果的符合情况，在地面专用试验室中建立杂光测试环境，以太阳模拟器模拟太阳杂光，考察太阳光以不同角度入射时经遮光罩衰减后敏感器的性能变化影响，从整机使用角度评价遮光罩的设计是否满足设计要求.

3.1 试验步骤

试验步骤如下：

1）根据图5所示放置各试验设备，敏感器固定在试验台上，使光轴与太阳模拟器光斑中心轴同高，与供电、地检设备联试工作正常；

2）将近场目标标志器安装到支架上，使中心轴与太阳模拟器光斑中心轴同高，与供电、地检设备联试工作正常；

3）校准太阳模拟器，太阳常数≥0.9；

4）校准近场目标标志器；

5）设置太阳模拟器与敏感器相对位置，使两主轴同轴；

6）在不同太阳入射角度的情况下，测试敏感器的性能变化情况.

图5 试验布局图Fig.5 Sketch for test arrangement

3.2 测试结果

当太阳光以各角度入射时，光学成像敏感器的相对位置精度均小于1mm（x、y方向），满足小于3 mm的指标要求，相对姿态精度均小于1.6′，满足小于1.8′的指标要求.试验结果证明太阳光入射角大于25。时，外界杂光经遮光罩衰减后，不影响光学成像敏感器的正常工作，与仿真结论一致.

4 结 论

交会对接光学成像敏感器测量技术是交会对接任务的关键技术之一，为避免其在轨工作时受空间杂光影响，根据整机任务要求设计了小型化、高抑制比的专用遮光罩.通过软件仿真及地面杂光试验验证，证明该遮光罩的设计完全满足整机指标要求，能圆满完成敏感器的杂光抑制任务.

［1］ 李晖，李英才.星载光学系统遮光罩消杂光结构优化设计方法 ［J］.光子学报，1996，25（10）：914-919 Li H，Li Y C.An optimum design method for the light hade of spaceborne optical system［J］.Acta Photonica Sinica，1996，25（10）：914-919

［2］ 夏新林，帅永，谈和平，唐勇.蒙特卡洛法杂散光分析中伪随机数与概率模型的检验分析［C］.空间飞行器总体技术学术交流会，武夷山，2002 Xia X L，Shuai Y，Tan H P，Tang Y.Verification of pseudo-random number and probabilistic model for stray light analysis by Monte-Carolmethod［C］.Spacraft General Technical Symposium，Wuyishan，2002

［3］ 吴宏鑫，胡海霞，解永春，等.自主交会对接若干问题［J］.宇航学报，2003，24（2）：132-137 Wu H X，Hu H X，Xie Y C，et al.Model of attitude correction of infrared horizon sensor［J］.Journal of Astronautics，2003，24（2）：132-137

［4］ 解永春，张昊，石磊，等.交会对接光学成像敏感器设计中的关键问题 ［J］.航天控制，2006，24（5）：35-44 Xie Y C，Zhang H，Shi L，et al.Seme key technical problems in the design of optical sensor used in RVD［J］.Aerospace Control，2006，24（5）：35-44

［5］ 刘慎钊，张新邦.载人飞船交会对接半物理仿真试验环境研究［J］.计算机仿真，2005（Z1）：208-212 Liu SZ，Zhang X B.Test environment research for rendezvous and docking hardloare in the loop simulation of manned space craft［J］.Computer Simulation，2005（Z1）：208-212

［6］ Cunha P D，Strandmoe S.Qualification of videometer，an optical rendezvous sensor［C］.The 54thInternational Astronautical Congress，Bremen，Germany，Sep.20-Oct.3，2003

Design of Optical Im aging Sensor Baffle Used in Autonom ous Rendezvous and Docking

WANG Xiaoyan，ZHAO Chunhui，LIZhi，GAO Wenwen，GONG Dezhu
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China）

Baffle is an important stray light suppression assembly of optical imaging sensor used in autonomous rendezvous and docking（RVD）.It givesmuch contribution to the sensor in extracting information of the object and improving the attitude determination accuracy.The Monte Carlomethod-based baffle design is described in this paper.Moreover，bymeans of optical simulation software the comparison between the simulation result of the design and the experiment result shows that the design method is effective.

optical imaging sensor；baffle；stray light suppression

TP212，V44

A

1674-1579（2012）02-0041-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.02.008

王晓燕（1980—），女，工程师，研究方向为成像敏感器光机结构设计；赵春晖（1972—），男，高级工程师，研究方向为空间视觉导航敏感器设计；

李 志（1979—），男，工程师，研究方向为项目管理，产品配套供应管理；高文文（1968—），女，高级工程师，研究方向为光学敏感器探头电路设计；龚德铸（1977—），男，高级工程师，研究方向为成像式敏感器设计.

2011-09-19