月球模拟器(简称月模)是一种用来模拟月球几何特征、辐射特性以及特定“月相”的地面测试设备,为交会对接敏感器、导航敏感器提供目标源,在敏感器地面测试中,是试验系统内的目标模拟器^{[1, 2]}。在以往的模拟器研究中,主要以太阳模拟器、地球模拟器和星模拟器为主^{[3, 4]},对月球模拟器的研究鲜有报道,由于月光是来自于月球对太阳光的反射,而月球模拟器的发光效应很接近太阳模拟器,因此,我国曾经使用太阳模拟器光学系统并采用光学衰减片降低辐照度来模拟月球的发光效应。但是,这种设计方法有原理复杂、成本较高、辐照光斑小等缺点,已经无法满足现在空间模拟的需求。随着我国航天技术的发展,开展研究地面上大型模拟空间光环境显得越来越重要,为此本文设计了一种以LED阵列为发光面光源的大型月球模拟器,并对其光学特性进行了分析,此月球模拟器辐照面光斑较大、原理简单、成本较低,可同时模拟出月球不同月相时的辐亮度和发光不均匀性的特性。

1 月球模拟器的组成与工作原理

月球模拟器主要由多灯拟合宽光谱光源、匀光板、宽光谱光源控制系统、计算机控制系统、模拟器机械系统、散热系统六部分组成。

月球模拟器的工作原理如图 1所示,由多灯拟合宽光谱光源发出的355～1 000 nm光经匀光板 后,在其表面形成口径为Φ2 500 mm亮度均匀的

图 1

Fig. 1

图 1 月球模拟器的工作原理 Fig. 1 Operating principle of a large moon simulator

计算机控制系统通过通讯接口与宽光谱光源控制系统进行通讯,可控制调节多灯拟合宽光谱光源的发光功率,实现月球模拟器辐亮度的调节;同时还可控制多灯拟合宽光谱光源中的LED组元阵列的亮灭,实现月相的模拟。当满月月相时,在辐照面处可形成亮度大于20 W/(sr·m²)的Φ2 500 mm发光圆面。

2 月球模拟器各部分设计 2.1 多灯拟合宽光谱光源

主要由多个LED组元组成,其中每个LED组元由不同波段的LED组成,由多个LED组元组成多个LED灯阵,再由多个LED灯阵组合成宽光谱光源。其主要作用是通过不同波段LED灯组合实现355～1 000 nm谱段月球光谱的模拟;通过多个灯组元和多个LED灯阵来实现月球模拟器形成一个辐照度均匀分布的辐照面^[5];通过控制LED灯阵中每个LED组元的亮灭来实现不同月相模拟。

设计的匀光板采用毛玻璃制作,起匀光作用。

2.3 宽光谱光源控制系统

月球模拟器光源控制硬件主要由1台计算机、1个通讯控制器、多个驱动板、多个显示板、1个RS485通讯接口及多个24 V直流电源构成,如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 光源控制系统总体框图 Fig. 2 Overall block diagram of the light control system

计算机通过RS485通讯接口将软件编好的月相数据传送给通讯控制器,通讯控制器根据每个驱动板的ID编码将数据发送给驱动板,驱动板再将数据传送给显示板进行显示。

由于显示部分是较大直径的圆形,因此其不可避免地采用显示单元板拼接方式完成。为了使系统具有良好的互换性和制造的一致性,采用正方形单元板实现,圆形部分通过外部装潢或者控制显示实现。

2.4 计算机控制系统软件设计思路

月球模拟器光源控制软件主要用来编辑和存储月相,同时还可以接受网络控制,把月相数据发送给通信控制主机,实现月模光源LED组元的实际显示。软件中设定了15种常用的月相,可以通过按键直接选择这15种月相之一,选中后通过网络传输把相应的月相数据在LED组元中显示出来^{[6, 7]},进而实现了固定月相的模拟。软件还给出了任意月相的设定,可以借助WINDOWS自带的画图工具,把需要显示的月相制成图形文件,通过该软件的读取,把实际的月相在月模中显示出来。对于LED组元亮度的设定,可以通过亮度设定滑块进行256级亮度调整。

软件由上位机软件和下位机软件两部分组成,上位机软件使用面向对象的VB编写,下位机采用C语言编写。

2.4.1 下位机软件设计

下位机软件主要由主程序和中断服务程序两部分组成,主程序完成LED显示驱动控制,中断服务程序完成数据通信接收功能,下位机软件实现接收上位机数据以及控制LED输出。其主程序流程图如图 3所示。

图 3

Fig. 3

图 3 主程序流程框图 Fig. 3 Flow chart of the main program

服务程序主要是对主机发送来的数据进行接收和校验,当校验合格后,置数据有效标志,在主程序中完成接收到的有效数据到显示缓冲区的移动。由于数据校验采用了累加和方式,大大提高了数据传输的可靠性。

数据传输采用打包的形式进行,数据包的内容有包头、命令、数据、累加及包尾五部分构成,其中断服务程序框图如图 4所示。

图 4

Fig. 4

图 4 中断服务程序框图 Fig. 4 Block diagram of the interrupt service routine

2.4.2 上位机软件设计

上位机软件实现对月相的选择、灰度控制、图形存储和读入及串行数据发送等功能,其程序流程如图 5所示。

图 5

Fig. 5

图 5 月相显示流程图 Fig. 5 Flow chart of the moon phases

2.5 模拟器机械系统

模拟器机械系统主要包括主体框架、压圈及光阑、橡胶胶圈、多灯拟合宽光谱光源灯座、后盖、地脚、脚轮、水泡、起吊环等。

图 6

Fig. 6

图 6 模拟器主体框架 Fig. 6 Overall layout of the moon simulator

设计的模拟器主体框架如图 6所示,在模拟器前端设有Φ2 550 mm的孔,用于安装匀光板;模拟器后端开有方槽用于安装宽光谱光源及其灯座;下部设有四个螺纹孔,用于安装地脚;此外还设有安装压圈及光阑、后盖、脚轮、水泡、起吊环的机械接口。

3 月球模拟器的分析

3.1 光机结构变形分析

利用有限元分析方法对模拟器光机结构的自重变形与温度进行分析,以验证所设计的月球模拟器的可行性。

(1)自重变形与应变分析

模拟器光机结构自重变形与应变分析如图 7所示,其自重变形与应变分析结果数据如表 1所示。

表 1(Table 1)

表 1 模拟器光机结构自重变形与应变分析结果 Tab. 1 Analytical results of gravity deformation and strain of the light machine structrue of the moon simulator 最大自重变形/μm 最大自重应变/m·m-1 16.4 2.1×10-4

表 1 模拟器光机结构自重变形与应变分析结果 Tab. 1 Analytical results of gravity deformation and strain of the light machine structrue of the moon simulator

图 7

Fig. 7

图 7 模拟器光机结构自重变形与应变分析结果 Fig. 7 Analitical results of gravity deformation and strain of the light machine structrue of the moon simulator

(2)温度变化的变形和应变分析

在工作环境温度25 ℃±1 ℃情况下,温度变化对光机结构产生的变形和应变分析结果如图 8所示。

图 8

Fig. 8

图 8 光机结构温度变化产生的变形和应变分析结果 Fig. 8 The results of gravity deformation and strain of light machine structrue of the temperature change

由图 7可得出由于温度变化产生的变形,其结果如表 2所示。

表 2(Table 2)

表 2 光机结构温度变化产生的变形结果 Tab. 2 The results of deformation with temperature change of the light machine 温度变化范围/℃ 温度产生的变形/μm 24～25 49 25～26 42

表 2 光机结构温度变化产生的变形结果 Tab. 2 The results of deformation with temperature change of the light machine

由以上分析可知,在工作环境温度为25 ℃±1 ℃时,其产生的自重变形和温度引起的变形对月球模拟器影响不大。

为验证所设计的月球模拟器的发光面不均匀度、辐亮度和光谱特性,对满月时的情况进行仿真分析。为此采用照明系统分析软件lighttools,使用基于蒙特卡罗法的光线追迹对该光学系统进行模拟仿真^[8],仿真结果中追迹误差为2.1%(＜5%),结果可信。

分别在发光面表面、辐照面处的位置设置照度、亮度接收面,并添加照度和亮度计,根据仿真数据分别计算出Φ2 500 mm发光面表面照度不均匀度、发光面亮度不均匀度。其照度仿真结果如图 9所示。

图 9

Fig. 9

图 9 满月时照度仿真图 Fig. 9 The simulation diagram of illumination under full moon

由仿真结果可知,辐照面最大亮度值为32 W/(sr·m²),辐照面照度不均匀度为14.7%,亮度不均匀度为17.2%,满足设计指标要求。

4 结 论

本文对月球模拟器的总体结构、多灯拟合宽光谱光源、匀光板、宽光谱光源控制系统、计算机控制系统、模拟器机械系统等进行了方案设计,并使用ANSYS有限元分析软件和Lighttolls仿真软件对模拟器进行了仿真分析。根据目前的光学、机械和电学的设计结果表明:模拟器光机结构最大自重变形16.4 μm,最大自重应变2.1×10^-4 m/m,辐照面辐亮度大于等于20 W/(sr·m²),辐照面照度不均匀度为14.7%,辐照面亮度不均匀度为17.2%,结果均满足设计指标要求。