基于STM32的多色温多星等输出的单星模拟器系统设

基于STM32的多色温多星等输出的单星模拟器系统设计

 

　　随着近年来我国空间科学技术的快速发展，卫星、载人飞船等航天器需要更高的控制精度、可靠性和更长的寿命。星敏感器在各种航天器上大量应用，其性能指标直接影响到测量结果的可信度。单星模拟器是星敏感器的主要地面标定设备之一，所要实现的功能是在实验室内提供与单颗真实恒星在光度特性、光谱特性等方面趋于一致的模拟恒星[1-2]。传统单星模拟器大多体积大，精度低，稳定性不够好，可调节色温单一，实现星等范围小。本项目采用模块化设计，将多束不同窄带光谱、不同强度的光线混合，并控制总体输出光强，最终实现不同等效黑体色温和不同星等。

　　

　　　常见电光源有氙灯、钠灯、卤钨灯、汞灯等。氙灯辐射光谱能量分布与日光相接近,色温约6000K。连续光谱部分的光谱分布几乎与灯输入功率变化无关，在寿命期内光谱能量分布也几乎不变。氙灯具有发光谱线宽度相对较宽、光谱稳定性高、辐射功率单位时间变化小等优点，所以选择氙灯[4-5]。

　　光源部分包括150W氙灯、电源及控制器、反光罩、传光光纤输出耦合器等。

　　

　　波段光强控制器，由光源经光纤输入光线扩束准直后通过由步进电机控制的可变光阑，再经过10%反射镜后汇聚输出。10%反射镜反射光线由光电池测量光强，通过控制板反馈控制步进电机。要将光源分成不同波长的光束，目前常见产生方式主要有发光二极管直接产生、电光源通过窄带滤波片产生等方式，由于现有发光二管存在输出光谱宽度窄、某些特定中心波长不容易实现等原因，本设计中采用电光源通过窄带滤波片产生。

 

　　由于需控制的窄带光源数量较多，且各部分结构基本相同，拟采用模块式设计，即设计13路相同的“波段光强控制器”，每一路都可实现对光的滤波、光强调整、使系统结构简化，减小故障率，便于测试与维修。每路为独立易拆换单元结构，由支架、窄带滤光片、分光镜、光电池、可变光阑、步进电机、步进电机驱动器、传光光纤输入输出耦合器、电信号处理模块等部分组成，实现对各路色光光功率的控制，形成等效色温。由于峰值光谱范围中有部分到达外区，需要部分控制器中光学元件采用石英材料，其中3路紫外，10路可见光或红外。

 

　　由于上位机CPU与下位机(ARM)的工作频率相差很大，且控制无高速要求，为保证通信可靠性，软件对通信设定了一系列延时，例如当下位机超过300ms无应答时，软件才判定通信为超时。如图6所示，界面既可进行色温设置、星等设置、系统全面诊断、初始化等总体操作，又可通过超级校验码验证后对各个单独的模块进行具体调试。色温码盘表、色温光强表、星等码盘表可进行读写操作，写在下一次上电生效。并可以随时保存当前数据到上位机，生成txt文本，可随时查阅修改，同时能从上位机读取历史保存数据。

 

　　为实现实验室内模拟特定恒星光谱特性，设计了这台单星模拟器，采用模块化设计，将光源分成多束不同光谱、不同强度的光线，再混合并控制总体输出光强，最终实现不同色温和不同星等。理论和实验表明，它能完成现场测试工作，并且在可靠性方面有了较大提高，成本也大大降低。