大视场高分辨力星载成像光谱仪光学系统设计_薛庆生

第２７卷　第３期２０１９年３月 光学精密工程　Ｏｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．２７　Ｎｏ．３　Ｍａｒ．２０１９ 收稿日期：２０１８－１０－１１；修订日期：２０１８－１１－０９． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．４１６０５０１７）；国家重点研发计划项目资助（Ｎｏ．２０１６ＹＦＣ０２００４０１；Ｎｏ．２０１７ＹＦＢ０５０３９０１）文章编号　１００４－９２４Ｘ（２０１９）０３－０６３０－０７星载差分吸收光谱仪摆镜控制系统设计鲁月林１，２，王煜１＊，司福祺１，薛辉１，陈军１，江宇１，刘晓磊３，陈卓一３（１．中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥２３００３１；２．中国科学技术大学，安徽合肥２３００２６；３．中国空间技术研究院总体部，北京１０００９４）摘要：针对差分吸收光谱仪搭载于地球同步轨道卫星时对地成像的要求，设计了一种扫描摆镜转动控制系统。

从摆镜控制结构设计、控制电路设计两个方面阐述了摆镜系统的方案。

摆镜系统受载荷主控器控制，接收控制指令并回传当前摆镜位置状态，通过ＬＭＤ１８２００驱动芯片进行功率输出，由步进电机和谐波减速器构成的驱动器驱动摆镜转动，编码器读取摆镜角度信息。

给出了ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）波占空比的测定办法，并提出通过回转到成像起始点之前的方式，消除回程误差对成像区域步距不确定性的影响。

实验结果表明该系统的步距角均值偏差小于１″，最大偏差小于５″，标准偏差小于２″。

该光谱仪摆镜控制系统满足步距精度指标要求。

关　键　词：差分吸收光谱仪；扫描摆镜；回程误差；步距精度中图分类号：ＴＨ７４４ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１９２７０３．０６３０Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｍｉｒｒｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒｓａｔｅｌｌｉｔｅ－ｂｏｒｎｅ　ＤＯＡＳ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒＬＵ　Ｙｕｅ－ｌｉｎ１，２，ＷＡＮＧ　Ｙｕ１＊，ＳＩ　Ｆｕ－ｑｉ　１，ＸＵＥ　Ｈｕｉ　１，ＣＨＥＮ　Ｊｕｎ１，ＪＩＡＮＧ　Ｙｕ１，ＬＩＵ　Ｘｉａｏ－ｌｅｉ　３，ＣＨＥＮ　Ｚｈｕｏ－ｙｉ　３（１．Ａｎｈｕｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｆｉｎｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ　２３００３１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｈｅｆｅｉ　２３００２６，Ｃｈｉｎａ；３．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｐａｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ）＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｗａｎｇ＠ａｉｏｆｍ．ａｃ．ｃｎＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｔｅｐ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｍｉｒｒｏｒ　ｏｆ　ａ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ＯｐｔｉｃａｌＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＤＯＡＳ）ｍｏｕｎｔｅｄ　ｏｎ　ａ　ｇｅｏｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｏｒｂｉｔ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｓｃａｎ－ｎｉｎｇ　ｍｉｒｒｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｈａｔ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ａｎｄ　ｃｉｒ－ｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｓｐｅｃｔｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｃｈｅｍｅ，ｔｈｅ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｍｉｒｒｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｍａｓｔｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ－ｌｅｒ　ｔｈａｔ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｅｎｄｅｄ　ｂａｃｋ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｃａｎｎｉｎｇｍｉｒｒｏｒ．Ｔｈｅ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｍｉｒｒｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｕｔｐｕｔｓ　ｐｏｗｅｒ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ＬＭＤ１８２００ｄｒｉｖｅｒ　ｃｈｉｐ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅｒ　ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ａ　ｓｔｅｐｐｉｎｇ　ｍｏｔｏｒ　ａｎｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｒｅｄｕｃｅｒ　ｄｒｉｖｅｄ　ｔｈｅ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｍｉｒｒｏｒ　ｔｏｒｏｔａｔｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｃｏｄｅｒ　ｒｅａｄｅｄ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｍｉｒｒｏｒ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ，ａ　ｍｅｔｈ－ｏｄ　ｏｆ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｕｔｙ　ｃｙｃｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＰＷＭ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅｈａｒｍｏｎｉｃ　ｇｅａｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅａｎ　ｄｅｖｉａ－ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｐ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　１″，ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　５″，ａｎｄ　ｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　２″．Ｔｈｉｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓａｔｉｓｆｉｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｔｅｐ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｆｏｒｔｈｅ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｍｉｒｒｏｒ　ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｒｅｌａｔｅｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｐａｙｌｏａｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＤＯＡＳ）；ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｍｉｒｒｏｒ；ｒｅｔｕｒｎ　ｅｒｒｏｒ；ｓｔｅｐ　ａｃｃｕ－ｒａｃｙ１　引　言 星载差分吸收光谱仪采用面阵探测器作为散射光信号收集单元，面阵探测器的一维为光谱维，另一维为空间维，覆盖一定宽度的条形区域［１－４］。

高精度动态星模拟器的光学系统设计赵梓朝;陈启梦;唐子博;王哲【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2018(039)005【摘要】为了完成星敏感器的地面标定工作,满足动态星模拟器大视场、高精度的技术要求,根据动态星模拟器的工作原理,利用ZEMAX软件完成光学系统设计,实现了高精度动态星模拟器准确模拟星点.实验结果表明:系统焦距为110 mm,视场为16°,光谱范围为0.5～0.8 μm,全视场角内准直光学系统相对畸变≤0.05％,在60线对/min时调制传递函数(MTF)优于0.7.提出了装配后确定系统实际焦面的方法,最后对光学系统实际出射精度进行分析和实验验证,验证结果表明:设计的高精度动态星模拟器光学系统的成像精度达到9",实测的星间角距误差均优于13",整个系统可以满足高精度动态星模拟器的使用要求.【总页数】4页(P641-644)【作者】赵梓朝;陈启梦;唐子博;王哲【作者单位】吉林省计量科学研究院,吉林长春130103;长春理工大学,吉林长春130022;长春理工大学,吉林长春130022;白山市计量检定测试所,吉林白山134300;长春理工大学,吉林长春130022【正文语种】中文【中图分类】TB96【相关文献】1.高精度高动态星模拟器研究 [J], 王凌云;王博;张国玉;孙高飞2.高精度静态星模拟器光学系统设计 [J], 刘欢;王春艳;庞广宁;杨帆3.基于TFT-LCD的动态星模拟器光学系统设计 [J], 林子棋;张国玉;宋淑梅;高玉军4.长出瞳距动态星模拟器投影光学系统设计 [J], 张奇;徐熙平;潘越;胡莫同5.基于LCOS拼接技术的动态星模拟器光学系统设计 [J], 郑茹;张国玉;高越;孙高飞;高玉军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

Zemax光学设计：一个大口径折反式星敏感器光学系统的设计实例引言：星敏感器是空间飞行器中广泛使用的一种高精密空间姿态测量仪器，通过探测空间不同位置的恒星来获取空间飞行器的姿态信息。

光学系统是星敏感器的核心部件，其成像质量直接影响着星敏感器的探测能力。

为了提高星敏感器的探测能力，要求其光学系统在具有更宽的谱段范围、更大的入瞳直径的基础上能够尽量减小畸变和色差。

目前星敏感器所使用的光学系统有透射式结构、反射式结构、折反式结构等。

透射式光学系统是最常见的结构形式，但是存在光学系统口径小、较多的光学透镜数量导致二级光谱难以校正、整体质量大幅增加的缺点；反射式光学系统具有系统口径大、光学透镜数量少、无色差的优点，但是其结构中存在光遮拦会造成空间光的能量利用率低、边缘视场的像差校正能力较弱、结构设计难度大等问题。

折反系统采用反射镜和透镜相结合的方式，反射镜不会引起色差，透镜组能够对整个系统的像差进行校正并增大整个光学系统的视场，在整个折反光学系统中，像面的位移不会受到反射镜的影响，当反射镜和支架选择的材料膨胀系数相近时，可以降低整个系统对环境温度的敏感度。

主要设计指标：实例参考：《大口径折反式星敏感器光学系统的光路设计---李建林》设计仿真：首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Entrance PupilDiameter”，并根据设计要求输入“250”；在视场设定对话框中设置5个视场，要选择“Angle”，如下图：在波长设定对话框中，设定0.45～0.95um共6个波长，如下图：查看LDE：R-C系统的主镜和次镜的通光面均为双曲面,可有效校正初级球差和慧差。

在次镜前加入光阑校正球面透镜组可校正系统残余的像散、场曲和畸变。

同时，在次镜与像面之间加入的视场校正球面透镜组用以增大整个光学系统的视场，从而提高光学系统的探测精度和星敏感器的成像质量。

2D Layout：查看点列图：查看畸变：相对畸变越小,越有利于提高星敏感器的测量精度.通过优化设计，全视场范围内的最大相对畸变为 0. 080%,完全满足相对畸变小于0.1%的设计指标。

高分辨率星载光学系统装调过程的偏心误差分析王芬;王敏;林峰;郭巧双【摘要】针对影响光学系统成像质量的装调误差,分析了偏心误差对高分辨率光学系统成像的影响.基于一款自主设计的接近衍射极限的高分辨率星载相机光学系统,利用Zemax光学软件分析光学装调过程中偏心误差对光学传递函数的影响,得出光学系统中各个分离元件对成像质量影响的权重,为光学系统的装调方案设计和实施提供了依据,实现了该光学系统2 500万像素高分辨率成像.这种误差分析方法实现了对光学系统装调过程的有效控制,提高了光学装调的效率.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2015(037)005【总页数】5页(P414-418)【关键词】光学系统;高分辨率;偏心误差;装调【作者】王芬;王敏;林峰;郭巧双【作者单位】福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室,福建福州 350007;福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室,福建福州 350007;福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室,福建福州 350007;福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室,福建福州 350007【正文语种】中文【中图分类】TH74随着现代航天技术的快速发展，对探测目标的分辨率要求也越来越高。

为了能够探测目标的微小细节，得到更清晰的图像，高分辨率星载光学系统的研制成为了该领域研究者的重要课题［1］。

目前星载相机光学系统正向着超高分辨率、宽光谱、多功能方向发展。

光学系统设计、光学加工技术、光学检测方法以及装配工艺直接影响着光学系统的成像质量，对于接近衍射极限的光学系统，其最终的成像质量更多取决于光学加工误差、检测方法和装配技术。

考虑到在短时间内提高光学加工工艺和光学检测精度的难度，可以将提高光学成像质量的重心放在光学系统的装配上，即利用现有加工工艺生产光学元件，并对其检测获得单元误差，然后通过有效的装配技术来获得高分辨率成像光学系统。

基于LCTF的艇载多光谱CCD相机的光学系统设计
杨伟锋;洪津;乔延利
【期刊名称】《大气与环境光学学报》
【年(卷),期】2012(7)3
【摘要】提出了一种基于液晶可调谐滤光片(LCTF)多光谱CCD相机光学系统设计方案。

该光学系统焦距60 mm,F数为3.5,谱段范围.400～720 nm,视场角16.6°。

采用前置扩柬光学系统获得满足液晶可调谐滤光片孔径、视场角要求的光束,后继
成像系统采用双高斯型结构。

像质分析表明,此设计能够满足使用要求,在谱段范围内,16个波段都能清晰成像,满足实际工程需要。

【总页数】6页(P235-240)
【关键词】液晶可调谐滤光片;多光谱;CCD;光学系统
【作者】杨伟锋;洪津;乔延利
【作者单位】中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN386.5
【相关文献】
1.星载大视场多光谱高分辨率CCD相机光学系统的设计 [J], 兰丽艳;黄颖
2.基于比较测量法的LCTF光谱相机光谱反射率重建研究 [J], 王霞;廖宁放;李亚生;程灏波;曹斌;杨文明;吝凯
3.基于LCTF的多光谱面阵CCD相机的辐射定标 [J], 杜丽丽;易维宁;张冬英;黄红莲;乔延利;张渫
4.基于LCTF的艇载高光谱数据采集与存储 [J], 方薇;罗军;钱玮;易维宁;张冬英
5.LCTF机载高光谱相机光学系统设计 [J], 汪伟;沈志学
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高精度静态星模拟器光学系统设计刘欢;王春艳;庞广宁;杨帆【摘要】In order to realize the ground test of the high-precision star sensor,a high precision static star simulator was designed and required that the star angular distance of star simulator was better than 20″. The star reticle was made by laser direct technology,the score precision is better than 1μm. Combining the technical specifications of the system,the optical system with high imaging quality was designed by ZEMAX software. The design results of collima-tion optical system show that the entrance pupil diameter is 80mm;the focus length is 500mm;the wavelength range is 480~900nm and distortion less than 0.02%;MTF reaches diffraction limit within the full field. A method to mea-sure the system with theodolite was presented;and the calculation formula of the theoretical star angular distance and the actual star angular distance are conducted.%为了实现对高精度星敏感器的地面测试,设计了一种高精度的静态星模拟器,要求星模拟器星间角距精度优于20″.采用激光直写技术刻划星点分划板,刻划精度优于1μm.结合系统的技术指标,通过ZEMAX软件设计了具有良好成像质量的准直光学系统.设计的准直光学系统有效通光口径为80mm,系统焦距为500mm,光谱范围为480~900nm,全视场9.2°内畸变小于0.02%,MTF接近衍射极限.提出用经纬仪对系统进行实际检测的方法,以及理论星间角距和实际星间角距的计算公式.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(041)001【总页数】4页(P26-29)【关键词】光学设计;星模拟器;星间角距【作者】刘欢;王春艳;庞广宁;杨帆【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022【正文语种】中文【中图分类】V416.8能够获取精确的空间姿态信息是空间飞行器自主导航的基础，是飞行器控制系统中最重要的元素[1］。

星模拟器光学系统的设计
李春霞;张波
【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》
【年(卷),期】1998(030)003
【摘要】星模拟器是星敏感器的地面测试设备。

由星敏感器的光学系统要求，确定星模拟器的光学系统的技术参数，通过分析，选择远摄型物镜光学结构，为进一步减小地级光谱，把五光组由原来的正负双分离，再加入一胶合面，后组由正负又分离透镜组成负透镜组，经像质平衡，使全谱段最大平行角度误差≤１０″。

【总页数】3页(P115-117)
【作者】李春霞;张波
【作者单位】哈尔滨工业大学航天电子与光电工程系;哈铁三棵树机务段
【正文语种】中文
【中图分类】V448.222
【相关文献】
1.高精度动态星模拟器的光学系统设计 [J], 赵梓朝;陈启梦;唐子博;王哲
2.高精度静态星模拟器光学系统设计 [J], 刘欢;王春艳;庞广宁;杨帆
3.静态星模拟器准直光学系统设计 [J], 陈娜; 王凌云; 李光茜; 崔贺; 张润泽
4.基于DMD的大视场长出瞳距星模拟器光学系统设计 [J], 代雨;程欣;张文明;李杰;吕升林
5.色温星模拟器用抛物面离轴反射光学系统设计 [J], 刘欢;王春艳;王志强;孙昊;赵义武
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