光环境模拟器

王飞

哈尔滨新光光电科技股份有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150028

一、项目名称

一种光谱及能量可调的平流层与红外星光环境融合模拟器

二、技术领域

本项目为航天领域相关的测试装置，平流层光源模拟光谱及能量可调的光环境背景，星敏感器在此背景下对多种预设光谱的红外星进行测试。

三、背景技术

在我国科学技术不断迅速发展的当今时代，航天事业的高精尖端技术是被迫切需求的；星敏感器的检测与标定是航天定位技术领域的重要要素之一。

以往使用的星模拟器，大多数为卤钨灯光源，单点模式，光谱宽，无法实现光源的单波段的光谱发射或某几波段的光谱发射；通常为光源发出能量不变，利用衰减片调节能量的变化，光源能量等级控制精度不足。

四、本项目解决的技术问题是

解决了星模拟器光谱无法选择或选择宽度有限的问题；解决了光源能量无法调节或调节精度不高的问题；解决了单星模拟器模拟的真实度不够的问题；解决了传统模拟器无法大范围调节背景光的问题。

五、项目内容

系统使用多光谱LED集成阵列，每一个LED点光源的能量强度均可调节，阵列中的光源光谱覆盖20多个波段，各波段的能量强度通过一路高精度输出信号可控电源控制，上位机通过界面的预标定功能可模拟出不计其数的恒星辐射光谱。

红外星模拟器与平流层模拟器的原理相同，是将小型LED灯分为两组，每组数量在10-20之间。将此多路输出的接线引入可调节电源中，此电源的输出电压可调，输出电流可控。

仿真计算机内的软件通过选择预设定的光谱曲线来给定控制板卡的输出电压，控制板卡上的每一个通道的电压输出对应可调电源上的一路控制输入；即仿真计算机设定完曲线，模拟量控制卡输出一个多路的电压信号，这些信号进入可调电源中，可调电源根据输入的信号，输出多路电压恒定电流可变的信号，驱动LED灯的工作。根据实际需求，在软件界面中对各光谱的点源进行档位预标定，每一个LED点源具有独有的光谱区间，每一个光谱区间分10-20多个档位；系统工作时，灵活设置背景光各光谱能量强度，可模拟出的背景光环境充分满足用户检测及标定的要求。

系统运行时，可以在仿真计算机的软件控制界面分别对红外星模拟器和平流层光环境模拟装置进行控制；总控界面上可以切换状态，状态的切换是利用大平移台的光学装置实现的，调试过程中对安装在大平移台上的步进电机进行两个位置的标定，分别为红外星模式和平流层模式，当切换到红外星模式时，红外星光源通过两个LED灯阵夹角处安装的一块合束镜，将两块阵列的光整合到一束光中，此束光再经导光棒均光处理，输出均匀的照明光。

六、项目效果：

本项目在光电一体控制方面技术新颖，结构简单，体积小，光谱组合方式灵活，能量控制精度等级高。红外星模拟器光源为LED集成阵列，可以进行多光谱组合，阵列中每一个单独点光源均可以平滑调节能量大小，利用此特点，可实现不计其数的光谱组合，且能量的控制精度可达nw/cm²。目前已调试完成的星模拟器设置了6条预标定光谱曲线。除以上已标定曲线，还可以在调试版软件的后台随时增加需要的光谱组合曲线，这种方式使系统的分光谱配比的光谱区间分级多，波段覆盖面大，每级宽度可以达到40～50nm，光源的波段覆盖650mm～1700mm，峰值波段有十几种。

系统可根据实际需求，切换平移台决定是否需要加入平流层背景光。在仿真计算机的软件界面，可实现两种方式的切换，两种模式分别为单红外星模式，此时只有一个红外星恒星光源，另一种为平流层模式，此时增加了恒星的状态背景，平流层则模拟恒星所在环境的天空光。系统的仿真计算机集成PCI运动控制卡和模拟量输出卡，用来发送运动控制指令及模拟量电压信号，运动控制指令通过步进电机控制器发送至驱动器驱动步进电机运动，控制精度可达0.1°，模拟量电压信号通过可调高精度电源将电压信号转为LED阵列适应的高精度模拟量电流信号，完成光源能量调整，光源形态切换，工作模式改变以及星等的调节，这种硬件组合方式成本低，集成度高，可靠性高，功能强大。

七、电气控制系统图：

上图为电气控制系统图，电控系统包括控制计算机、模拟量输出卡、运动控制器、电机驱动器、电机及编码器、限位开关等。

电控系统由控制计算机进行控制，通过控制软件调节光源亮度以及关闭光源；通过运动控制器控制能量调节电机驱动器，利用电机带动衰减片运动，实现光源能量的调节；另外通过运动控制器控制靶标切换电机驱动器，利用电机旋转实现靶标切换；通过控制器完成目标照明设备更换，以及切换镜的切换。同时，控制计算机可以接受上位机的控制，通过串口通讯，由上位机进行各项功能的控制。

其功能包括：向光源控制系统发送指令，从而控制恒星光源和背景光源。同时，控制计算机也具有衰减片运动控制、星等调节等功能。

运动控制器可控制4个步进电机，具有最高5MHz脉冲频率、四轴直线插补两轴圆弧插补、连续曲线插补、S形曲线速度控制等高级功能。

靶标切换、星等切换、状态切换等功能是利用图中的四个步进电机实现的。

八、具体实施方式：

控制计算机作为系统的控制总终端，对红外星模拟器和平流层模拟器两部分发出控制指令。

控制计算机内部安装研华的PCI-1724U，它是一款高隔离度多通道PCI模拟量输出卡，每个模拟量输出通道都带有一个14位DAC，具有可选的电压、电流输出，是要求多路模拟量输出工业应用的理想解决方案。光源控制器采用定制模拟量控制电源，在标定好的亮度范围内对LED光源进行开、关和亮度的微调。该电源采用模拟量控制方式，由控制计算机上模拟量卡进行控制。

软件采用windows标准界面样式，界面简洁，操作简单。软件操作界面友好，分为运行状态和控制设置两个区域，运行状态显示红外模拟器单独工作状态或者平流层光环境模拟工作方式，同时显示当前设置星等、光谱、靶标样式和照明方式；控制设置区域可以选择工作方式、星等、光谱、靶标样式和照明方式，

点击相应设定系统开始工作。软件功能可本地计算机设定，完成所需要功能，同时可以接收总控计算机通过RS422串口发送的指令，完成相应设定。

控制内容如下：

一、工作方式

依据指标要求，红外星模拟器工作方式可单独进行红外星模拟，另外工作方式为平流层光环境模拟。

二、星等

星等调节，通过LED光源电源和衰减片的调节，标定出所需要的星等，星等分为0-8Mv，最小调节范围0.5Mv。

三、光谱

能够模拟2550K(B-V：2)、3490K(B-V：1.5)、4766K(B-V：1.0)、6516K(B-V：0.5)、8910K(B-V：0)、31054K(B-V：-0.3)的黑体辐射光谱。

四、靶标

靶标根据客户方要求定制，初步设计十字靶标和圆孔靶标。

靶标组件主要由靶标、转盘、步进电机组成。其中，靶标位于平行光管像面位置，具有切换功能。靶标转盘采用步进电机直接驱动，具有结构简单紧凑的特点。转盘上有6个孔位，可供用户扩展使用，根据使用需求安装不同类型及规格的靶标，如星点板（圆形靶）、四杆靶、十字叉丝靶和单缝靶等，每个靶标为一独立结构，不同靶标之间可根据使用需求进行切换。

步进电机，电机型号AM17HD6426，驱动器选择SR2-Plus，具体参数参考表5- 9、表5- 10所示。靶标切换采用此步进电机，依据以往项目经验，控制精度可以达到0.1°，靶标更换稳定时间2s内完成。