大型月球模拟器总体探究

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1、大型月球模拟器总体探究摘要：论述了大型月球模拟器的工作原理，对口径为①2500mm月球模拟器进行了系统设计，整个系统由光源、匀光板、光源控制系统、计算机控制系统、模拟器机械系统等组成。提出了大型月球模拟器光学系统的设计方案，采用LED阵列作为月球模拟器光源，使用光源控制系统控制LED组元的亮灭模拟月相变化，从而真实地模拟了月球的准直、均匀性以及月相变换的特性。经对月球模拟器进行光机结构分析和仿真分析，得到其最大自重变形为16.4pm,最大自重应变为2.1X10-4m/m,不同月相的发光面照度不均匀度为14.7%,亮度不均匀度为17.

2、2%,均满足设计指标要求。关键词：月球模拟器；LED阵列；月相中图分类号：V524.3文献标志码：Adoi:10.3969/j.issn.10055630.2014.01.016引言月球模拟器（简称月模）是一种用来模拟月球几何特征、辐射特性以及特定“月相”的地面测试设备，为交会对接敏感器、导航敏感器提供目标源，在敏感器地面测试中，是试验系统内的目标模拟器［12］。在以往的模拟器研究中，主要以太阳模拟器、地球模拟器和星模拟器为主［34］,对月球模拟器的研究鲜有报道，由于月光是来自于月球对太阳光的反射，而月球模拟器的发光效应很接近太阳模

3、拟器，因此，我国曾经使用太阳模拟器光学系统并采用光学衰减片降低辐照度来模拟月球的发光效应。但是，这种设计方法有原理复杂、成本较高、辐照光斑小等缺点，已经无法满足现在空间模拟的需求。随着我国航天技术的发展，开展研究地面上大型模拟空间光环境显得越来越重要，为此本文设计了一种以LED阵列为发光面光源的大型月球模拟器，并对其光学特性进行了分析，此月球模拟器辐照面光斑较大、原理简单、成本较低，可同时模拟出月球不同月相时的辐亮度和发光不均匀性的特性。1月球模拟器的组成与工作原理月球模拟器主要由多灯拟合宽光谱光源、匀光板、宽光谱光源控制系统、计算

4、机控制系统、模拟器机械系统、散热系统六部分组成。月球模拟器的工作原理如图1所示，由多灯拟合宽光谱光源发出的355〜1000nm光经匀光板后，在其表面形成口径为①2500mm亮度均匀的光斑,模拟了在近月轨道所观测到的圆盘，也就是实现了满月的模拟。计算机控制系统通过通讯接口与宽光谱光源控制系统进行通讯，可控制调节多灯拟合宽光谱光源的发光功率，实现月球模拟器辐亮度的调节；同时还可控制多灯拟合宽光谱光源中的LED组元阵列的亮灭，实现月相的模拟。当满月月相时，在辐照面处可形成亮度大于20W/(sr•m2)的①2500mm发光圆面。2月球模拟器

5、各部分设计2.1多灯拟合宽光谱光源主要由多个LED组元组成，其中每个LED组元由不同波段的LED组成，由多个LED组元组成多个LED灯阵，再由多个LED灯阵组合成宽光谱光源。其主要作用是通过不同波段LED灯组合实现355-1000nm谱段月球光谱的模拟；通过多个灯组元和多个LED灯阵来实现月球模拟器形成一个辐照度均匀分布的辐照面［5］；通过控制LED灯阵中每个LED组元的亮灭来实现不同月相模拟。2.2匀光板设计的匀光板采用毛玻璃制作，起匀光作用。2.3宽光谱光源控制系统月球模拟器光源控制硬件主要由1台计算机、1个通讯控制器、多个驱动

6、板、多个显示板、1个RS485通讯接口及多个24V直流电源构成，如图2所示。计算机通过RS485通讯接口将软件编好的月相数据传送给通讯控制器，通讯控制器根据每个驱动板的ID编码将数据发送给驱动板，驱动板再将数据传送给显示板进行显示。由于显示部分是较大直径的圆形，因此其不可避免地釆用显示单元板拼接方式完成。为了使系统具有良好的互换性和制造的一致性，采用正方形单元板实现，圆形部分通过外部装潢或者控制显示实现。2.4计算机控制系统软件设计思路月球模拟器光源控制软件主要用来编辑和存储月相，同时还可以接受网络控制，把月相数据发送给通信控制主机

7、，实现月模光源LED组元的实际显示。软件中设定了15种常用的月相，可以通过按键直接选择这15种月相之一，选中后通过网络传输把相应的月相数据在LED组元中显示出来[67],进而实现了固定月相的模拟。软件还给出了任意月相的设定，可以借助WINDOWS自带的画图工具，把需要显示的月相制成图形文件，通过该软件的读取，把实际的月相在月模中显示出来。对于LED组元亮度的设定，可以通过亮度设定滑块进行256级亮度调整。软件由上位机软件和下位机软件两部分组成，上位机软件使用面向对象的VB编写，下位机采用C语言编写。2.4.1下位机软件设计下位机软件

8、主要由主程序和中断服务程序两部分组成，主程序完成LED显示驱动控制，中断服务程序完成数据通信接收功能，下位机软件实现接收上位机数据以及控制LED输出。其主程序流程图如图3所示。服务程序主要是对主机发送来的数据进行接收和校验，当校验合格