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.     

星载多普勒差分干涉仪杂散光特性与抑制

星载多普勒差分干涉仪通过探测气辉光谱测量中高层大气风场,为降低低层大气背景辐射的影响,需要设计杂散光抑制结构。以基于500 km轨道高度的卫星平台对60～90 km高度的中层大气风场探测为例,选取典型气辉辐射强度与大气背景辐射,依据不同高度下大气背景辐射强度变化,结合光学系统参数设计遮光罩。仿真分析多普勒差分干涉仪系统内部产生杂散光的关键面,设计杂光抑制结构,并评估干涉仪非工作级次能量对成像造成的影响。点源透过率分析和像面照度仿真结果表明：水平方向和对角线方向上,视场外0.2°处点源透过率下降到10^-5以下,竖直方向上,视场外0.04°处点源透过率下降到10^-5以下;大气背景辐射和鬼像占像面总能量的1.35%。所提杂散光抑制方法满足星载多普勒差分干涉仪对杂散光抑制的技术要求。     

面向卫星互联网平台的星敏感器光学系统设计与验证

星敏感器为卫星提供高精度的姿态信息。随着卫星互联网技术在国防和民用领域中不断发展,要求其搭载的星敏感器向体积小、重量轻、精度高方向发展,因此需要充分结合应用需求对星敏感器光学系统进行设计。文中基于黑体辐射定律,建立6.0等星在相同的积分波段内色温与辐照度的关系,确定系统有效口径;基于星点高斯模型,提出通过提升光学系统能量集中度,实现小口径高灵敏探测;基于蒙特卡洛分析方法确定星敏感器工作视场;基于灵敏度确定杂散光抑制技术要求。利用上述论证结果开展光学系统设计,系统3×3像元内能量集中度优于95%,在-40℃～60℃区间内星点质心偏移不超过0.40μm,在32°杂散光抑制角处,系统消光比为3.0E-8。最后以试验室质心精度标定、外场观星精度与灵敏度测试、杂散光测试验证光学系统设计的合理性。试验结果表明：星敏感器标定精度为1.45″,外场观星精度为4.2″(3σ),极限灵敏度为6.04等星,杂散光背景灰度均值为36.51。     

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。     

杂散光对位置敏感探测器影响的计算机仿真

位置敏感探测器是基于PN结横向光电效应的光电器件,在使用时通常会受到杂散光的影响。以往对PSD受杂散光影响的分析是基于实验或根据PSD的位置计算公式近似分析,不是很精确。基于Lucovsky方程,采用偏微分方程求解软件FiexPDE对二维PSD受杂散光的影响进行了数值仿真。结果表明,对于杂散光的干扰,位置网格图向PSD中心收缩,对于均匀杂散光而言,此收缩是对称的,而对于非均匀杂散光,此收缩是不对称的。该方法可以很方便地对PSD受杂散光的影响进行分析。     

具有蜂窝内壁的遮光罩杂散光抑制特性分析

将具有蜂窝内壁结构的遮光罩内的杂散光传播分解为蜂窝结构的散射、内壁等效面传播两个层次的行为。通过建立蜂窝结构的等效面各向异性反射模型,采用蒙特卡罗法模拟获得内壁等效面的双向反射分布函数(BRDF)。以此为基础,再次采用蒙特卡罗法模拟遮光罩内壁等效面的杂散光传播过程,分析了该类遮光罩的杂散光抑制特性,并讨论了蜂窝高度和涂层反射率的影响。结果表明,遮光罩内壁蜂窝结构有很好的杂散光抑制作用;蜂窝高度与边长之比δ≥1时,遮光罩的抑制能力不再变化,降低涂层反射率能够有效地增强抑制效果。     

抑制光学系统中杂散光的非对称微结构的设计与加工

为抑制光学系统内部的杂散光反射,设计了一种具有非对称特征的新型微结构。该微结构通过减少镜面反射的方式,防止外部杂散光到达光学系统像面位置。为实现对非对称微结构的激光高速加工制备,提出了激光振镜加工系统进行倾斜加工的新方式。设计了新型的高速激光加工平台,制备了非对称的铝基微结构,并搭建了镜面反射测试实验和仿真综合实验对样品进行对比测试。结果表明,加工样品对杂散光具有良好的抑制效果。当设定入射角度为15°、照明光束为650 nm激光时,该微结构与常规的阳极氧化表面相比,抑制杂散光的性能提高了10倍,相对反射率仅为0.008%。     

离轴三反光学遥感器遮光罩的设计与试验验证

遮光罩是空间光学遥感器的重要组成部分,是抑制空间光学遥感器杂散光的首要措施。遮光罩削弱杂散光效果的好坏直接影响到光学遥感器光学系统的成像品质。本文设计了一种满足离轴三反空间光学遥感器要求的大尺寸碳纤维/环氧复合材料遮光罩,并结合有限元分析、杂散光分析及力学试验、光学系统传递函数检测手段来验证该遮光罩是否满足航天使用要求。结果显示,各视场光学系统传递函数检测结果基本一致,均在0.2以上。表明该大尺寸遮光罩具备良好的结构的稳定性、可靠性,能够满足空间应用要求。     

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。     

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/...     

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。     

基于散射模型设计外遮光罩

通过对粗糙表面散射情况的分析发现,普通金属材料的表面散射能量主要集中在10°散射角内。针对这种现象,提出了基于该散射特性的光学系统外遮光罩设计方法,该遮光罩的杂散光抑制角比基于反射理论计算的大5°,具有良好的散射杂散光的抑制作用。最后以Ritchey-Chirtien(R-C)光学系统为例,为其设计了合适的遮光罩,并在TracePro软件中对比性地建模、分析。结果证明了该模型的正确性,且该遮光罩对抑制杂散光起到了很好的效果,点源透射比(PST)相对较低。     

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。     

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。     

反射式内掩日冕仪的光学设计与杂散光分析

日冕仪的工作特点决定了其对杂散光抑制要求极其严格。根据反射式日冕仪的工作特点,通过分析其光学特性以及其抑制系统杂散光的基本原理,设计了反射式内掩日冕仪系统。其中,视场0.67°、口径47mm、焦距768mm、系统总长1200mm,系统在30lp/mm处的MTF值大于0.6,弥散斑半径小于2.5um,成像质量达到衍射极限。通过分析系统杂散光特点,建立了消杂散光结构,使得系统的主要杂散光源被全部抑制。本系统可做到大约10-6-10-8B⊙的杂散光抑制水平,可以实现对日冕的清晰成像观测。     

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。