一种用于空间目标捕获的宽视场可见光光学系统的设计

　　0　引言

　　目前国际上主要使用地面设备进行空间目标探测,这是因为地面设备不受其体积、质量的限制而容易实现较高的空间分辨率要求.然而地面设备不可避免的会受到电离闪烁、大气传播抖动等影响,空间目标信号经过大气衰减作用到达探测设备时往往只剩下低频信息,这对空间目标(尤其是小型空间目标)探测是非常不利的[1].

　　天基空间目标探测设备可以在太空中相对较近的距离对空间目标进行跟踪捕获任务,这类设备避开大气造成的干扰,能够精确地获得目标的尺寸、形状及轨道参量等重要的目标信息,大大弥补了地基系统在中层空间探测能力的不足.通过结合某任务的需要,本文给出了完成某天基系统目标跟踪捕获任务的光学系统设计,系统焦距40.5 mm,相对孔径为1/1.7,全视场角28°.

　　1　光学系统指标确定

　　宽视场相机的主要功能是对空间目标进行捕获和跟踪测量,测量范围为2.5 Km~100 m,要求视场角不小于20°×20°.对于空间目标探测用的光学系统,其对大天区目标的搜索需要快速、准确,这就要求该系统具有较大的视场.设计中光学系统的视场在尽可能大的前提下还要结合任务具体要求而定,CCD相机的视场受到探测器尺寸的严格限制,所以在探测器尺寸无法达到的情况下再宽的视场也没有实际意义.这里拟采用国外某公司提供的CCD探测器,其像元尺寸为0.014 mm,像元数为1 024×1 024.取探测器像元数N=1 024和像元尺寸S=0.014 mm,则根据式(1)得到系统焦距

　　大相对孔径带来的是更多的能量,这对空间背景下目标探测意义重大.对于400 mm×400 mm的空间目标,在远距离时成像为点目标,约在1.3 km处开始逐步变为面目标.按惯例需要将空间点目标的信号亮度等效为天文学上的目标星等来衡量,希望此时相机能对最弱2 m等效星等的目标成像.首先,根据该探测器的特性可以得其相应的探测能力估值[2].设探测器灵敏度为5.7V/(μJ/cm2),最小探测信号为8 mV,曝光时间按0.006~0.2 s计算,得到探测器探测能力最低、曝光时间最长时需要的最小入射能量密度为

　　根据探测器能力的相关计算可以有效地确定光学系统的相对孔径.假设相机入瞳直径为D,当入射光最弱探测时,考虑对点目标能量弥散为4 Pixel,根据探测目标星等对应的能量密度[3]得到光学系统能量最小放大倍数

　　这样,根据下面公式可以得到满足探测要求的入瞳尺寸估值

　　这样得到系统相对孔径为D/F=1/1.7,由于相对孔径与系统的景深是相互矛盾的.对于本系统来说,为了避免采用机械件调焦,在设计探测范围内离焦量要控制在一倍焦深以内来保证成像质量.综合景深和能量的考虑并根据目标探测能力,确定F#=1.7较为合理.