星等及光谱可调的标定用单星模拟器系统设计

马 强，张 涛

（四川大学 激光应用研究所，四川 成都610065）

引言

星模拟器是伴随着星敏感器的诞生和发展而逐步起步的。星敏感器是航空飞船等飞行器空间姿态敏感器中的一种，主要是利用星空中的恒星作为参考点设置参考系［1-2］。由于可以参考的恒星数目比较多，使得测量出来的结果相对于其他方法的空间姿态敏感器更加精确。在星敏感器技术中非常关键的一项就是对周围恒星发射光的接收，所以对星敏感器进行标定就显得尤为重要［3-4］。星模拟器作为一种对敏感器进行地面标定的设备无疑避免了在轨标定危险、昂贵的缺点［5-6］。

星模拟器按照功能可以分为标定型和功能检测型两大类［7］，标定型通常对单个星点像的星等、色温等光学参量进行模拟，主要用于对星敏感器的探测能力，光信号分辨能力与处理能力的标定，因此格外注重对精度的要求［8-9］；功能型则是对多个星的实际位置、分布等进行整体模拟，考察星敏感器对于光信号的处理转换，坐标的运算转换，星点模拟位置的精确度等技术指标要求，注重的是对各星点像的位置要求［10］。

本文讨论的是标定型的单星模拟器，所要实现的功能是在实验室内提供与单颗真实恒星在光度特性、光谱特性、几何特征等方面趋于一致的模拟的恒星。

1 系统组成

本项目设计工作原理是由电光源发出的光线经一进多出光纤束传入多路波段光强控制器，经每一路控制器的带通滤光片后形成具有以某一波长为中心波长、具有一定谱带宽度的光。根据给定的拟合系数调节每一路光强控制器的光阑，得到多束不同光谱、不同强度的光线，再经多进一出光纤束后投射到六棱镜积分棒内进行均匀混合，从而实现对恒星色温的模拟。拟合得到的不同色温的光进入到星等控制系统时，由可控光阑加反射镜大范围控制星等，再调节可控光阑使光强按所需倍率衰减，可以获得所需模拟恒星的亮度，从而实现对恒星亮度特征的模拟。

总体结构有电源、光源、波段光强控制器、六棱镜、星等控制器、工控箱、PC机7部分组成。

图1 单星模拟器系统组成Fig.1 Structure of whole system

系统需要在峰值光谱350nm～950nm之间对星等范围在0～＋6.5MI、等效黑体温度为：2 600K、3 600K、4 300K、5 000K、5 500K、6 000K、6 800K、7 600K、9 800K的行星进行模拟。

2 光源选择

目前使用较普遍的光学光源有激光光源、发光二极管、氙灯、卤素灯、卤钨灯、钨丝灯、白炽灯等。但由于系统设计的原因对光源要求比较高，波段尽量可以完美覆盖350nm～950nm，且在这一谱段的发光频率比较大且均匀，经过多次理论分析和具体的实验系统误差分析，我们排除了单一光源以及之前系统采用的氙灯光源LED灯补偿等方案，最终选择了使用氙灯和卤钨灯双光源的方案，使得改进后的系统最终输出结果在精确度和稳定度方面得到提高。

图2 光谱范围Fig.2 Spectral range

在350nm～600nm附近氙灯的光谱平滑且光照强度较强，因此我们在350nm～600nm附近使用氙灯作为光源；而在600nm～950nm之间，卤钨灯的光谱逐渐攀升，且较为平滑、光照强度较大，因此在600nm～950nm之间，我们使用卤钨灯作为系统的光源。我们取氙灯和卤钨灯的光谱特性中平滑的波段，使其分别在系统的相应波段工作，则能够很好地避免他们光谱特性中抖动的部分。

3 色温的模拟

在本次设计任务中，我们通过普朗克黑体辐射定律来计算出各色温下的光谱曲线，然后对不同波段的光进行光强控制，均匀混合合成，从而达到高精度模拟色温的目的。

3.1 传光

设计中所需要的波长跨度为350nm～950 nm，其中每50nm分为一个控光单元，共13条支路，因此需要13条光纤来进行分光。我们首先需要考虑到在满足研究任务要求的前提下节约成本，但是由于该星等及光谱可调的单星模拟器系统的光源工作时间较长，光源温度会随着光照时间的增长而升高。光纤束在光传递过程中，其温度也会随着时间的变化而升高。因此，我们在选择时，需要注意选择耐高温的光纤。在实验之初，我们选用了11路玻璃光纤来完成光在450nm～950nm波段的光传递。在350nm和400nm的紫外光波段的光传递则需要选用石英光纤来进行传递。在系统的实验验证过程中我们发现，随着光照时间的增加，石英光纤和玻璃光纤的温度都会增加，光纤传导中的数值孔径角和传光效率都会受到影响。后来我们发现了另外一种光纤叫液芯光纤［11］。它是一种不同于其他普通石英光纤的新型光传输元件。这种光纤是将透明液体填充在折射率较低的聚合物材料包层管中，填充在其中的透明液体即是这种光纤的纤芯。这种光纤具有芯径大，数值孔径大，传光效率高，光谱传输范围广等优点。所以系统中所有的传光光纤束（图1中4两侧）我们都使用了液芯光纤。

图3 液芯光纤结构示意图Fig.3 Structure of liquid core optical fiber

3.2 波段光强控制

我们通过数学建模模拟出光谱色温的模拟曲线，由此可得出相应的拟合系数。由其拟合系数可以确定可变光阑的透光率。在系统设计中根据相应的拟合系数使用码盘控制步进电机，来控制可变光阑的透光率。光源经过准直透镜进入可变光阑，传导至10%分束镜后汇聚输出。经过10%分束镜之后，部分光作为参考光进入光电池，用于检测当前光源的光强。根据当前的光强，通过控制面板实时控制步进电机对可变光阑进行调节，达到对光强的控制。这样即可以用码盘控制对系统在需要校准时进行校准，又可以用光强反馈控制对系统进行实时光强控制反馈调节。

图4 波段光强控制器结构图Fig.4 Structure of light intensity controller

3.3 匀光合成

光源发出的光在经过波段光强控制器控制模拟恒星的色温之后，13路光强汇聚到一起需要经过一个匀光系统，把13路光混合均匀。

式中：Ad表示积分球出口的表面积；As表示积分球的内表面表面积；ρw表示内表面涂层的反射率；ρw，avg表示积分球的内壁涂层平均反射率。由上面的公式可以看出，积分球的透射率与积分球的内表面积成反比，与积分球的出口表面积成正比。内表面积比出口表面积要小得多，所以使用这种方案虽然可以很好地匀光，但是积分球实际上也是一个光衰减器，经过积分球匀光之后得到的光源大幅度衰减，不再能满足后继系统的要求。

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因此系统需要一种光损耗在较小范围内的器件来实现匀光。最终选取六棱镜积分棒，光线从六棱镜积分棒的一个端面入射时，当光线折射到积分棒内部之后，在积分棒的内壁上形成了全反射，不同波长的光在积分棒内经过不同的光路多次反射后出射，假设入射时是一个光源，经过多次反射后会形成多束光，出射时会形成多个光源“镜像”，或称为子光源，子光源在出口处形成叠加，从而达到光的积分，这样，就相当于把一个光源在能量层面上均匀化了。

图5 六棱镜积分棒匀光示意图Fig.5 Schematic of hexagonal prism integrator rod

但是在六棱镜的出射端面，不同波长的光在其出射点的能量相对较为集中，因此在六棱镜的出射端面就形成了清晰的小亮斑，并没有达到非常理想的匀光的目的。我们又在其后面加上了毛玻璃，这与积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，经过毛玻璃之后的光源的光强就会越弱，我们只能通过实验尽可能在满足光源透光度的情况下，选择毛糙度最高的毛玻璃。在六棱镜之后安置一块毛玻璃，使各个子光源光线在传递至毛玻璃时发生无规律折射，进一步使光源平均，达到匀光的目的。光源在经过毛玻璃之后再经过汇聚透镜汇聚成点光源进入下一个光学系统。

4 星等的模拟

在选择星等调节控制器的方案时，我们提出了两种方案。

方案一：光源经过匀光系统之后，经过光纤耦合器进入准直透镜，经过可变光阑和反射镜后由汇聚透镜汇聚输出。其中用一个步进电机控制可变光阑，改变可变光阑的大小直接控制光的通过量；用另外一个步进电机控制反射镜衰减阵列。通过2个步进电机的控制，实现对光强的控制，模拟出恒星星等。反射镜衰减阵列总共可以分为3组，主要目的是把光源分为3大块，以实现0～＋6.5MI的星等调节。而步进电机控制下的可变光阑则实现每一部分的小调节，完成具体的模拟。星等控制器在机构上跟波段光强控制器大体相同。

在对此方案的研究中，我们发现当把反射镜衰减／阵列调节到固定值之后，反射镜衰减阵列便不能随着光源照射时间的增长而发生变化，但是光源的光强却随着光照时间的增长发生变化，不再是本时刻光源光强的理论照射值。除此之外，我们通过调节可变光阑来实现对光源光强的微调，但是当我们把可变光阑调节至理论的光强值口径时，会发现有些波长的光无法再正常通过可变光阑，从而导致该波长的光消失了。因此这种方案使得系统存在太大的误差，无法满足系统的精确要求。

方案二：经过研究，使用可变光阑和反射镜的调节都属于几何调节，而不是根据光源的光谱特性进行调节，由此我们发现了使用中性密度滤波片可以达到所要求的调节目的。中性密度滤波片可以在保持光能量透过率基本不变的情况下，等比例地衰减光源的所有波长的光强。在系统中，为了调节和控制方便，选择使用圆形渐变的中性密度滤波片。

使用中性密度滤波片作为星等调节的最大好处便是系统的星等调节和波段调节完全分离开来，即把系统的光谱调节和光强度调节完全分开，则系统的星等调节就不再受前一光源系统的影响，增强了系统的抗干扰能力。

5 实验验证

我们在实验室为星等及光谱可调的单星模拟器系统搭建了一个测试平台，测试所用的主要光学仪器是光谱仪，测试时使用OSM-Analyst软件。分别测试了2 600K、3 600K、4 300K、5 000K、5 500K、6 000K、6 800K、7 600K、9 800K 色 温情况下的各个光谱图。图6和表1分别为9 800K色温模拟和各种色温情况下星等模拟光度实验测试结果。表1中的标准值是系统在各种色温情况下所需要达到的标准光度。经验证，系统可以在色温和星等方面高精度地模拟单星，并且在可靠性和成本控制方面有良好的表现。

图6 在9 800K情况下的光谱拟合曲线Fig.6 Spectral fitting curve（9 800 K）

表1 标准星等光度与各个色温情况下实测星等光度对照表（MI）Table 1 Magnitude comparison between standard magnitude and measured magnitude under different color temperatures（MI）

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