交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器的LD照明系統(tǒng)*

龔德鑄，趙春暉，張 琳，白 山，覃 波，馬云亮

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，桂林541004;3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十三研究所，上海200437)

0 引言

在太空交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器是交會(huì)對(duì)接平移靠攏段從百米到對(duì)接完成唯一能夠同時(shí)進(jìn)行位置和姿態(tài)六自由度測(cè)量的關(guān)鍵單機(jī).它分為相機(jī)和合作目標(biāo)兩部分.相機(jī)安裝在追蹤飛行器上，合作目標(biāo)安裝在目標(biāo)飛行器上，相機(jī)對(duì)合作目標(biāo)成像，完成兩個(gè)飛行器相對(duì)位置和姿態(tài)的測(cè)量，為飛行器提供導(dǎo)航信息［1］9-10.

交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器的測(cè)量體制有主動(dòng)模式和被動(dòng)模式兩種，相應(yīng)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案也有發(fā)光二級(jí)管(LED，light-emitting diode)照明、激光二極管(LD，laser diode)照明等方式，本文主要討論被動(dòng)式交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器LD照明系統(tǒng)的組成原理和應(yīng)用特點(diǎn)，旨在完成大角度、遠(yuǎn)距離、均勻照明的空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)。

1 交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器簡(jiǎn)介

交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器是一種位置和姿態(tài)測(cè)量敏感器，在測(cè)量原理上與星敏感器的主要區(qū)別是:星敏感器對(duì)恒星成像，經(jīng)過(guò)圖像處理，根據(jù)已知星表信息，計(jì)算獲得衛(wèi)星姿態(tài);而交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器對(duì)另一飛行器上安裝的合作目標(biāo)成像，通過(guò)圖像處理，根據(jù)已知目標(biāo)的位置和姿態(tài)特征計(jì)算獲得兩飛行器的相對(duì)位置和姿態(tài)［2］.

國(guó)內(nèi)外主流交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器如表1所示.國(guó)際上以美國(guó) VGS/AVGS/NGAVGS、法國(guó)VDM、日本PXS等為代表產(chǎn)品.國(guó)內(nèi)以北京控制工程研究所(BICE)研制的Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ型交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器為代表產(chǎn)品，其具備國(guó)際一流的技術(shù)水平，在測(cè)量精度、視場(chǎng)等方面有一定優(yōu)勢(shì).

交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器兩種測(cè)量模式如下:

1)被動(dòng)目標(biāo)測(cè)量模式:目標(biāo)由角反射器或角反射器陣列組成，由位于相機(jī)一側(cè)的照明系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行照明，角反射器把照明光沿原路反射，進(jìn)入相機(jī)視場(chǎng)，完成測(cè)量任務(wù).被動(dòng)目標(biāo)及其相機(jī)照明系統(tǒng)如圖1所示.照明器件可分為L(zhǎng)ED和LD兩種，照明方式可分為環(huán)形光源和同軸光源兩種.本文重點(diǎn)敘述

LD同軸照明方式.

圖1 被動(dòng)目標(biāo)及其相機(jī)照明系統(tǒng)Fig.1 Passive target and its camera lighting system

2)主動(dòng)目標(biāo)測(cè)量模式:目標(biāo)自主發(fā)光，相機(jī)對(duì)其進(jìn)行直接成像測(cè)量.主動(dòng)LED目標(biāo)及其相機(jī)如圖2所示.目標(biāo)內(nèi)部的照明器件可分為L(zhǎng)ED和LD兩種.

圖2 主動(dòng)LED目標(biāo)及其相機(jī)Fig.2 Active target and its camera

表1 國(guó)內(nèi)外主流交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器列表Tab.1 Mainstream camera-type rendezvous and docking sensor

在以上測(cè)量模式中，被動(dòng)模式的敏感器包括國(guó)外典型敏感器、北京控制工程研究所的Ⅱ/ⅢCRDS;北京控制工程研究所首創(chuàng)Ⅰ型交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器屬于主動(dòng)模式，在軌表現(xiàn)優(yōu)異.

2 LD照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)是交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器的重要組成部分，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，不僅影響成像質(zhì)量和測(cè)量精度，還影響產(chǎn)品的總功耗和總重量，功耗和重量也是航天產(chǎn)品的重要指標(biāo).

2.1 LD照明系統(tǒng)的組成

LD照明系統(tǒng)由激光二極管驅(qū)動(dòng)單元(LDDU，laser diode driving unit)、照明光纖和半透半反鏡等組成，如圖3所示.

LDDU包括多個(gè)LD組件、恒流驅(qū)動(dòng)電路、TEC(thermal energy converter)溫控電路、主體結(jié)構(gòu)等部分.LDDU用來(lái)驅(qū)動(dòng)LD發(fā)光，提供足夠的光功率對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照明，并通過(guò)控制TEC使LD工作溫度保持在安全范圍內(nèi)，保證其能夠可靠穩(wěn)定工作.LD溫控范圍一般在25℃左右，LD輸出光功率根據(jù)照明距離選擇為10～1 000 mW左右，LD光功率穩(wěn)定度優(yōu)于2%，LD波長(zhǎng)為808 nm、850 nm兩種，光譜范圍±10 nm.

圖3 LD照明系統(tǒng)Fig.3 LD lighting system

照明光纖由光纖連接器、光纖耦合器、整形光纖、出光端法蘭等組成，如圖4所示.照明光纖主要通過(guò)光纖耦合器把多個(gè)LD發(fā)出的光束耦合到同一根光纖輸出，并通過(guò)整形光纖對(duì)耦合后的LD光束進(jìn)行發(fā)散角和均勻性調(diào)整，以保證照明光源的發(fā)散角和均勻性滿(mǎn)足敏感器的成像需求.

圖4 照明光纖組成示意圖Fig.4 The composing of lighting optical fiber

半透半反鏡的作用為透射光源，且保證照明光源與相機(jī)光軸同軸，并將目標(biāo)反射進(jìn)入相機(jī)視場(chǎng)，本文不作重點(diǎn)描述.

2.2 LD性能和選擇

LD也稱(chēng)半導(dǎo)體激光或泵浦固體激光器，具有以下優(yōu)點(diǎn)［3］，是作為交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器照明光源的優(yōu)勢(shì).

1)方向性好:普通光源(太陽(yáng)、白熾燈等)發(fā)光方向呈散射分布，而激光的發(fā)光方向可以限制在小于幾個(gè)毫弧度立體角內(nèi)，在照射方向上的照度提高千萬(wàn)倍.

2)亮度高:激光是當(dāng)代最亮的光源(能量高度集中).太陽(yáng)光亮度大約是103W/(cm2·sr)，而一臺(tái)大功率激光器的輸出光亮度比太陽(yáng)光高出7～14個(gè)數(shù)量級(jí).

3)單色性好:光的顏色取決于其波長(zhǎng)(頻率).普通光源通常包含多種波長(zhǎng)，是各種顏色光的混合.而激光的波長(zhǎng)可以控制在較窄的光譜波段或頻率范圍內(nèi)，如氦氖激光的波長(zhǎng)為632.8 nm，波長(zhǎng)變化不到萬(wàn)分之一納米.

LD是整個(gè)照明系統(tǒng)的核心器件，其性能是照明系統(tǒng)優(yōu)劣的基礎(chǔ).在選擇LD時(shí)，應(yīng)該考慮中心波長(zhǎng)、發(fā)光功率、集成度、轉(zhuǎn)換效率、工作溫度和使用經(jīng)歷等基本指標(biāo)，還需要結(jié)合敏感器整機(jī)設(shè)計(jì)，考慮光源空間分布、帶寬與成像器件的匹配、閾值電流、空間適應(yīng)性等特性.

下面從激光器的模式、譜線(xiàn)寬度、閾值電流幾個(gè)方面說(shuō)明對(duì)LD照明系統(tǒng)的影響.

(1)激光器的縱模和橫模模式

與激光器諧振腔軸平行方向(即縱向)的電磁場(chǎng)分布(即模式)稱(chēng)為縱模.與激光器諧振腔軸垂直方向(即橫向)的電磁場(chǎng)分布稱(chēng)為橫模.縱模反映了激光器光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變化情況，有多縱模和單縱模之分.多縱模激光器輸出的光譜中包含若干個(gè)縱模，縱模在光譜中是一根根離散的線(xiàn)譜，不同縱模上的光能量(即光強(qiáng))分布是不同的，其中縱模光強(qiáng)最大的稱(chēng)為主模，主模旁邊的其他光強(qiáng)較小的縱模稱(chēng)為旁?；蜻吥?，如圖5所示.單縱模激光器只有一個(gè)縱模能夠正常工作，其他縱模都受到抑制.通常利用光柵的波長(zhǎng)選擇特性，只允許一種特定的模式能夠傳輸，并抑制其他縱模，形成了單模工作條件.橫模反映了激光器輸出光束光強(qiáng)的空間分布，即方向特性的集散程度，分為單模和多模，對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)光源的空間分布和均勻性有很大影響.

圖5 某型LD的譜線(xiàn)Fig.5 Bandwidth of LD

(2)激光器的譜線(xiàn)寬度和閾值電流［4］

譜線(xiàn)寬度是衡量器件發(fā)光單色性的一個(gè)物理量.LD的譜線(xiàn)寬度是交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器的關(guān)鍵指標(biāo)，其與濾光片帶通寬度相結(jié)合影響相機(jī)接收目標(biāo)光源和雜光光源的能量，從而影響敏感器的作用距離、動(dòng)態(tài)性能和抗雜光能力等.LD的譜線(xiàn)寬度取決于激發(fā)的縱模數(shù)目.觀察LD的光譜(如圖6所示)可以看到激光器的光譜隨激勵(lì)電流而變化.當(dāng)激勵(lì)電流低于閾值電流時(shí)，發(fā)出的是熒光，光譜很寬.當(dāng)電流增大到閾值時(shí)，發(fā)射光譜突然變窄，譜線(xiàn)中心強(qiáng)度急劇增加，出現(xiàn)激光.光譜變窄，單色性加強(qiáng)是半導(dǎo)體激光器達(dá)到閾值時(shí)的一個(gè)特征.因而可通過(guò)激光器光譜的測(cè)量來(lái)確定閾值電流.

圖6 激光波長(zhǎng)隨驅(qū)動(dòng)電流的漂移Fig.6 LD wavelength's drifting with driving current

閾值電流的一個(gè)重要特點(diǎn)是隨溫度增加而加大，如圖7所示，因此在照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮LD的工作溫度范圍.LD激光器的壽命可以用閾值電流的增值來(lái)估量.通常激光器的閾值隨使用時(shí)間增多而增大.激光器的閾值增大在50%內(nèi)，能繼續(xù)工作，當(dāng)閾值增大至3倍時(shí)，激光器將迅速損壞.

圖7 激光器閾值電流隨溫度變化Fig.7 LD threshold value's change with temperature

LD光譜決定相機(jī)工作光譜，在選擇器光譜時(shí)應(yīng)該要考慮以下兩個(gè)因素:

1)選擇成像器件光譜響應(yīng)較好的譜段［5］.LD提供照明光源，其發(fā)光光譜必須與成像器件響應(yīng)譜段配合，盡可能處于成像器件較高的量子效率譜段.此外如果是雙波長(zhǎng)差分工作模式，兩個(gè)譜段對(duì)應(yīng)的量子效率應(yīng)該接近.

2)遠(yuǎn)離太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的譜段.太陽(yáng)光作為雜光光源，是交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器必須避免的.表2示出太陽(yáng)光部分譜段對(duì)應(yīng)的輻照度，LD光譜應(yīng)盡量避開(kāi)太陽(yáng)強(qiáng)輻照度的譜段，以降低雜光干擾，提高相機(jī)成像的信噪比.

表2 太陽(yáng)光部分譜段輻照度Tab.2 Irradiance of parts of solar spectrum

(3)器件質(zhì)保以及空間適應(yīng)性

目前LD主要用于通信行業(yè)，沒(méi)有高等級(jí)器件，在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)必須考慮LD的質(zhì)保需求.作為航天器件，還應(yīng)該考慮抗輻照性能、抗溫變性能、抗力學(xué)性能等.

2.3 照明光纖設(shè)計(jì)和性能

2.3.1 總體功能和指標(biāo)概述

照明光纖的功能主要是通過(guò)耦合器把多個(gè)LD器件的尾纖耦合到同一根光纖輸出，使光源合并，再通過(guò)整形光纖對(duì)合束光源進(jìn)行發(fā)散角控制，以滿(mǎn)足交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器對(duì)照明光源的發(fā)散角和均勻性要求.主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:

1)出射光發(fā)散角:根據(jù)交會(huì)對(duì)接走廊和相機(jī)視場(chǎng)的大小需求，出射光發(fā)散角一般為A=18°(半錐角);

2)出射光指向性和對(duì)稱(chēng)性:出射光指向性與安裝面垂直度、出射光束相對(duì)照明光纖出光端端面法線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布;

3)能量耦合效率η:優(yōu)于50%;

4)光纖連接器:損耗小、可靠性高;

5)出光端口徑:小于2.5 mm;

6)具備相應(yīng)的空間適應(yīng)性能力.

2.3.2 光纖的選擇和性能

(1)光纖基本性能

光纖主要用于通信、傳感、圖像、能量傳遞、照明等領(lǐng)域.根據(jù)ITU-T(國(guó)際電信聯(lián)盟)規(guī)定其基本特性［6］如下:

1)纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層低，光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸，利用光在纖芯與包層界面上的全反射實(shí)現(xiàn)光的傳播;

2)包層為光的傳輸提供反射面和光隔離.設(shè)纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n1＞n2;

3)涂覆層保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械擦傷，且增加了光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，有延長(zhǎng)光纖壽命的作用.

(2)光纖光源空間分布

光源空間分布是照明光纖的重要指標(biāo)之一，主要取決于光纖發(fā)散角和模場(chǎng)直徑(MFD，modefield diameter)，而光纖發(fā)散角主要取決于光纖的數(shù)值孔徑(NA，numeric aperture).DNA值即光纖端面臨界入射角(2 θmax)的正弦值(如式(1)所示)決定于n1和n2，與光纖的直徑無(wú)關(guān).一般光纖DNA有0.094、0.22、0.48 等標(biāo)準(zhǔn).在選擇照明光纖不同DNA值時(shí)，需要綜合考慮照明系統(tǒng)的發(fā)散角、光源分布性能，以及光纖彎曲半徑、傳輸損耗和高低溫性能等.

發(fā)散角根據(jù)邊緣能量與中心能量比值定義，涉及光纖的模場(chǎng)直徑.基模光斑的特點(diǎn)是中間亮、四周漸暗，沒(méi)有明顯的邊界，其近場(chǎng)光強(qiáng)近似為高斯分布.通常，將纖芯中場(chǎng)分布曲線(xiàn)最大值(近似中心處)的1/e處(強(qiáng)度為1/e2處)所對(duì)應(yīng)的寬度定義為模場(chǎng)直徑.

(3)光纖傳輸特性

當(dāng)LD輸出光源能量一定時(shí)，照明光源的作用距離受光纖傳輸損耗限制.光纖損耗特性定義為光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)其光功率隨距離L的增加呈指數(shù)衰減.一般包括吸收損耗、散射損耗和彎曲損耗.評(píng)價(jià)光纖損耗特性可以通過(guò)損耗常數(shù)來(lái)衡量.光纖的損耗常數(shù)定義如下:

式中:L為光纖長(zhǎng)度;Pin和Pout分別為輸入和輸出光功率.

宏彎損耗不僅與彎曲半徑有關(guān)，還與光纖的模場(chǎng)直徑相關(guān)，模場(chǎng)直徑越大，宏彎損耗越大，如圖8所示(LB表示宏彎損耗).

圖8 宏彎彎曲和模場(chǎng)直徑的關(guān)系Fig.8 Relation between macro bending bend and MFD

除了宏彎損耗外，光纖的微彎損耗也應(yīng)該注意.光纖的微彎有兩種，一是光纖在生產(chǎn)過(guò)程中不均成纜時(shí)，由于受到壓力不均而造成的微彎;二是在光纖使用過(guò)程中，由于光纖各個(gè)部分熱脹冷縮的不同而導(dǎo)致的微彎.因此，除了早期剔除因光纖生產(chǎn)環(huán)節(jié)引起的微彎外，在光纖的安裝、固封環(huán)節(jié)中，應(yīng)該采用合理工藝，避免光纖在膠應(yīng)力、熱應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生微彎損耗.

綜上，雖然照明光纖一般選用模場(chǎng)直徑較大的光纖，但是必須結(jié)合光纖的傳輸損耗特性進(jìn)行選擇.在傳輸損耗中，吸收損耗和散射損耗相對(duì)固定，重點(diǎn)需考慮彎曲損耗.尤其受安裝結(jié)構(gòu)限制，光纖必然彎曲使用，所以彎曲損耗、模場(chǎng)分布變化和相關(guān)工藝需綜合考慮.

(4)光纖的選擇

光纖有多種分類(lèi)，對(duì)于LD照明系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除了石英光纖外，塑料光纖也較為常用.塑料光纖的彎曲損耗隨彎曲半徑增大而下降，纖芯直徑越大，臨界半徑越大，彎曲半徑小于臨界半徑時(shí)，彎曲損耗呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律.按照 Mareuse的理論［7］，光纖彎曲引起的損耗依賴(lài)于彎曲半徑、纖芯半徑、芯層和包層折射率.在彎曲半徑大于臨界半徑時(shí)，彎曲圈數(shù)對(duì)彎曲損耗的影響較小.

與石英光纖相比，塑料光纖DNA值較大，出射光較均勻，且模式耦合長(zhǎng)度短得多，模式耦合在光纖長(zhǎng)度僅為幾米時(shí)候就可發(fā)生，容易滿(mǎn)足交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器對(duì)照明光源的要求.因此在受到產(chǎn)品尺寸限制條件下，選擇塑料光纖作為光源整形光纖.常用塑料光纖中，PS(聚苯乙烯)纖芯塑料光纖的彎曲損耗在任意彎曲半徑時(shí)都大于PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)纖芯塑料光纖.

3 結(jié)論

交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器是空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)最后距離段唯一提供六自由度測(cè)量的敏感器.LD照明系統(tǒng)是該敏感器的關(guān)鍵技術(shù)和重要組成，它解決了大視場(chǎng)遠(yuǎn)距離均勻照明的難題，克服了空間適應(yīng)性的困擾，且通過(guò)雙波長(zhǎng)工作模式增強(qiáng)了整機(jī)的抗雜光能力.

［1］張淑琴.空間交會(huì)對(duì)接測(cè)量技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京:宇航出版社，2005.

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