一种胶片式的静态光学目标模拟器

吕 涛，孙海江，付东辉，陈小云

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

引言

光学成像敏感器(降落相机)是卫星姿态控制分系统[1-2]的重要组成部分，用于月面景物的图像获取，可为月面着陆器提供信息来源，以供其完成障碍识别、安全区域选取、避障路径规划等[3-7]。

光学成像敏感器在装星之后必须进行充分的地面模拟试验，需要一种能够在室内有限空间模拟生成无穷远光学目标的仪器[8]，即光学目标模拟器，静态光学目标模拟器可在室内产生无穷远的静态月面图像，供光学成像敏感器接收[9-12]。

本文设计和研制了一种胶片形式的静态光学目标模拟器，该模拟器采用胶片作为光学目标图像源，通过光学积分球均匀照亮后，经无穷远光学镜头将图像信息投影至无穷远处，设计完成的静态光学目标模拟器能够在室内产生无穷远的月面图像，供光学成像敏感器接收，试验效果良好。

1 工作原理

静态光学目标模拟器主要由模拟器头部和调整机构组成。静态光学目标模拟器的头部主要由照明光源、光学积分球、胶片和无穷远镜头组成，模拟器头部组成如图1 所示。

图1 模拟器头部组成Fig.1 Composition of simulator head

如图1 所示，胶片为“135”相机翻转底片，胶片上的月面图像信息由计算机生成，并通过专业设备将数字图像转化为翻转片。由于翻转片颜色较深，必须采用照明系统。为保证照明的均匀性，设计采用光学积分球实现匀光。当胶片被照亮后，胶片上的图像信息被无穷远镜头投射至无穷远处，从而被光学成像敏感器接收。

为实现装星后光学成像敏感器的光闭路试验，在静态光学目标模拟器头部下设计了调整机构，以方便与光学成像敏感器的光轴对准，由于装星后光学成像敏感器的位置较高，静态光学敏感器安装固定在一个三脚架上，设计选用了安捷伦的10753B 三脚架，最低高度为0.5 m，最高高度可达1.5 m，能够满足静态光学目标模拟器与光学成像敏感器的对接高度。

2 光学设计

静态光学目标模拟器的光学设计需达到光学成像敏感器的指标要求。按照光学成像敏感器的指标要求，静态光学目标模拟器的具体指标要求如下：

1)视场：≥30°×30°；

2)入瞳直径：≥Ф3 mm；

3)入瞳距：≥40 mm；

4)波长范围：600 nm～800 nm；

5)发光面不均匀度：优于±5%；

6)图像分辨率：≥1 024×1 024 像素(22 lp/mm时，MTF≥0.4)。

“135”胶片的尺寸为36 mm×24 mm，要求的视场为30°×30°，胶片可用尺寸为24 mm×24 mm，因此无穷远镜头的焦距为44.78 mm，考虑到光瞳匹配问题，无穷远镜头的F数设计为8.95，即入瞳直径为Ф5 mm，设计完成的光学系统如图2 所示。设计完成的光学系统传递函数在22 lp/mm 时约为0.5，满足指标要求。

图2 静态光学目标模拟器的光学系统Fig.2 Optical system of static optical target simulator

为保证发光面的均匀性，设计采用光学积分球作为匀光器件[13-14]，设计完成的积分球出光口直径为Φ36 mm，积分球内部直径为Φ90 mm，此时积分球内部反射面的面积约为出光口面积的25 倍，积分球内部涂层选择不易脱离的聚四氟乙烯涂层，避免涂层粉末掉落污染胶片，同时积分球的照亮采用在600 nm～800 nm 有较强辐射能量的卤素灯，设计将2 支20 W 的卤素灯分别放置在积分球两侧的灯室内，采用成像法测量了光学积分球出光口处的不均匀度为±4.24%[15]，满足指标的要求。

3 机械结构

设计完成的静态光学目标模拟器的机械结构如图3 所示。

静态光学目标模拟器的机械结构主要由模拟器头部、方位俯仰调整机构和平移调整机构组成，模拟器头部实现光学系统的功能，方位俯仰调整机构和平移调整机构实现模拟器头部与成像敏感器光轴的对准，模拟器头部的结构如图4 所示。

图3 静态光学目标模拟器机械结构Fig.3 Mechanical construction of static optical target simulator

图4 模拟器头部结构Fig.4 Construction of simulator head

如图4 所示，模拟器头部主要由无穷远镜头、胶片传输机构、主箱体、光学积分球组件和入瞳距调整机构组成。无穷远镜头将胶片图像投影至无穷远处，其固定在胶片传输机构的法兰上。胶片传输机构实现胶片的更换，主箱体为胶片传输机构和光学积分球组件提供机械结构支撑。入瞳距调整机构实现静态光学目标模拟器的瞳孔与光学成像敏感器瞳孔的匹配。为防止静态光学目标模拟器与光学成像敏感器机械碰撞，在无穷远镜头前端设计了非金属绝缘件，且该件与光学成像敏感器通过机械表面公差配合保证光轴的对准。

设计完成的静态光学目标模拟器实物如图5所示。

经检测后，静态光学目标模拟器的各项指标达到了设计要求，图6 为光学成像敏感器获取的一幅月面图像。

图5 静态光学目标模拟器实物图Fig.5 Physical map of static optical target simulator

图6 光学成像敏感器获取的月面图像Fig.6 The moon’s image derived from optical image sensor

4 结论

静态光学目标模拟器采用胶片作为图像源，可在室内产生无穷远的月面图像信息，供光学成像敏感器接收，是光学成像敏感器装星后进行功能和性能检测的关键设备。本文设计和研制的胶片式静态光学目标模拟器在与光学成像敏感器对接联试后，成像效果良好，各项指标均满足要求。