基于STM32的多色溫多星等輸出的單星模擬器系統(tǒng)設計

0 引言

隨著近年來我國空間科學技術的快速發(fā)展，衛(wèi)星、載人飛船等航天器需要更高的控制精度、可靠性和更長的壽命。星敏感器在各種航天器上大量應用，其性能指標直接影響到測量結果的可信度。單星模擬器是星敏感器的主要地面標定設備之一，所要實現(xiàn)的功能是在實驗室內(nèi)提供與單顆真實恒星在光度特性、光譜特性等方面趨于一致的模擬恒星[1-2]。傳統(tǒng)單星模擬器大多體積大，精度低，穩(wěn)定性不夠好，可調(diào)節(jié)色溫單一，實現(xiàn)星等范圍小[3]。本項目采用模塊化設計，將多束不同窄帶光譜、不同強度的光線混合，并控制總體輸出光強，最終實現(xiàn)不同等效黑體色溫和不同星等。

1 結構設計

如圖1 所示，單星模擬器系統(tǒng)總體結構由電源、光源、波段光強控制器、積分球、星等控制器、工控箱、PC 機7 部分組成。

1.1 光源

常見電光源有氙燈、鈉燈、鹵鎢燈、汞燈等。氙燈輻射光譜能量分布與日光相接近,色溫約6000K。連續(xù)光譜部分的光譜分布幾乎與燈輸入功率變化無關，在壽命期內(nèi)光譜能量分布也幾乎不變。氙燈具有發(fā)光譜線寬度相對較寬、光譜穩(wěn)定性高、輻射功率單位時間變化小等優(yōu)點，所以選擇氙燈[4-5]。

光源部分包括150W 氙燈、電源及控制器、反光罩、傳光光纖輸出耦合器等。

1.2 波段光強控制器

波段光強控制器，由光源經(jīng)光纖輸入光線擴束準直后通過由步進電機控制的可變光闌，再經(jīng)過10%反射鏡后匯聚輸出。10%反射鏡反射光線由光電池測量光強，通過控制板反饋控制步進電機。要將光源分成不同波長的光束，目前常見產(chǎn)生方式主要有發(fā)光二極管直接產(chǎn)生、電光源通過窄帶濾波片產(chǎn)生等方式，由于現(xiàn)有發(fā)光二管存在輸出光譜寬度窄(10~25 nm 半波長寬度)、某些特定中心波長不容易實現(xiàn)等原因，本設計中采用電光源通過窄帶濾波片產(chǎn)生。

由于需控制的窄帶光源數(shù)量較多，且各部分結構基本相同，擬采用模塊式設計，即設計13 路相同的“波段光強控制器”，如圖2 所示，每一路都可實現(xiàn)對光的濾波、光強調(diào)整、使系統(tǒng)結構簡化，減小故障率，便于測試與維修。每路為獨立易拆換單元結構，由支架、窄帶濾光片、分光鏡、光電池、可變光闌、步進電機、步進電機驅動器、傳光光纖輸入輸出耦合器、電信號處理模塊(實現(xiàn)電機驅動控制、碼盤及光電池信號處理和上位控制系統(tǒng)的RS-485 通信等功能)等部分組成，實現(xiàn)對各路色光光功率的控制，形成等效色溫。由于峰值光譜范圍中有部分到達外區(qū)，需要部分控制器中光學元件采用石英材料，其中3 路紫外，10 路可見光或紅外。光源與波段光強控制器之間由一進多出(其中石英3 路，玻璃10 路)傳光光纖連接，波段光強控制器與六棱鏡之間由多進(其中石英3 路，玻璃10 路)一出傳光光纖連接。所有“波段光強控制器”與光源、六棱鏡、星等控制器、電

源模塊等安裝于同一平臺，通過RS485 的串行方式既可與控制電箱通信，也可與工控機通信。星等控制器的結構與波段光強控制器結構大體相同，主要區(qū)別是：增加由另一步進電機控制的衰減

片陣列，實現(xiàn)大星等范圍的調(diào)節(jié)。通過對輸出光強的控制實現(xiàn)不同星等，需調(diào)整范圍為~+6.5MI，采用可變光闌加衰減片陣列方式來實現(xiàn)，衰減片陣列實現(xiàn)固定的大比例衰減，實現(xiàn)誤差在一個星等范圍內(nèi)，可變光闌實現(xiàn)一個星等范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)1%的控制[6]。