2014, Vol. 36
Issue (1): 25-29
, 王远1, 耿振华1 2. 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心,吉林 长春 130022
2. Jilin Engineering Research Center of Photoelectric Measurement & Control Instruments, Changchun 130022, China
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。
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[1, 2, 3, 4]。
 | 图 1 地球模拟器总体结构图 Fig. 1 Structure of the earth simulator |
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。
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。
锗准直透镜中心厚度的确定应从降低吸收率的角度进行设计。由于锗的吸收率与波长及厚度有关,随波长和厚度的增加而增大,如图 2所示。
 | 图 2 锗单晶的吸收系数与波长的关系 Fig. 2 Relevance of the absorption coefficient and wavelength of Germanium monocrystal |
查阅相关光学设计资料可知,正透镜的中心厚度d与直径D之间的的比值一般在1/15~1/10之间。由于锗准直透镜有着较大的曲率半径r1和r2,选择d/D=1/14,即d=20 mm,吸收率50.31%,透过率12.35%。
锗准直透镜光学设计图如图 3所示,所设计的焦距在750 mm左右,中心波长为λ=15.128 μm时,选取锗单晶的折射率n=4.001 37,根据弯月形 透镜最小球差公式:
 | 图 3 锗准直透镜光学设计图 Fig. 3 Optical design of germanium collimating lens |
求得 r1 r2 = 2 3 。经过分析计算,取r1=697.118 mm,r2=988.13 mm。
当d=20 mm时,由焦距公式
通过对锗准直透镜的理论分析和光学计算,根据轴外点光线的光路计算方法可得出地球光阑、热地球位置和大小,锗准直透镜光路如图 4所示。
 | 图 4 锗准直透镜光路示意图 Fig. 4 Schematic diagram of the light path of the germanium collimating lens |
图 4中,轴外点发出的a、z、b三条光线以视场角ω入射,经过锗准直透镜后,在高斯像面的成像高度分别为Y′ a、Y′ z、Y′ b,在热地球位置处的成像高度分别为Y″ a、Y″ z、Y″ b,其数值均可通过光路计算求出;地球光阑位置L′为最佳像面位置;D′和D″分别为地球光阑直径与热地球直径。
地球光阑位置可由以下公式计算:
,其中r1,r2分别为锗透镜两个面的曲率半径,d为透镜中心厚度。Ua、Uz、Ub和U′ a、U′ z、U′ b分别为以ω视场角入射的三条光线a、z、b经过锗准直透镜后,与光轴的夹角,且Ua=Uz=Ub=－ω。由于地球张角不同,对应B′ T位置不同,最佳位置的地球光阑和实际光阑直径也不同,计算同一视场高度h=±(1.0,0.85,0.707,0.5,0.3,0)hm(11条)的子午光线与最佳像面的焦点高度Y′,取其平均值Y′ P作为实际光阑的半径。
地球光阑直径可由下式求出:
经计算得到地球光阑位置及直径如表 1所示。
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表 1 地球光阑位置及直径计算结果 Tab. 1 The calculation results of earth aperture′s position and diameter |
热地球尺寸D″由下边缘光线b的像方视场角U′ b、像距L′ b以及地球光阑与热地球之间距离L″、最佳像面位置L′决定,若热地球到地球光阑距离为L,则:
取热地球和地球光阑之间的距离L″=40 mm,可求出热地球直径,如表 2所示。
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表 2 热地球位置和直径计算结果 Tab. 2 The calculation results of hot earth′s position and diameter |
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]。
 | 图 5 2ω=15.19°视场角的点列图 Fig. 5 Spot diagram of field angle when 2ω=15.19° |
 | 图 6 2ω=17.46°视场角的点列图 Fig. 6 Spot diagram of field angle when 2ω=17.46° |
 | 图 7 2ω=30.42°视场角的点列图 Fig. 7 Spot diagram of field angle when 2ω=30.42° |
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[6, 7, 8]。
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表 3 地球张角偏差 Tab. 3 The deviation of earth angle |
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。
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