一种星敏感器光机系统结构设计与杂光分析

赵雨时，付跃刚，欧阳名钊，王加科

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

一种星敏感器光机系统结构设计与杂光分析

赵雨时，付跃刚，欧阳名钊，王加科

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

星敏感器是航天器实现高精度测量的重要组成部分，其姿态测量精度和指向精度都可以精确到角秒级。星敏感器的灵敏度很高，外界因素容易影响星敏感器测量的精度，杂光对星敏感器高精度测量的影响程度最大。根据应用指标，进行了一种改进型卡塞格林光学系统的结构设计，并通过模拟仿真，对系统的消杂光结构进一步实现了优化设计。利用增加主遮光罩叶片外倾角度、设计消光螺纹、加遮光筒长度、加大遮光筒直径等方式，完善星敏感器光学级系统自身的消杂光能力。最后进行整个光机系统的杂散光仿真分析，验证优化设计后的星敏感器光机系统符合应用要求。

星敏感器；杂散光；遮光系统

星敏感器是以恒星位置作为基准为航天器提供惯性坐标系下三轴姿态的测姿态敏感器，是航天飞行器姿态控制系统中不可或缺的组成部分。星敏感器对光的敏感度非常高，是一个弱光光学系统［1］。由于星敏感器一般应用在温度、气压条件极端的高空环境，同时，星敏感器光学系统口径较小，接收的定位光源均为来自遥远太空的恒星，光强极弱。在设计过程中，必须充分考虑星敏感器光机结构和应用材料对工作环境的适应能力，并且星敏感器成像光学系统容易受到来自星空背景中杂散光的影响，引起像质模糊和对比度下降，所以要提高系统杂光抑制的能力必须要结合系统自身的光学性质来进行。本文研究的星敏感器光学系统，是一种改进型卡塞格林光学系统，该系统结构由主镜、次镜反射镜和两片透镜组成的［2］。为降低加工和检测成本，主次镜均为球面，未选择非球面镜。用附加透镜组的方式校正像差。

1 光机系统结构设计

1.1 主镜固定方式研究

在光机系统实际应用过程中，成像效果会受到主镜因自重产生变形导致主镜面型改变的影响。所以在结构设计中应尽可能的采用柔性结构，以缓解主镜由于自重变形产生的影响。同时，星敏感器光学系统的工作环境是自然环境，由于外界环境温度的改变，主镜与结构材料的热膨胀系数不一致，使主镜面型因内部热应力受到破坏，引起变形［3］。所以在设计时也要考虑热应力的影响。由于星敏感器实际工作载体是飞行器，从地面到天空要经历飞行器起飞降落的冲击、震动以及飞行时的低温、低压等环境的考验，这些都会使构件的疲劳应力加剧，使主镜产生相对位移，改变光路，成像效果下降，甚至无法成像，所以固定主镜的结构必须具有较强的刚性［4］。在结构设计中，构件的柔性和刚性是一对矛盾体，怎样解决这对矛盾，是结构设计中的一个难点。

为确保不同环境下光机系统能够适应环境正常工作，主镜固定方式采取外框式固定方式，结构如图1所示。主镜固定在镜座上，在镜座与主镜之间加入0.2～0.3mm厚的胶层，可以使金属与玻璃之间因膨胀系数不同而产生的应力得到控制，使机械振动对主镜的影响降低［5］。另外，在主镜的边缘用三个定位块固定主镜，限制主镜的轴向位移。修切定位块，使定位块端面主镜贴合，并且没有附加应力作用在主镜上。

图1 主镜固定结构

在这个结构中，镜座作为整个系统的连接支撑构件，具有很好的刚性，主镜与镜座径向之间的胶层具有一定的柔性。这样，当系统在工作时，很好地消除了由于主镜自重所产生的变形，也减少了震动和温度变化对主镜的影响。

在主镜的外缘增加凸台，然后采用定位块固定主镜。调试时，根据主镜凸台的实际尺寸修正定位块尺寸，使定位块与主镜凸台之间的间隙控制在± 0.005mm之间，减小定位块对主镜的压力，消除定位块预紧时给主镜带来的变形，也是减小主镜变形的有效措施。

1.2 次镜支架的设计

次镜的光学特性非常敏感，其光学间隔即使出现微小偏离，都会造成十分严重的影响，光学系统的中心遮拦大小与次镜支架大小密切相关。因此，应严格控制次镜的支承结构尺寸，以确保在实际应用中光机系统的成像质量。次镜支架的材料上应该选择轻质材料，并且要求材料的膨胀率低、比刚度高。

本系统的主镜口径为75mm，相对来说口径很小，主次镜之间的距离小于200mm，距离也很小，为了减少加工的难度，使结构简单，采用桁梁结构作为次镜支架的设计方案。主镜座和次镜座通过次镜支架直接联接起来，可以大大减轻光机系统重量，在实际应用中意义重大［6］。本系统次镜支架的示意图如图2所示。

图2 次镜支架结构示意图

考虑到与主镜固定结构的材料匹配以及材料性能、重量等因素，次镜支架座采用ZTC4合金。对整个光机系统进行轻量化设计，便于仪器的使用。初步估算，仪器总重量为2.5kg。

2 改进型卡式样机系统结构设计结果

2.1 次镜固定结构及第三镜组的设计

系统的次镜是由一块反射镜和两块透镜组成，所以在设计次镜固定结构时，作为整体考虑。次镜的固定结构如图3所示。次镜前部设有消杂光光阑。次镜固定结构的材料也采用TC4合金。

图3 次镜固定结构图

第三镜组包含一块滤光片，一块衰减片，并且要求滤光片和衰减片可更换。并且第三镜组还要留有与探测器的接口。根据这个要求，第三镜组的结构如图4所示。第三镜组上也设有消杂光光阑。

图4 第三镜组结构图

总体结构如图5所示。对整个光机系统进行轻量化设计，便于仪器的使用。初步估算，仪器总重量为2.5kg。经过光路的优化设计，连同结构初步设计结果，仪器整体尺寸不超过体积φ115×165mm。

图5 改进型卡式系统总体结构

2.2 光机系统的温度与气压分析

图6 0℃～30℃情况下的弥散斑和能量分布

由图6分析可知在0℃～30℃范围内，弥散斑变化不大，中心视场RMS半径变为3.1μm，边缘视场RMS半径变为3.7μm半径，弥散斑半径均小于艾里斑。在11μm以内能量分布均大于85%。将系统处于0.8个大气压，0.6个大气压，0.4个大气压及0.2个大气压的情况下，分析系统的点列图及能量分布变化如图7所示。

图7 0.8～0.2个大气压下的弥散斑及能量分布

由图7分析可以看到在0.2～1个大气压范围内，弥散斑RMS半径变为3.41μm小于艾里斑半径；在半径11μm内，能量分布在85%以上。

3 光机结构仿真及杂光分析

根据改进型卡塞格林光学系统结构设计的Solid-Works设计文件以及ZEMAX文件，通过FRED软件完成真个光机系统的光学结构及机械结构的建模，如图8所示。所有机械表面选择了与机械结构涂黑色消光漆效果相似的方法，设置了类型为Flat Black Paint的散射表面，这种表面散射类型在正入射时与Lambertian散射模型类似，入射角度很大时，会出现部分能量镜面反射的现象［7］。

图8 光学系统建模图及机械建模图

在仿真过程中建立许多不同波段的光源，这些光源均为单色光源。让入射光线以不同入射角度入射。可以对由系统入口处进入，经系统内表面的多次反射、折射到达像面处的杂散光进行分析。根据要求，定义光线追迹入射角度为30°的格栅型光源，设置总能量为100000W，进行追迹光线数目为1000×1000条。结构在像面上得到的照度如图3.2所示。

图9 像面照度图

探测像面上接收到的能量为:1.037×10-5W；消光比为:0.964×10-10；像面总平均照度为:1.779× 10-5lx；非零单元的平均照度:0.0001046434911374lx；最大照度:0.004920272645933lx；入瞳处平均照度: 8.841941433lx。

改进卡塞格林型结构由于没有一次像面，内置焦点，所以为了消除其一次杂光，分别在主镜的中心孔与次镜的外围加设了遮光筒，并在其内壁及整机内壁涂消光漆设置消光螺纹。但同时也将原有的遮拦比0.4增加到了0.5。

要减少杂光的影响，可以降低双向反射分布系数BRDF的值，即在光机系统内表面涂一层吸光材料。降低几何构成因子GCF的值，则需要在系统内外设计遮光部件［8］。综合本文所研究的光学系统，采用加强内、外遮光罩遮光性能的方法来降低杂光的影响。内遮光罩可以阻挡直接到达像面的一级杂光；外遮光罩为了防止主镜被视场外杂光源直接照射。为了增强遮光效果，在遮光罩内加入挡光环增加杂光在系统内的反射次数。

遮光结构改进如下:

（1）增加主遮光罩上叶片的倾斜角度，增加轴外杂光入射到内壁上的反射次数，利用机械表面的吸光涂层对杂散光进行有效吸收，如图10所示。

图10 主遮光筒内壁的倾斜叶片

（2）加大次镜的遮光筒口径，将半口径扩大为26.3mm。是拦截一次杂光的作用增强。

（3）增加内遮光筒的长度，在遮光筒的内外壁上设置消光螺纹。并且将内遮光筒在底座上的直径增大，形成带有起锥角的圆台形，如图11所示。

图11 带消光螺纹的内遮光罩

在光机系统完成针对于消杂光的结构设计后，新的光机系统如图12所示。利用FRED软件对改进后的光机系统模型进行建模分析。软件仿真分析得出，入射像面光能量为3.12×10-13W；像面的峰值照度可达到5.72×10-12lx。

图12 二次消杂光设计建模

再利用Light-Tools软件，设定光线追迹条件，如表1所示。再对整个优化后的光机系统进行对比建模分析。

表1 光线追迹条件

Light-Tools模拟输出结果如图13所示。像面照度如图14所示。入射像面的总能量为3.3×10-13W；峰值照度为6.32×10-12lx。

图13 Light-Tools输出结果

图14 像面照度图

继续增加入射光线数目来验证光线追迹结果的稳定性，如表2所示。

表2 光线追迹条件

输出结果如图15所示，得到像面上的照度如图16所示:入射像面总能量为2.98W；峰值照度为5.21×10-12lx。

图15 输出结果

两款仿真软件光线追迹结果表明，杂光入射量基本稳定在3e-13W量级上，消光系数达到10-13量级。软件中建模已按照太阳入射角30°范围设置，所以可对太阳光进行30°规避。当太阳光在入瞳处的入射总能量为1W时，其照度为1.09e-4W/mm2，在像面上形成的杂光峰值照度约为6e-12W/mm2，三等星在入瞳处的照度约为1.09e-16W/mm2，当透过率按照54%，所压像元为2×2pixels，像元大小为16μm时计算在像面上的照度约为5.27e-10W/mm2，因此三等星的像点照度要比太阳杂光的照度高出2个数量级，满足该系统对星观测要求。

4 结论

本文对一种星敏感器光机系统进行结构设计，该系统采用改进型卡塞格林光学结构。针对设计的星敏感器光机结构进行仿真分析，提出进一步消杂光的结构设计，如增加主遮光罩叶片外倾角度，设计消光螺纹，加遮光筒长度，加大遮光筒直径等方式，完善星敏感器光学级系统自身的消杂光能力。利用Light-Tools软件对系统进行了整机的仿真建模分析，仿真结果表明经过杂光优化设计后的星敏感器达到使用要求。

［1］ 李晓平，王钢，胡亭亮.高精度杂散光测量系统分析［J］.红外技术，2011，33（09）:521-524.

［2］ 李婕，明景谦，卢若飞.一种改进型的红外卡塞格林光学系统设计［J］.红外技术，2010，32（02）:76-80.

［3］ 高天元.子孔径拼接成像系统结构设计及装调方法的研究［D］.长春:长春理工大学，2012.

［4］ 冯树龙.地基望远镜力学、温度场特性对光学性能影响研究［D］.长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2005.

［5］ 陈荣利，张禹康，樊学武，等.空间高分辨率CCD相机次镜支架最佳结构设计［J］.光子学报，2004，33（10）: 1251-1254.

［6］ 刘智颖.子孔径拼接光学系统的研究［D］.长春:长春理工大学，2009.

［7］ 赵雨时.高精度星敏感器光学系统的消杂光设计与分析［D］.长春:长春理工大学，2015

［8］ 廖胜.光学系统杂光抑制研究［D］.成都:电子科技大学，2003.

Optical Analysis of A Star Sensor Optical System Design and Miscellaneous

ZHAO Yushi，FU Yuegang，OUYANG Mingzhao，WANG Jiake
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Star sensor is an important part of high precision measurement of spacecraft，and the measurement accuracy and pointing precision of star sensor can be accurate to the second stage.The sensitivity of star sensor is very high，

star sensor；stray light；shading syst

TH74

A

1672-9870（2016）05-0030-05

2016-07-15

赵雨时（1987-），男，博士研究生，助理实验师，E-mail:181973115@qq.com

and the external factors are easy to affect the accuracy of star sensor measurement，and the influence of stray light on the high precision measurement of star sensor is the most.According to the application of indicators，to a improved structure design of Cassegrain optical system，and through the simulation，the system of stray light structure to further optimize the design.Increasing the utilization of Lord hood blade camber angle，extinction design thread，with light shading barrel length，increase the shading cylinder diameter，improve star sensor's optical system level its stray light. Finally the stray light simulation of the whole optical system level analysis，show that the optimization design of star sensor opto mechanical system to meet application requirements.