星敏感器光学系统设计及杂散光抑制技术研究

在星敏感器实际应用中,光学系统杂散光的存在会引起星点模糊或者被遮挡。文中根据星敏感器对口径、视场、光谱范围和探测能力的要求,采用Code V软件完成了星敏感器光学系统的设计,最终设计参数为口径15 mm、视场18°、光谱范围400~750 nm、探测能力5等星,并利用CAD画图软件设计了锥形结构遮光罩,遮光罩叶片视场边界为19°,共9片挡光环,最前端面距离窗口玻璃190.76 mm,最前端面口径108.76 mm,太阳规避角25°,同时利用ASAP软件分析了光学系统对杂散光的抑制能力,根据杂散光评价指标点源透射比(PST),在25°太阳规避角时,系统满足5等星探测能力需求,验证了杂散光分析方法、分析模型的正确性。     

星敏感器反射式遮光罩设计

星敏感器主要用于探测深黑空间中的恒星,属于微弱信号的检测,视场外的太阳光和地气光是主要的杂散光源.反射式遮光罩表面以镜面反射为主,遵循反射定律,光线易于控制,因此能够通过合理的结构设计使大部分以抑制角入射的杂光返回入射空间,而且与传统遮光罩相比,加工较为容易.详细讨论了反射式遮光罩设计的基本方法,推导了一种改进型反射式遮光罩的设计公式,最后结合某星敏感器进行了仿真验证.结果表明:该遮光罩具有较佳的杂散光抑制能力/体积比,工程可实施性强,能实现观测五等星的目标.     

杜瓦中冷光阑的杂散光抑制研究

为了深入研究红外探测器杜瓦内部的冷光阑的消杂光作用,在原有的圆柱形冷光阑基本结构的基础上,按照冷光阑和挡光环的消杂光设计原理,提出了冷光阑一挡光环的四种不同组合的结构设计.首次采用LightTools软件模拟了设计实例,并对挡光环和冷光阑的结构形状进行了全面的对比分析.结果表明,在挡光环方面,垂直挡光环的效果更佳;在冷光阑方面,圆锥状二阶冷光阑的效果更佳.最后得出,四种结构中带垂直挡光环的圆锥状二阶冷光阑设计的效果更佳.     

基于最优背景估计的星敏感器抗杂散光星点提取方法

研究了杂散光干扰下星敏感器星点提取问题。在杂散光干扰下,星点提取的效果会变差,这会使解算的姿态不准确和不可靠。为了抵抗杂散光干扰,提出了一种基于最优背景估计的抗杂散光星点提取方法。首先,分析了杂散光在星敏感器中的成像特点,构建了杂散光的具有闭合解的曲面模型;然后,设计了基于最优曲面的杂散光背景估计方法和星点提取方法;最后,采用仿真的杂散光图像和星敏感器采集的杂散光图像验证了算法的性能。实验结果表明:该方法得到的星点检测率、误检率和质心定位精度均优于现有基于背景和形态学的方法,该方法对杂散光有较好的抑制能力。     

高光谱成像仪的杂散光分析

杂光分析是保证高光谱成像仪成像质量的关键技术之一。详细分析了高光谱成像仪光学系统的杂散光,设计了R-C前置镜的遮光罩和挡光环,并用Tracepro软件对高光谱成像仪光学系统进行了光机建模,分析了系统的一次、二次散射面,根据重要杂散光路径设置重点采用,计算出0.5°~40°不同离轴角度下的点源透射比值,从而得到地球表面反射光在像面产生的照度为5.5×10-3W/m2,小于中心视场光线在像面照度的3.5%,满足系统抑制杂散光的要求。     

紫外星敏感器光学系统设计及其鬼像分析

针对空间紫外波段航天器自主导航姿态敏感器的特殊需求,提出基于正组为FK5和熔石英、负组为QF1的新型紫外玻璃组合方法,设计了波段330~365 nm、焦距80 mm、F数1.6、视场角88的紫外星敏感器。基于近轴鬼像能量计算的方法对鬼像抑制指标进行计算。利用Code V对系统轴上一阶鬼像进行初步的分析与判断,再利用非序列光线追迹对系统轴外多阶鬼像进行仿真计算,得到完备的轴外鬼像能量分布。结果表明,该光学系统结构紧凑,像质良好,各视场成像弥散斑均方根半径10 m内能量集中度大于80%,相对畸变优于0.05%,在相差7等星的动态范围下,像面处亮星最大鬼像光斑照度仅为暗星照度的1/21,满足紫外星敏感器的探测需求。     

折反射式大入瞳星敏感器光学系统设计

为了提高可探测极限星等能力,观测到更多较暗较远恒星作为深空探测飞船导航定姿的参考星,设计了采用改进的卡塞格林结构与三片球面补偿镜组相结合的折反式星敏感器光学系统。其中,改进的卡塞格林结构有利于轴外消球差及彗差,同时生成系统焦距及大尺寸入瞳;靠近像面的补偿镜组校正反射结构的残余像差,同时补偿镜组像方远心的设计保证了系统全视场照度的均匀性,也降低了系统离焦对像面安装的敏感性。本系统焦距180mm,像方F数2,全视场2ω为3°×3°,有效入瞳面积5106mm2,在450~800nm的宽光谱范围内质心偏差优于2.5μm、垂轴色差小于3.5μm,80%弥散斑能量集中在3×3pixel内,传递函数接近衍射极限。采用主次反射镜遮光罩及两级外镜筒遮光设计,并在Lighttools软件中对光机系统杂散光模拟分析,设计结果表明在2°~40°杂光源成像视场范围内,点源透过率在10-6~10-4量级,该系统设计方案及结果可为用于深空任务的星敏感器系统的参考依据。     

地球反照对星敏感器的影响分析

利用光度学的概念和点源辐射传输率(PST),提出了一种分析地球反照对星敏感器的影响的几何光学模型。该模型对地球表面按照经纬度划分了网格,为已知的TOMS反射数据的应用提供了接口,具有一定的通用性和实用性,可简要分析卫星上的星敏感器在一定输入条件下,包括轨道高度、星敏感器的安装方位、太阳入射角度等,地球反照到达遮光罩入口、出口的照度,以及不同离轴角下像面接收的地球反照的照度值。借助此模型,可以为星敏感器在卫星上的安装方位提出建议,并估算出星敏感器遮光罩的抗地球反照干扰性能。仿真分析表明,对于中低轨道而言,地球反照到达星敏感器遮光罩入口的辐照度变化不大,地球反照到达星敏感器遮光罩出口的辐照度主要与遮光罩自身的PST和遮光罩的安装仰角有关;当遮光罩的安装仰角φ=32.5°时,出口的辐照度下降到10-7W/m2,满足遮光罩消杂光的要求。     

50BiN望远镜杂散光分析及控制方案

杂散光会影响星像信噪比,降低系统测光精度。为保证50 BiN望远镜高精度测光观测的要求,对50 BiN望远镜进行了详细的杂散光分析。在TracePro软件中建立精确的仿真模型,计算望远镜本身的点源透过率PST值。根据其特点设计了主镜遮光筒内的挡光环。由于杂散光的不均匀性对较差测光系统影响很大,因此着重分析后,结合MATLAB软件验证了挡光环效果。结果表明:添加挡光环后,CCD像面的杂散光辐照度标准差得到明显改善。在离轴角大于30时,PST值均在10-10量级,相比无挡光环的情况下降了3~4个数量级。由此说明,添加挡光环可以有效提高望远镜消杂散光的能力。该挡光环可应用于其他天文望远镜,可以在50 BiN观测网络中广泛推广和应用。     

同轴两反光学系统杂散光分析及内遮光罩优化设计

针对某同轴两反光学系统的空间布局特点设计了内遮光罩,并对内遮光罩不同的高度和直径参数进行了系统的杂散光分析,绘制了系统东西方向和南北方向的点源透射率(PST)曲线并得到系统像面处的辐照度,从而为内遮光罩的杂散光抑制能力提供了量化的对比结果,便于内遮光罩进行优化设计。通过杂散光分析,并对内遮光罩的结构强度等参数进行有限元分析(FEA)校核,确定了该口径为320mm的同轴两反光学系统的内遮光罩高度为100mm,直径为44.8mm,使得该遮光罩结构在满足空间遥感器力学性能的要求下达到杂散光抑制的最佳效果,实现了杂散光分析及基于结构FEA的优化设计。     

适用于星敏感器的星跟踪算法研究

为了解决全天球识别中星像坐标提取速度慢的问题,提高空间飞行器姿态确定的实时性,提出了一种新的星跟踪算法.该算法根据星敏感器在一次全天球识别后能够获得一定先验信息的特点,利用星敏感器在上一时刻采集的星图中已识别观测星的信息来获取星敏感器下一时刻采集的星图中待识别观测星的信息.仿真结果表明该算法不但提高了星像坐标提取的速度.也由此提高了星敏感器的姿态更新率,从而避免了由于全天球识别导致的误匹配.     

星敏感器抗杂光的复合型背景估计星图处理算法

星敏感器在太空作业时,易受到太阳光、月光和地气光等杂光的干扰,导致拍摄的星图灰度整体升高,背景均匀性较差,难以准确提取到星点坐标。针对上述问题并结合现有算法提出了一种复合型背景估计的杂光干扰下星图处理算法。首先,星点具有经点扩散成像后尺寸为直径3×3至7×7的特征,设计相应的背景估计模板,最后为提高算法鲁棒性,提高局部信息的利用率,再设计一个像素估计模板,两个估计模板同时计算后处理数据实现阈值分割;最后进行星点质心计算。通过试验证明该方法可以较好地抵抗杂光干扰,提高杂光背景下星点提取的精度。     

星敏感器白天观星的对比度分析

恒星-背景对比度是星敏感器白天探测恒星的一个重要参数,它决定了星敏感器可探测星等的极限值.叙述了恒星-背景对比度的计算方法,分析了星敏感器在3°× 3°视场角和0°与40°两个观测角下,6等K和M型恒星的对比度随观测高度、太阳天顶角、波段和恒星光谱类型的变化特征.结果表明:对比度随观测高度的增加按指数增加,40 km高度上的对比度是10 km上对比度的100倍左右;随太阳天顶角的增加按线性增加,长波波段上80°太阳天顶角的对比度是20°时的6倍左右;经过滤波片(B W 090)滤光的全波段(0.4～1.0μm)上的对比度和0.6～0.7μm分波段的对比度较接近;全波段上的对比度随恒星光谱类型几乎不变化.这些结果可用于星敏感器在大气层内白天观测恒星的星等极限估计.     

星敏感器地基评测系统的设计研究

为了能够方便、准确地评价星敏感器的成像质量,设计了一款专门用于评价成像质量的图像采集系统。该系统基于PCI总线接口,以FPGA作为核心控制逻辑,用双SRAM的双缓存结构实现了图像数据的大量传输。在软件上采用多线程方法实现了图像的显示和存储,并加入了图像评价模块,从而精确检测出了星敏感器的工作性能。多次严格试验表明,该系统工作稳定、可靠,其采集的图像数据不失真。当系统运行在16位的情况下,其峰值图像传输速率可达到40 Mbps。     

地球同步轨道随动可展开异形遮光罩技术研究

对于地球同步轨道空间遥感器的成像系统,太阳入侵引起的杂散光和热流量问题是影响系统成像质量的重要因素.目前,解决这个问题的一个有效办法是在通光口径处安装一个外遮光罩.对于未来大口径高分辨率成像系统,其遮光罩尺寸受到了火箭整流罩空间包络的限制.针对地球同步轨道遥感器的高分辨率大口径成像系统,研究了一种随动可展开的异形遮光罩技术,提出一种收缩发射、在轨展开的设计方案,可以优化遮光罩与卫星的空间接口关系;同时,随动技术可以让遮光罩具备相对于太阳入射角度的转动功能,对日形成遮蔽,更加有效地解决太阳引起的杂散光和热流量问题.     

离轴三反空间相机外遮光罩组件的研制

杂散光抑制对提高空间相机的成像品质起着至关重要的作用。通过合理地设置外遮光罩可以有效地抑制杂散光。为了满足空间相机外遮光罩轻质、高刚度、高强度和高尺寸稳定性的要求,选取增强基碳纤维复合材料作为空间相机外遮光罩的材料,并提出了相机主支撑结构与外遮光罩独立安装的设计思想,从而最大限度地降低了外遮光罩变形对光学元件尺寸稳定性的影响。利用有限元分析技术对外遮光罩结构进行了热特性及动态特性分析,并对结构参数进行了优化设计,最终得到了质量为5.2kg、一阶固有频率为113Hz的外遮光罩结构。动力学试验测试结果表明,外遮光罩一阶谐振频率为106.8Hz,在正弦振动和随机振动试验中加速度放大倍率小于10倍,最大应力为86.6MPa,远远小于碳纤维复合材料屈服应力,结构刚度、强度完全满足设计指标要求。     

高精度星敏感器随机振动分析

为了验证高精度星敏感器是否能承受飞行器发射过程中产生的随机振动载荷,对其进行了随机振动分析．从振动理论人手,详细阐述了高精度星敏感器随机振动分析过程中功率谱密度的确定．利用有限元分析软件Patran和Nastran对其进行随机振动分析,结果表明发射过程中产生的随机振动对高精度星敏感器的影响非常小,为其结构设计提供了依据．     

机载星敏感器成像的仿真技术研究

根据天文导航的基本原理,综合考虑了星敏感器自身噪声、星云星团、大气折射、大气扰动和气动、地球遮挡等因素对机载星敏感器成像的影响,实现了复杂环境下的星光在机载CCD星敏感器上的成像仿真。在仿真过程中,重点考虑了大气折射的影响,分析了载体在大气层内飞行时星光角距、载体姿态和折射角之间的关系,推导了星敏感器成像点位置偏移的计算公式,为进一步研究机载天文导航技术打下了基础。     

基于折反射星敏感器光学系统的光纤光栅温度传感器设计

为了实现太空环境下的卫星折反射星敏器光学系统中特殊结构部位的传感器的安装及温度监测,排除应变对传感器的影响,设计了一种适用于光纤光栅的环形特殊封装结构。并对传感器进行了温度标定、拉伸、温度重复性、振动及热真空实验。实验结果表明:这种封装形式的光纤光栅温度传感器线性度为0.998,温度灵敏度为8.5~8.7pm/℃,同一温度下,中心波长变化量在2pm以内,同时,该结构形变产生的应变对传感器中心波长没有影响;在振动及热真空环境下,传感器的性能不会受到影响。     

星敏感器误差模型及参数分析

为分析星敏感器内部各误差因素对其测量精度的影响,建立了星敏感器的理想模型和实际模型;基于几何成像理论,分析了焦距误差、主点偏移、光学镜头畸变、焦平面倾斜以及焦平面绕视轴方向的旋转等误差因素对星光成像矢量测量精度、视场内星间角距测量精度的影响,设计了测量精度评价指标,并通过仿真实验进行了定量分析,论证了不同参数误差、不同观星方位与测量精度的关系,焦距误差、主点偏移和镜头畸变是影响测量精度的主要因素,在使用时必须加以校正。