高轨道准直式红外地球模拟器光学系统设计

王航　张国玉　王远等

摘要： 为了提高红外地球敏感器的地面测试与标定精度，以地球模拟器能够精确达到技术指标为目的，对地球模拟器光学系统进行研究。在光学系统中将地球光阑放于锗准直透镜的焦平面附近，使得通过地球光阑的光入射到锗准直透镜后，以平行光出射到红外地球敏感器上。同时根据卫星在同步轨道、更高轨道和较低轨道所使用的红外地球敏感器地面标定试验的需求，采用更换地球光阑的方案，提供了三种不同的地球张角。计算结果表明，地球模拟器边缘处成像清晰，且三种不同轨道的地球张角误差均小于±0.05°。该方案设计的地球模拟器可准确在地面上模拟卫星在太空中所看到的地球，满足了地球模拟器的整体性能要求。

关键词： 地球模拟器； 锗透镜； 红外光学系统； 可变光阑

中图分类号： TB 133文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.006

引言

高轨道准直式红外地球模拟器是红外地球敏感器在地面上的重要标定设备，它的主要作用是模拟卫星在运行轨道上所观察到的地球。红外地球敏感器是卫星姿态测量及控制的关键部件，其地面标定实验必将会影响到卫星在不同轨道上的工作精度。该模拟器的研究对提高红外地球敏感器的精度及性能有着重要意义。

1地球模拟器总体模拟方案

高轨道准直式红外地球模拟器主要由以下几个部分组成：锗准直透镜及其组件、地球光阑及其调整架、热地球、温控系统和光轴基准镜六个部分，其总体结构图如图1所示。

该方案是将有限尺寸的地球光阑放置在锗准直透镜焦平面附近，使得通过地球光阑的光线经过锗准直透镜后，以平行光束入射到地球敏感器上，这样在透镜前方观察时，相当于地球处于无穷远处；当卫星处于不同轨道高度时，看到的地球张角是不同的，为了实现不同轨道高度的模拟，采用了可更换地球光阑的方法，通过改变地球光阑的直径大小，实现了不同轨道高度的模拟；地球模拟器除能模拟不同地球张角外，还需要模拟地球辐射亮度与太空辐射亮度之间的差异，通过地球模拟器的温度调节系统来控制热地球和地球光阑的温度，使二者之间的温度差异等同于地球与太空间的辐射亮度差，从而模拟了地球敏感器在空间不同轨道高度上接收地球14～16.25 μm红外辐射的不同工作状态[14]。

2地球模拟器光学系统设计

2.1锗透镜的选择

准直式锗透镜分为弯月型和平凸型两种透镜，在焦距一定，口径为Φ300 mm的情况下，平凸型透镜在边缘球差与子午光束最小弥散斑等方面均不如弯月型透镜理想，故选择弯月型透镜。锗单晶对于在14～16.25 μm范围内的光有着较好的透过率，但吸收率和反射率也很大，故使用单片弯月型锗准直透镜来进行光学设计。

2.2锗准直透镜中心厚度d的计算

锗的吸收率同锗透镜的中心厚度及光的波长有关，厚度越大，吸收率增加，波长在15.6 μm时吸收更大。所以，应在满足光学加工的前提下，尽量减少透镜的厚度，来增加透射率，从而减少吸收率所带来的损失。

3地球模拟器像质评价与误差分析

对地球模拟器光学系统的评价，采用点列图和视场角结合来评价是合理的，对于存在较大像差的光学系统，可根据点列图里弥散斑的疏密情况来评价其像质的好坏，用弥散斑大小来综合评价实际像差的大小是可行的，其点列图如图5、图6和图7所示[5]。

点列图表示弥散斑大小和分布情况，由图可以看出，子午方向弥散范围较大，而弧矢方向弥散范围较小，地球模拟器主要是子午光束影响地球边界的清晰度，而弧矢光束相对影响较小。

准直式红外地球模拟器实际上是一个热平行光管，但由于单片锗准直透镜像差校正不完全，使得出射光束不可能完全平行，通过对光路的反向运算，来检验地球光阑的位置L′及直径D′的正确性。选定地球光阑面为物面，算出不同轨道高度地球光阑边缘点发出光线对应的出射角，该出射角就是锗准直透镜的半视场角，即地球张角，与标准地球张角相比较如表3所示[68]。

4结论

本文应用红外技术与光学准直技术，对锗准直透镜进行了设计，同时，根据锗透镜自身的光学参数，分析计算了地球光阑和热地球的位置及大小。经设计了一种高轨道准直式红外地球模拟器，实现了卫星在三种不同轨道高度上的模拟。利用Zemax软件对光学系统进行了仿真测试，从计算结果可知，三种不同轨道的地球张角误差均小于±0.05°，能够准确地在地面上模拟卫星在太空中所观察到的地球，满足了地球模拟器的整体性能要求。

参考文献：

[1]黄心耕.准直式地球模拟器锗准直透镜光学系统的设计[J].航天控制，2004，22（3）：5457.

[2]HANDA J.Earth sensor keeps satellite on track[J].Photonics Spectra，1998，32（1）：2226.

[3]惠彬，裴云天，李景镇.空间红外光学系统技术综述[J].光学仪器，2007，29（4）：9094.

[4]吕银环，刘石神，催维鑫，等.双圆锥扫描红外地球模拟器精密光学校准[J].光学工程，2012，39（9）：2934.

[5]郜洪云，熊涛，杨长城.中波红外连续变焦光学系统[J].光学精密工程，2007，15（7）：10381043.

[6]张国玉，张帆，徐熙平，等.小型准直式红外地球模拟器研究[J].仪器仪表学报，2007，28（3）：545549.

[7]吕涛，陈小云，付东辉，等.低轨道红外地球模拟器设计[J].长春理工大学学报（自然科学版），2012，35（3）：2224.

[8]王宝.用Zemax设计非球面补偿系统[J].光学仪器，2006，28（1）：3943.

摘要： 为了提高红外地球敏感器的地面测试与标定精度，以地球模拟器能够精确达到技术指标为目的，对地球模拟器光学系统进行研究。在光学系统中将地球光阑放于锗准直透镜的焦平面附近，使得通过地球光阑的光入射到锗准直透镜后，以平行光出射到红外地球敏感器上。同时根据卫星在同步轨道、更高轨道和较低轨道所使用的红外地球敏感器地面标定试验的需求，采用更换地球光阑的方案，提供了三种不同的地球张角。计算结果表明，地球模拟器边缘处成像清晰，且三种不同轨道的地球张角误差均小于±0.05°。该方案设计的地球模拟器可准确在地面上模拟卫星在太空中所看到的地球，满足了地球模拟器的整体性能要求。

关键词： 地球模拟器； 锗透镜； 红外光学系统； 可变光阑

中图分类号： TB 133文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.006

引言

高轨道准直式红外地球模拟器是红外地球敏感器在地面上的重要标定设备，它的主要作用是模拟卫星在运行轨道上所观察到的地球。红外地球敏感器是卫星姿态测量及控制的关键部件，其地面标定实验必将会影响到卫星在不同轨道上的工作精度。该模拟器的研究对提高红外地球敏感器的精度及性能有着重要意义。

1地球模拟器总体模拟方案

高轨道准直式红外地球模拟器主要由以下几个部分组成：锗准直透镜及其组件、地球光阑及其调整架、热地球、温控系统和光轴基准镜六个部分，其总体结构图如图1所示。

该方案是将有限尺寸的地球光阑放置在锗准直透镜焦平面附近，使得通过地球光阑的光线经过锗准直透镜后，以平行光束入射到地球敏感器上，这样在透镜前方观察时，相当于地球处于无穷远处；当卫星处于不同轨道高度时，看到的地球张角是不同的，为了实现不同轨道高度的模拟，采用了可更换地球光阑的方法，通过改变地球光阑的直径大小，实现了不同轨道高度的模拟；地球模拟器除能模拟不同地球张角外，还需要模拟地球辐射亮度与太空辐射亮度之间的差异，通过地球模拟器的温度调节系统来控制热地球和地球光阑的温度，使二者之间的温度差异等同于地球与太空间的辐射亮度差，从而模拟了地球敏感器在空间不同轨道高度上接收地球14～16.25 μm红外辐射的不同工作状态[14]。

2地球模拟器光学系统设计

2.1锗透镜的选择

准直式锗透镜分为弯月型和平凸型两种透镜，在焦距一定，口径为Φ300 mm的情况下，平凸型透镜在边缘球差与子午光束最小弥散斑等方面均不如弯月型透镜理想，故选择弯月型透镜。锗单晶对于在14～16.25 μm范围内的光有着较好的透过率，但吸收率和反射率也很大，故使用单片弯月型锗准直透镜来进行光学设计。

2.2锗准直透镜中心厚度d的计算

锗的吸收率同锗透镜的中心厚度及光的波长有关，厚度越大，吸收率增加，波长在15.6 μm时吸收更大。所以，应在满足光学加工的前提下，尽量减少透镜的厚度，来增加透射率，从而减少吸收率所带来的损失。

3地球模拟器像质评价与误差分析

对地球模拟器光学系统的评价，采用点列图和视场角结合来评价是合理的，对于存在较大像差的光学系统，可根据点列图里弥散斑的疏密情况来评价其像质的好坏，用弥散斑大小来综合评价实际像差的大小是可行的，其点列图如图5、图6和图7所示[5]。

点列图表示弥散斑大小和分布情况，由图可以看出，子午方向弥散范围较大，而弧矢方向弥散范围较小，地球模拟器主要是子午光束影响地球边界的清晰度，而弧矢光束相对影响较小。

准直式红外地球模拟器实际上是一个热平行光管，但由于单片锗准直透镜像差校正不完全，使得出射光束不可能完全平行，通过对光路的反向运算，来检验地球光阑的位置L′及直径D′的正确性。选定地球光阑面为物面，算出不同轨道高度地球光阑边缘点发出光线对应的出射角，该出射角就是锗准直透镜的半视场角，即地球张角，与标准地球张角相比较如表3所示[68]。

4结论

本文应用红外技术与光学准直技术，对锗准直透镜进行了设计，同时，根据锗透镜自身的光学参数，分析计算了地球光阑和热地球的位置及大小。经设计了一种高轨道准直式红外地球模拟器，实现了卫星在三种不同轨道高度上的模拟。利用Zemax软件对光学系统进行了仿真测试，从计算结果可知，三种不同轨道的地球张角误差均小于±0.05°，能够准确地在地面上模拟卫星在太空中所观察到的地球，满足了地球模拟器的整体性能要求。

参考文献：

[1]黄心耕.准直式地球模拟器锗准直透镜光学系统的设计[J].航天控制，2004，22（3）：5457.

[2]HANDA J.Earth sensor keeps satellite on track[J].Photonics Spectra，1998，32（1）：2226.

[3]惠彬，裴云天，李景镇.空间红外光学系统技术综述[J].光学仪器，2007，29（4）：9094.

[4]吕银环，刘石神，催维鑫，等.双圆锥扫描红外地球模拟器精密光学校准[J].光学工程，2012，39（9）：2934.

[5]郜洪云，熊涛，杨长城.中波红外连续变焦光学系统[J].光学精密工程，2007，15（7）：10381043.

[6]张国玉，张帆，徐熙平，等.小型准直式红外地球模拟器研究[J].仪器仪表学报，2007，28（3）：545549.

[7]吕涛，陈小云，付东辉，等.低轨道红外地球模拟器设计[J].长春理工大学学报（自然科学版），2012，35（3）：2224.

[8]王宝.用Zemax设计非球面补偿系统[J].光学仪器，2006，28（1）：3943.

摘要： 为了提高红外地球敏感器的地面测试与标定精度，以地球模拟器能够精确达到技术指标为目的，对地球模拟器光学系统进行研究。在光学系统中将地球光阑放于锗准直透镜的焦平面附近，使得通过地球光阑的光入射到锗准直透镜后，以平行光出射到红外地球敏感器上。同时根据卫星在同步轨道、更高轨道和较低轨道所使用的红外地球敏感器地面标定试验的需求，采用更换地球光阑的方案，提供了三种不同的地球张角。计算结果表明，地球模拟器边缘处成像清晰，且三种不同轨道的地球张角误差均小于±0.05°。该方案设计的地球模拟器可准确在地面上模拟卫星在太空中所看到的地球，满足了地球模拟器的整体性能要求。

关键词： 地球模拟器； 锗透镜； 红外光学系统； 可变光阑

中图分类号： TB 133文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.006

引言

高轨道准直式红外地球模拟器是红外地球敏感器在地面上的重要标定设备，它的主要作用是模拟卫星在运行轨道上所观察到的地球。红外地球敏感器是卫星姿态测量及控制的关键部件，其地面标定实验必将会影响到卫星在不同轨道上的工作精度。该模拟器的研究对提高红外地球敏感器的精度及性能有着重要意义。

1地球模拟器总体模拟方案

高轨道准直式红外地球模拟器主要由以下几个部分组成：锗准直透镜及其组件、地球光阑及其调整架、热地球、温控系统和光轴基准镜六个部分，其总体结构图如图1所示。

该方案是将有限尺寸的地球光阑放置在锗准直透镜焦平面附近，使得通过地球光阑的光线经过锗准直透镜后，以平行光束入射到地球敏感器上，这样在透镜前方观察时，相当于地球处于无穷远处；当卫星处于不同轨道高度时，看到的地球张角是不同的，为了实现不同轨道高度的模拟，采用了可更换地球光阑的方法，通过改变地球光阑的直径大小，实现了不同轨道高度的模拟；地球模拟器除能模拟不同地球张角外，还需要模拟地球辐射亮度与太空辐射亮度之间的差异，通过地球模拟器的温度调节系统来控制热地球和地球光阑的温度，使二者之间的温度差异等同于地球与太空间的辐射亮度差，从而模拟了地球敏感器在空间不同轨道高度上接收地球14～16.25 μm红外辐射的不同工作状态[14]。

2地球模拟器光学系统设计

2.1锗透镜的选择

准直式锗透镜分为弯月型和平凸型两种透镜，在焦距一定，口径为Φ300 mm的情况下，平凸型透镜在边缘球差与子午光束最小弥散斑等方面均不如弯月型透镜理想，故选择弯月型透镜。锗单晶对于在14～16.25 μm范围内的光有着较好的透过率，但吸收率和反射率也很大，故使用单片弯月型锗准直透镜来进行光学设计。

2.2锗准直透镜中心厚度d的计算

锗的吸收率同锗透镜的中心厚度及光的波长有关，厚度越大，吸收率增加，波长在15.6 μm时吸收更大。所以，应在满足光学加工的前提下，尽量减少透镜的厚度，来增加透射率，从而减少吸收率所带来的损失。

3地球模拟器像质评价与误差分析

对地球模拟器光学系统的评价，采用点列图和视场角结合来评价是合理的，对于存在较大像差的光学系统，可根据点列图里弥散斑的疏密情况来评价其像质的好坏，用弥散斑大小来综合评价实际像差的大小是可行的，其点列图如图5、图6和图7所示[5]。

点列图表示弥散斑大小和分布情况，由图可以看出，子午方向弥散范围较大，而弧矢方向弥散范围较小，地球模拟器主要是子午光束影响地球边界的清晰度，而弧矢光束相对影响较小。

准直式红外地球模拟器实际上是一个热平行光管，但由于单片锗准直透镜像差校正不完全，使得出射光束不可能完全平行，通过对光路的反向运算，来检验地球光阑的位置L′及直径D′的正确性。选定地球光阑面为物面，算出不同轨道高度地球光阑边缘点发出光线对应的出射角，该出射角就是锗准直透镜的半视场角，即地球张角，与标准地球张角相比较如表3所示[68]。

4结论

本文应用红外技术与光学准直技术，对锗准直透镜进行了设计，同时，根据锗透镜自身的光学参数，分析计算了地球光阑和热地球的位置及大小。经设计了一种高轨道准直式红外地球模拟器，实现了卫星在三种不同轨道高度上的模拟。利用Zemax软件对光学系统进行了仿真测试，从计算结果可知，三种不同轨道的地球张角误差均小于±0.05°，能够准确地在地面上模拟卫星在太空中所观察到的地球，满足了地球模拟器的整体性能要求。

参考文献：

[1]黄心耕.准直式地球模拟器锗准直透镜光学系统的设计[J].航天控制，2004，22（3）：5457.

[2]HANDA J.Earth sensor keeps satellite on track[J].Photonics Spectra，1998，32（1）：2226.

[3]惠彬，裴云天，李景镇.空间红外光学系统技术综述[J].光学仪器，2007，29（4）：9094.

[4]吕银环，刘石神，催维鑫，等.双圆锥扫描红外地球模拟器精密光学校准[J].光学工程，2012，39（9）：2934.

[5]郜洪云，熊涛，杨长城.中波红外连续变焦光学系统[J].光学精密工程，2007，15（7）：10381043.

[6]张国玉，张帆，徐熙平，等.小型准直式红外地球模拟器研究[J].仪器仪表学报，2007，28（3）：545549.

[7]吕涛，陈小云，付东辉，等.低轨道红外地球模拟器设计[J].长春理工大学学报（自然科学版），2012，35（3）：2224.

[8]王宝.用Zemax设计非球面补偿系统[J].光学仪器，2006，28（1）：3943.