随着深空探测任务的逐步实施，深空探测器的自主运行技术逐渐成为深空探测领域未来发展的一项重要研究内容,而深空自主导航是深空探测器自主运行的核心问题之一[1-6]。国外多个深空探测任务都采用了多功能光学系统并实现了包含自主导航能力在内的多种功能。
典型代表有1998年美国发射的深空一号(deep space 1，DS1)探测器，DS1采用MICAS(miniature integrated camera spectrometer)微型综合相机光谱仪，通过共孔径方式实现对紫外、红外和可见光波段的同时探测，其中2个可见光相机视场分别为0.69°×0.78°(VISCCD Imager)和0.26°×0.26°(APS Imager)，口径100 mm，F数为6.8；2个可见光相机成功地实现了在巡航段和接近段及绕飞段的自主导航[7]。2016年欧空局发射的奥西里斯(OSIRIS-Rex)小行星探测器[8]，采用了激光测高仪(osiris-rex laser altimeter， OLA)，利用小行星反射回来的光脉冲与发射激光脉冲之间的时间差计算得到距离信息，并据此创建了Bennu表面的3-D模型；同时OLA还能够进行辅助导航。其他的深空探测任务，如日本隼鸟一号(MUSES-C)探测器、美国NASA的深度撞击(Deep Impact)探测器等也都采用了光学导航敏感器、激光测距仪等实现了交会、附着段或者撞击段的自主导航能力。
本文提出了一种用于深空探测的多功能光学系统载荷方案，该系统能够在实现深空探测器自主导航的同时，还能实现激光测距功能，同时还能兼顾对红外波段目标的探测。
1 多功能光学系统设计
1.1 多功能光学系统的构成
用于深空探测的多功能光学系统由可见光导航光学系统、中波红外探测光学系统、激光雷达接收光学系统和激光雷达发射光学系统组成。其中可见光导航光学系统、中波红外探测光学系统、激光雷达接收光学系统等三个系统采用共孔径结构形式，减小了系统尺寸，减轻了系统重量，确保实现光电设备的轻小型化，原理图如图1所示。激光雷达发射光学系统原理图如图2所示。
图1 共孔径光学系统原理图
图2 激光雷达发射光学系统原理图
共孔径光学系统由主镜、次镜、准直镜、分光镜1、分光镜2、可见光校正透镜、激光校正透镜和红外校正透镜组成。目标经过主镜、次镜后成一次像，一次像经过准直镜对光线进行准直，分光镜1反射可见光波段、透射激光和中波红外波段，分光镜2反射激光波段、透射中波红外波段，通过2个分光镜的两次分光，实现了共孔径下可以同时在可见光、激光、红外3个波段下对目标进行探测。
激光雷达发射光学系统口径较小，无法和上述三个光学系统实现共孔径，设计为单独的光学系统。光纤出射端放置在物点处，通过激光准直透镜对光束准直后发射出去。
1.2 可见光导航光学系统
可见光导航光学系统的设计参数如表1。
表1 可见光导航光学系统设计参数
指标数值指标数值入瞳直径100 mm工作波段450～750 nm视场0.5°焦距300 mmF数3.0
可见光导航光学系统的光路图如图3。
图3 可见光导航光学系统光路图
可见光导航光学系统由主镜(1)，次镜(2)，准直镜组(3～4)，分光镜(5)，校正透镜组(6～11)，可见光导航光学系统的像面(12)组成，光学系统的孔径光阑置于主镜上，准直镜组(3～4)采用ZNSE光学玻璃材料，采用了SF57和NSK16两种光学玻璃材料，可见光探测器的像元数1 024×1 024，像元大小 6.5 μm×6.5 μm，实际使用时只使用了探测器的可见光的一部分像元，主镜的通光口径为100 mm，遮拦比为0.18，次镜到分光镜的距离为154.84 mm，分光镜到像面的距离为55.23 mm，校正透镜组的最大通光直径为6.88 mm。
能量集中度是光学系统重要的性能评价指标,图4为可见光导航光学系统不同视场的像点径向能量集中度分布曲线，其中横坐标是弥散圆直径，纵坐标表示该弥散圆直径内所包含的能量百分比，表2为可见光导航光学系统的各个视场的能量集中度数据，可知80%能量集中处，所有视场的弥散圆直径都在6.5 μm以内。
畸变是一种轴外像差，是指轴外点主光线在像面上交点的高度和理想像高的差值，畸变不会影响图像的清晰度，也不会降低系统的分辨率，它只是使图像的大小和图像发生某些变化。图5右侧为可见光导航光学系统的畸变曲线，可知全视场内的最大畸变为0.38%。
图4 可见光光学系统能量集中度曲线
表2 可见光导航光学系统各视场能量集中度数值
归一化视场能量集中度/μm40%50%60%70%80%90%02.042.393.064.116.1610.140.31.952.302.853.775.659.590.52.002.352.883.745.519.450.72.062.423.033.925.649.4812.192.673.374.285.949.60
图5 可见光导航光学系统的场曲和畸变曲线
1.3 激光雷达接收光学系统设计及结果
激光雷达接收光学系统的设计参数如表3所示。
表3 激光雷达接收光学系统设计参数
参数数值参数数值入瞳直径100 mm工作波段1 064 nm接收视场500 μrad焦距280 mmF数2.8
设计的激光雷达接收光学系统的光路图如图6所示。激光雷达接收光学系统由主镜(1)，次镜(2)，准直镜组(3～4)，分光镜(5)，分光镜(6)，激光校正透镜组(7～8)，激光雷达接收光学系统的像面(9)组成，光学系统的孔径光阑置于主镜上，采用了SF57和NSK16两种光学玻璃材料，主镜的通光直径为100 mm，次镜到分光镜(6)距离171.85 mm，分光镜6到像面的距离为36.09 mm，激光雷达接收校正透镜组的最大通光直径为3.83 mm。
图6 激光雷达接收光学系统光路图
图7为激光雷达接收光学系统各视场的MTF曲线，由图7可知，激光雷达接收光学系统各视场的MTF均接近衍射极限，性能良好。
图7 激光雷达接收光学系统的MTF曲线
图8为激光雷达接收光学系统点列图，表4给出了激光雷达接收光学系统各视场弥散斑RMS直径大小。由此可知激光雷达接收光学系统各视场弥散斑均方根直径大小均在6 μm 以内。
图8 激光雷达接收光学系统点列图
表4 激光雷达接收光学系统各视场弥散斑RMS直径
归一化视场激光雷达接收光学系统RMS弥散斑直径/μm05.660.35.690.55.750.75.831.06.00
1.4 中波红外探测光学系统设计结果
中波红外探测光学系统的设计参数如表5所示。中波红外探测光学系统的光路图如图9所示。中波红外探测光学系统由主镜(1)、次镜(2)、准直镜组(3～4)、分光镜(5)、分光镜(6)、中波红外校正透镜组(7～10)、中波红外探测器窗口(11)、中波红外探测器滤光片(12)、中波红外探测光学系统像面(13)组成，红外探测器的像元数320×256，像元大小30 μm×30 μm，实际使用时只使用了红外探测器的一部分像元，光学系统的孔径光阑置于红外探测器的冷光阑处，采用了锗、硅和硒化锌3种红外光学玻璃材料，主镜的通光直径为100 mm，分光镜(5)和分光镜(6)的材料都为硒化锌，次镜到像面的距离为237.28 mm，中波红外校正透镜组的最大通光直径为7.79 mm，中波红外探测光学系统满足100%冷光阑效率，冷光阑到像面的距离为20 mm。
表5 中波红外探测光学系统设计参数
参数数值参数数值入瞳直径100 mm工作波段3 700～4 800 nm接收视场0.58°焦距400 mmF数4.0
图9 中波红外探测光学系统光路图
图10为中波红外探测光学系统不同视场的像点径向能量集中度分布曲线，表6为中波红外探测光学系统的各个视场的能量集中度数据。由此可知60%能量集中处，所有视场的弥散圆直径都在30 μm以内。
图10 中波红外探测光学系统能量集中度曲线
表6 中波红外探测光学系统各视场能量集中度数值
归一化视场能量集中度/μm40%50%60%70%80%90%018.9421.1323.7727.9643.7077.760.318.8621.0423.6727.7443.5677.570.518.9421.1523.8228.1743.3977.640.719.1521.3924.1128.7043.7078.15119.2921.5824.3529.2644.2679.22
图11右侧为中波红外探测光学系统的畸变曲线，由图11可知，全视场内的最大畸变为2.41%。
图11 中波红外探测光学系统的场曲和畸变曲线
1.5 共孔径光学系统合成光路图
将可见光导航光学系统、激光雷达接收光学系统和中波红外探测光学系统3个光学系统合成在一起的共孔径光路图如图12所示，由图12可知，系统在兼顾3个光学系统的同时，用一套光学系统可以同时实现以往3个光路单独实现的光学系统，可以满足深空探测光学有效载荷的小型化、轻量化要求。
图12 共孔径光学系统合成光路图
1.6 激光雷达发射光学系统
激光雷达发射光学系统的设计参数如表7所示。
表7 激光雷达发射光学系统设计参数
指标数值指标数值入瞳直径17 mm工作波段1 064 nm视场300 μrad物方数值孔径0.22物高0.05 mm
设计的激光雷达发射光学系统的光路图如图13所示。激光雷达发射光学系统由3片透镜组成，采用ZF6光学玻璃，光纤出射端作为物点，激光雷达发射光学系统实际工作时只使用了光纤芯径的一部分，激光雷达发射光学系统总长为30.79 mm,物点到透镜1的距离为13.41 mm。
图13 激光雷达发射光学系统结构光路图
因为激光雷达发射光学系统的物方在有限远处，像方在无穷远处，因此，评价激光雷达发射光学系统的成像质量时，需要将激光雷达发射光学系统物方和像方倒置后进行评价。图14为激光雷达发射光学系统各视场的MTF曲线，其中横坐标和纵坐标分别为像面上的空间频率和光学系统的调制传递函数值。由图14中可知，激光雷达发射光学系统各视场的MTF均接近衍射极限，性能良好。
图15为激光雷达发射光学系统的点列图，表8给出了激光雷达发射光学系统各视场RMS弥散斑直径。由此可知激光雷达发射光学系统各视场弥散斑均方根直径均在0.2 μm以内。
图14 激光雷达发射光学系统各视场的MTF曲线
图15 激光雷达接收光学系统的点列图
表8 激光雷达发射光学系统各视场RMS弥散斑直径
归一化视场激光雷达发射光学系统RMS弥散斑直径/μm00.1900.30.1880.50.1880.70.1871.00.187
2 结论
本文针对深空探测载荷小型化的需求，提出了一种具备自主光学导航、激光测距以及红外目标探测等功能的多功能光学系统方案，并给出了一个设计实例，首先介绍了多功能光学系统的构成。然后分别介绍了入瞳直径为100 mm的共孔径结构的可见光导航系统、激光雷达接收系统和红外波段探测系统等3个光学系统的设计光路图、设计参数以及结果。最后，对给出了激光雷达发射光学系统的设计仿真结果，设计结果表明，该多功能光学系统可满足深空探测任务需求。
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