星敏感器杂散光抑制设计与验证

以杂散光在探测器像面平均照度低至6等星为例,首先从理论及工程应用角度对星敏感器遮光罩进行论证、设计、仿真、测试,并提出在遮光罩设计阶段应该充分结合光学镜头、星点提取算法、技术要求特点,确定遮光罩有效通光口径、视场、外形包络尺寸、消光性能;其次,利用几何作图的方法确定遮光罩挡光环位置、刃口倒角角度、刃口倒角朝向,并建立起散射关键面;然后,根据仿真过程中一次散射与多次散射对像面照度的影响确定刃口厚度;最后,通过仿真和实验室测试方式证明所设计的遮光罩结构合理,可满足太阳光抑制低至6等星,星敏感器受杂散光影响测量精度偏差在2″以内。     

轻小型星敏感器光学系统的设计

介绍了星敏感器的工作原理,对光学系统的指标进行详细的分析,给出光学系统的设计结果和评价.设计得到的镜头焦距22.7 mm,相对孔径1:1.4,视场角17.1°×17.1°(圆视场角24°),而长度仅45.3 mm.由七个球面透镜组成,光阑放在第二、三透镜之间.     

宽视场大相对孔径星敏感器光学系统设计

介绍了一种用于卫星姿态控制的星敏感器光学系统,该光学系统焦距为51 mm,相对孔径为1/1.1,视场角为21°×21°（圆视场2ω＝30°）,光谱范围为0.5～0.85 μm,采用了复杂化双高斯结构.与普通成像系统不同的是,该系统要求对不同光谱的恒星所采集到的点像能量中心是一致的,且星像点像的弥散圆须控制在一定的范围内.具有倍率色差小、轴上和轴外能量分布比较一致的特点.     

白昼星敏感器的研究现状及关键技术

星敏感器以恒星为姿态测量参考源,可以为空间飞行器提供高精度姿态测量信息。白昼星敏感器具备白昼条件下恒星探测能力,可以拓展用于高空气球、飞机、导弹、舰船等近地空间平台的全天时自主导航。对白昼星敏感器的国内外研究现状进行了综合分析,介绍了典型白昼星敏感器的技术指标,对制约白昼星敏感器发展的技术瓶颈和关键技术进行了梳理和总结。     

大视场星敏感器标定技术研究

大视场星敏感器光学系统,由于畸变量较大,在轨标定过程中,直接采用最小二乘最优估计(LMS)或扩展卡尔曼滤波方法(EKF)无法精确求解其标定参数。在深入分析星敏感器测量误差因素的基础上,对考虑畸变和不考虑畸变两种情况的在轨标定结果进行了仿真对比;指出了标定焦距之前需先标定光学畸变的必要性,并介绍了4种可用于在轨校正光学畸变的方法;提出先标定主点偏差,再标定光学畸变参数,最后标定焦距的标定方法。仿真结果表明,可以采用像面旋转法求取主点偏差,利用高阶多项式方法求取光学畸变参数,畸变校正后,采用LMS和EKF标定算法估计焦距,标定精度达到了3.1μm和2.2μm。对100幅模拟星图处理后,星间角距统计偏差约为传统在轨标定方法的1/10～1/8。     

大相对孔径全天时星敏感器光学系统

为实现星敏感器在J波段对3等恒星进行全天时高精度探测,采用被动消热差设计方法,根据光学系统与结构材料的热差性能差异,进行匹配优化实现镜头消热差,设计完成了一种大相对孔径全天时星敏感器光学系统。针对恒星在该波段下的指标进行分析,确定光学系统焦距为84 mm,F数为1.4,工作谱段范围为1.1～1.4μm,视场角为8.4°。在光学系统设计过程中选取常用光学材料和镜筒材料,通过改变各透镜形状,合理匹配各镜片之间的光焦度,从而实现被动补偿无热化设计。优化设计完成后的光学系统在高低温(-40℃～+60℃)及真空条件下,当离焦0.02 mm后,弥散斑尺寸优于30μm,色畸变小于0.018 mm。星敏感器内部采用表面发黑处理,遮光罩采用非等间距布局设计,表面采用一款具有较高太阳吸收率的SB-3A国产消光漆进行涂黑,可以在保证效果的情况下有效减轻重量,遮光罩内档光环采用16°斜角,可以保证较好的杂散光抑制能力。利用Tracepro软件对光机系统的杂散光进行了仿真分析,分析结果表明,视场内由目标产生杂散光是目标强度的3×10^-5,视场外杂散光强度由10^-2量级...     

大视场星敏感器畸变校正技术

由于大视场光学镜头的加工误差和光敏感器件装配误差的存在,星敏感器实际模型与理想模型存在一定的差别。未校正的非线性误差对星点角度的测量影响很大。基于单星平行光入射标定模型,得出测试点与标定点之间旋转角的数学关系。以相邻点畸变误差近似相等为前提条件,完成测试星点的旋转角的畸变校正。结果表明,统计误差由校正前的7.257个像元降低到了0.246个像元。     

CMOS星敏感器光学系统的设计

基于对恒星星表V/50的统计,在确保一定捕获概率的前提下,确定了星敏感器光学系统的视场角和所能探测的极限星等,在此基础上,结合所选用的STAR-250CMOS探测器的性能,在保证一定信噪比的前提下,确定了光学系统的通光孔径、焦距、工作光谱范围和中心波长、弥散元大小等主要参数。以改进双高斯型结构为初始结构,在ZE-MAX平台上实现了具有良好像质的大孔径(F/1.198)、大视场(22.6°)、宽光谱范围(0.5μm~0.8μm)的光学系统的设计,满足了对弥散斑、能量集中度等的特殊要求。     

大口径折反式星敏感器光学系统的光路设计

为提高星敏感器探测极限星等的能力,采用改进型卡塞格林系统、光阑校正球面透镜组和视场校正球面透镜组相结合的结构,设计了一种光谱范围为450～950nm、半视场为1.4°、入瞳直径为250mm、焦距为425mm,且能够矫正像散、场曲和畸变的大口径折反式星敏感器光学系统.基于像差理论的系统初始结构参数计算和Zemax软件光线追迹的优化设计,光学系统的次镜遮拦比为0.43,成像点80%的能量集中在30μm内,最大畸变为0.081%,光学传递函数在奈奎斯特频率34lp/mm处大于0.75,最大倍率色差为1.138μm,满足星敏感器对成像的要求.对光学系统进行公差分析,在20次蒙特卡罗分析结果中,第13个结构的绩效函数最好,为4.975 16μm,第20个结构的绩效函数最差,达到7.799 57μm.通过对20次蒙特卡罗结构的绩效函数分析,所选定的公差值能够很好地满足光学系统性能基本要求,为加工和安装过程中的误差提供依据.     

宽谱段近红外星敏感器光学系统的设计

近红外波段测星已成为星敏感器的重点发展方向之一,针对近红外星敏感器使用波段宽的特点,依据消二级光谱理论中可行的两种消二级光谱方法,采用选取相对部分色散系数相同或接近、色散系数相差较大的玻璃组合的方法对近红外星敏感器光学系统进行设计。设计了一组工作波长为900 nm ~1 700 nm,F数为1.5,焦距为150 mm的光学镜头,该镜头在宽光谱范围内实现了二级光谱的校正,在空间频率等于32 lp/mm时各视场MTF均大于0.65,使系统具有良好的像质,能够满足近红外波段的测星要求。     

小型化宽谱段星敏感器光学系统设计

星敏感器是航天飞行器实现姿态自主导航的关键测量设备,传统星敏感器由于体积与质量较大,难以满足微纳卫星的应用需求,光学系统是星敏感器小型化的核心及瓶颈技术.分析了实现全天恒星识别的星敏感器光学系统参数需求,完成一种基于全球面透镜的微小型宽谱段透射式光学系统设计,实现了光学系统焦距40 mm,视场角26.4°,相对孔径F/...     

全天时星敏感器光学系统参量选择与光学设计

以10km观测高度探测4.5等星为例,分析星点在600~1100nm谱段的辐射特性,使用Modtran软件计算同谱段的天空背景辐射亮度以及大气透过率,在信噪比阈值为5的情况下,选择一组典型的光学系统参量.采用一块平面反射镜和石英球面镜系统设计了轻、小型化的光学系统,该系统在600~1 100nm宽光谱范围内全视场光斑形状接近圆形、调制传递函数接近衍射极限,色差很小,具有良好的成像质量.计算了地面环境下星敏感器的昼夜探测信噪比,以信噪比阈值5对星敏感器的探测能力评估,结果表明在白昼地面环境下可以实现2.5等G型恒星的探测,在夜间地面环境下可以实现6等G型恒星的探测.     

星光折射自主导航星敏感器及光学系统设计研究

基于星光折射间接敏感地平自主导航星敏感器的工作原理,详细分析了星光折射星敏感器的探测参数设计,包括探测谱段、恒星观测视场、探测概率及阈值星等、恒星探测能力等。星光折射星敏感器的观测视场分为折射星与非折射星两部分,对折射星的观测视场随轨道高度增加而减小;受限于大气光谱吸收,观测折射星的谱段宜选择600~900 nm,探测信噪比随大气折射高度降低而减小。采用高灵敏度的背薄电荷耦合器件(CCD)以及精度达到微米级的无热化光学系统匹配设计。结果表明,光学系统像质良好,单一星敏感器单星测量精度达到1″,满足目前航天自主导航对姿态及位置测量精度的需求。     

热光效应对星敏感器测量准确度的影响

运用"热-结构-光"耦合分析方法,计算典型星敏感器光学系统(6透镜光具组,f=56 mm,相对孔径1/1.3)恒星像斑理想质心位移和亚像元内插质心偏移量,研究温度分布对星敏感器测量准确度的影响.以20℃为光学系统标定温度,计算光学系统均匀温度分布、轴向温差分布和上下侧温差分布三种条件下,星敏感器测量误差.均匀分布温度变化20℃时,星敏感器测量误差约0.07″;轴向温差10℃和20℃时,测量误差分别约为0.17″和0.31″;上下侧温差仅2℃时,测量误差就高达1.46″.计算结果表明,上下侧温差分布对星敏感器准确度影响最大,均匀温度分布影响最小.     

星敏感器光学系统弥散斑测试方法

提出了一种星敏感器光学系统弥散斑尺寸的测试方法,主要是利用平行光管、转台和CCD显微摄像系统组成弥散斑测量系统,采集图像后,采用双三次插值像元细分,提取图像中灰度值,依据瑞利判据计算弥散斑尺寸。通过实际测量和试验验证,光学系统0.8视场弥散斑测量精度可以达到0.5μm,重复测量精度可达0.2μm。     

温度对星敏感器光学系统像面位移的影响研究

光学系统的温度变化会使系统产生像面位移。根据镜面材料特性公式,选用铝合金作为星敏感器的镜筒,透镜组选用ψ值大的材料,并进一步通过I-DEAS软件进行了计算验证。在此基础上根据矩阵光学理论和温度的变化推导出了含有多个光学器件的星敏感器像面位移计算公式,并运用该公式对一个特定的星敏感器光学系统的像面位移进行了计算。结果发现,光学系统从一个温度均匀分布状态变到另一个温度均匀分布状态的温差越大,像面位移量的绝对值越大。同时还发现,对此星敏感器成像精度影响最大的透镜是第4块、第5块和第6块,明显地减少了在热补偿条件下的系统像面位移。     

大动态CMOS APS的星敏感器光学系统主要参数设计

星敏感器广泛用于空间飞行器的姿态测量,为减少飞行器飞行过程中转动对星敏感器测量精度的影响,定量分析了捷联安装的星敏感器透光孔径、曝光时间、视场、焦距、像素数目与转速之间的关系,提出了大视场、短曝光时间、较少的像素都能提高星敏感器的动态。鉴于这三者之间是相互关联的,首先,由导航星的捕获概率确定了视场大小,然后,根据恒星辐射模型和CMOS有源像素传感器的噪声计算模型,确定了透光孔径、曝光时间。     

星敏感器星图处理研究

星敏感器是一种通过观测恒星位置,直接提供运载体在惯性空间中三轴绝对姿态的光电仪器。星图处理是星敏感器的重要工作内容之一,关系到后续星图识别的正确进行。处理方法需要能够有效地降低噪声,抑制背景,并正确提取出图像中的恒星目标。从分析星敏感器实际获取的星图特性入手,提出了相对应的图像处理算法。最后,进行实际测星试验,验证了星图处理算法的正确性和有效性。     

星敏感器测量载体水平姿态与航向的研究

星敏感器是一种通过观测恒星,直接提供运载体在惯性空间中三轴绝对姿态的光电仪器。它是目前精度最高的姿态敏感器。如果同时借助时钟系统提供的时间和GPS提供的运载体地理位置,可以精确确定运载体的水平姿态和航向。根据星敏感器测量过程中涉及到的各坐标系,从它们之间的转换关系入手,推导了水平姿态和航向解算模型,并在星敏感器上实现。最后,构建了实验装置,进行实际测星定姿试验。实验结果表明,星敏感器输出的水平姿态和航向可以正确反映实际载体水平姿态和航向,从而验证了此模型和计算方法的正确性和有效性。     

船用星敏感器探测灵敏度计算及分析

星敏感器作为一种被广泛应用于各种载体上的高精度自主导航定位设备,探测灵敏度影响着其工作效率及测量精度。与航天器载体上的星敏感器不同,船用星敏感器工作在海平面环境下,其探测灵敏度不仅由镜头及成像传感器的各项参数决定,还要受到夜空背景以及大气透射等外部因素的影响。为了给船用星敏感器的研制与应用提供理论依据,通过对星光传播、传感器成像以及信号提取过程的研究分析,推导出了船用星敏感器探测灵敏度的计算模型,并通过实验验证了该模型的有效性,在此基础上,分析了各项因素对船用星敏感器探测灵敏度的影响情况,根据分析结果对船用星敏感器系统的设计研制提出了相应建议。