基于遮光罩尺寸和镜头拉氏不变量星敏感器光学系统小型化设计

遮光罩尺寸和拉氏不变量是影响星敏感器体积和镜头复杂性的2个关键因素。通过推导分析极限星等与这两者的关系,研究了星敏感器光学系统的小型化设计。根据光学系统参数与星敏感器技术要求的关系,推得和分析不同极限星等时关于遮光罩尺寸和拉氏不变量的公式。结果表明随着极限星等增大,拉氏不变量单调减小,但遮光罩尺寸存在着极小值。据此优化极限星等,使得遮光罩尺寸和拉氏不变量尽可能小,实现星敏感器小型化。基于STAR1000互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器,举例优化设计得到适于微小卫星星敏感器使用的光学系统,其极限星等5.0 MV、视场角20°×20°、入瞳直径28.2mm、长度124mm、重量约300g。     

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。     

基于DMD光谱可调的星模拟器光源光学系统设计

为满足在各种谱线分布下对星敏感器探测能力的高准确度标定,提出了一种基于数字微镜器件的光谱可调星模拟器光源光学系统设计方法,以解决星模拟器与星敏感器观星色温不匹配对星敏感器光信号定标准确度产生的问题.首先,根据设计指标选取Czerny-Turner型光学系统为光源光学系统,对Czerny-Turner型光学系统的彗差和象散进行分析,选取消彗差的Czerny-Turner结构;其次利用MATLAB程序求解Czerny-Turner型光学系统初始结构并应用ZEMAX对其进行优化;最后对光学系统进行公差分析.公差分析结果表明,在400~1 100nm的工作谱段范围内,光学系统的光谱分辨率小于2nm,设计结果满足要求,有效降低了光谱不匹配带来的定标误差.     

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。     

大视场纳型星敏光学系统公差灵敏度研究

通过分析光学系统结构参数变化对像差的影响,提出通过优化各光学表面的曲率进行光焦度合理分配来减小各表面产生的初级像差,从而实现降低各加工装调公差灵敏度的方法.利用该方法优化了一个小像差相互补偿的焦距为25mm,全视场角为26°,入瞳孔径为18mm,光谱范围为500～800nm的大视场纳型星敏感器光学系统,系统全长40mm,光学系统成像质量满足指标要求.与所设计的大像差相互补偿光学系统进行了公差灵敏度对比分析,结果表明:光焦度合理分配后的光学系统,第5片透镜的厚度公差对均方根弥散斑半径的影响从3.75μm降低到0.17μm;第5和第6元件间隔公差对均方根弥散斑半径的影响也分别从4.36μm和4.74μm降低到0.25μm和0.18μm.蒙特卡罗分析表明,均方根弥散斑半径小于7.59μm的概率从23%增加到了80%.实验测试结果表明,星敏感器在全视场范围内,能量集中度在Φ17μm范围内优于80%,满足星敏感器的指标要求.     

广角红外地球敏感器光学系统设计及畸变校正

为了满足低轨道航天器姿态轨道控制系统对小型化地球敏感器的需求,对广角长波红外地球敏感器光学系统设计及成像畸变校正技术进行了研究。广角长波红外光学系统采用反远距结构形式,由三片锗透镜实现140°的视场角,光学系统工作波段为14 μm~16.25 μm,F数为0.8。广角长波红外光学系统体积小、结构简单,并且成像质量良好,实现了红外地球敏感器光学系统的小型化高精度设计。采用分视场区间分别建立畸变校正公式的方法来实现光学系统成像畸变校正,校正精度优于像元尺寸的1/5,可满足敏感器产品姿态测量的需求。     

对地观测平台恒星敏感器离焦成像折中设计分析

从对地观测平台角秒量级姿态确定需求出发,在构建星敏感器惯性系成像模型的基础上指出,恒星在成像面上的定位误差是星敏感器姿态确定误差的主要来源。同时,结合理想光学系统离焦模型,分析了星敏感器主要性能指标间的量化关系,并给出了成像面定位误差最低限。仿真结果表明,从优化系统性能考虑,成像模糊区直径为2~3个像元的配置是利用星敏感器焦平面的“轻微离焦”来实现亚像元定位的最佳方案,定位误差可达0.2个像元,能够满足星敏感器惯性姿态确定精度4″~5″的要求。理论分析和数值仿真结果可为后续星敏感器指标的提出及仪器设计提供技术参考。     

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.     

全天时星敏感器光学系统设计参数选择

光学系统设计是星敏感器设计的关键,光学系统参数决定将影响星敏感器的性能指标,而参数的选择需要考虑天空背景辐射、图像传感器参数等多种因素。采用Modtran软件仿真分析了不同情况下的天空背景辐射。在此基础上,通过引入能量集中度以及传感器噪声,推导出更精确的可探测极限星等公式,并深入分析了星敏感器可探测极限星等、探测概率以及探测精度与各影响因素的关系。对典型设计参数的可行性进行了分析,分析结果可为全天时星敏感器光学系统设计提供参考。     

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。     

基于数字微镜的光谱可调星模拟器光源系统

为满足对星敏感器在各种谱线分布下对探测能力的高精度标定,提出了一种基于数字微镜的星模拟器光源系统设计方案,在一定程度上解决了由星模拟器与星敏感器观星的色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的问题。从理论上分析了光谱不匹配影响定标精度的原理,设计了基于数字微镜器件的光谱可调的恒星光谱模拟系统。采用遗传算法作为光谱匹配,通过遗传算法求解不同的光谱构造函数实现对不同光谱的模拟。最后分别对5 nm分辨率和20 nm分辨率的光谱模拟系统在3 900,4 800,6 500 K 3种色温下进行了测试。测试结果表明,该星模拟器的恒星光谱模拟精度在5 nm分辨率下优于2%,在20 nm分辨率下优于5%。     

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。     

Optimization method for star tracker orientation in the sun-pointing mode

The star tracker, an optical attitude sensor with high accuracy, is widely used in satellites for attitude determination and control. However, it is susceptible to the sunlight and the earthlight for application on satellites in the sun-synchronous orbit. Therefore, the suppression of the sunlight and the earthlight is important for the star tracker. In this Letter, a vector model is proposed to describe the relationship among the Sun, the Earth, and the satellite body, and, based on the equations of the boundary curves, the vector areas free from the sunlight and the earthlight in the body coordinate system of the satellite are derived. Meanwhile, the installation orientation of the star tracker and the corresponding exclusion angle of the earthlight are optimized. The simulation results indicate that the optimization method for the installation orientation and the exclusion angle of the star tracker is accurate and effective.     

大口径离轴反射式星模拟器光学系统设计

星模拟器作为星敏感器的地面标定系统,用来模拟星点像的大小、星等、光谱、色温、星的位置及星之间的角距等。随着航天技术的不断发展,对星模拟器本身的要求也越来越高,进而使星模拟器重要部件准直光学系统的设计成为关键因素。利用离轴反射式光学系统无色差、体积小、光利用率高、中心无遮拦等特点,提出一种离轴抛物面式准直光学系统。该系统由离轴主抛物面反射镜和次平面反射镜组成,实现了通光口径为300 mm,焦距为3 000 mm,视场角为30的准直光学系统设计,经像质分析表明,在视场角内畸变为0.006 2%（小于0.01%）,MTF达到衍射极限,波相差为0.071 6 ,所设计的光学系统能满足要求,并论述了准直光学系统的装校过程。     

空间遥感大气痕量气体临边探测仪设计与研究

为满足空间大气痕量气体探测的迫切需求,设计并研制了一个空间遥感大气痕量气体临边探测仪原型样机.该样机光学系统由离轴抛物面望远镜和改进型Czerny-Turner光谱仪组成,工作波段为380~570 nm.在工作波段内,点列图半径的均方根值均小于9 μm,校正了像散,整个工作波段内同时获得了良好的成像质量.原型样机质量12 kg,体积420×350×200 mm³,空间像元分辨力0.6 km,光谱分辨力0.86 nm,各项指标均满足要求.利用临边探测仪原型样机进行了外场观测试验,外场观测光谱数据与模拟光谱数据进行了比对,二者具有很好的一致性,表明大气痕量气体临边探测仪功能和性能良好,满足大气痕量气体探测的应用要求.     

具光反馈功能的星模拟器设计

为满足天文导航设备星敏感器内场高精度检测和标校的实际工程需要,设计了一种结构简单并且具有光反馈功能的新型高精度单星模拟器。选用发光二极管作为光源,采用先聚焦再准直的方法实现模拟星光的平行输出。星模拟器的光反馈系统可以在输出光强发生变化的时候自动调节星光光源的发光强度,从而使星模拟器的输出光强在相当长的时间段内保持稳定。星模拟器输出光束的平行度达到8,输出光束的均匀性达到80 %,在连续工作至少8 h的情况下输出光束的稳定性达到89 %。相对稳定的输出光强减少了星模拟器因为模拟的星等发生变化而产生的影响,提高了星敏感器检测和标定的精度。     

基于PDMS的光纤端面微纳结构转移法

微纳光纤传感器将微纳加工与光纤传感技术有机结合,具有重大的科研意义和产业化潜力。现有加工方法无法达到任意复杂三维结构可制备化,从而限制了微纳光纤传感器的发展。介绍了一种新型微纳加工方法,该方法在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上实现微纳结构的制备,之后将薄膜连同微纳结构一同转移到光纤端面,在光纤端面实现人为定义三维立体微纳结构。通过在扫描电镜下对制备的样品进行检测,确认PDMS薄膜及其上三维结构可被无损转移至光纤端面。该方法具有易制备、低成本且可加工三维微纳结构的特点。     

一种双曲面光学系统中次镜装调设计与实现北大核心CSCD

R-C(Ritchey-Chretien)光学系统作为两镜反射式光学系统,是双曲面光学系统的典型结构形式,在现代光学工程中具有重要的应用。以缩短高精度系统装调周期和指导高精度系统批量生产为目的,用某一机载星敏感器所应用的R-C光学系统为例,在确定以主镜为装调基准的前提下,针对直径较小的次镜,设计了一种次镜装调机构,实现次镜6个自由度调整,并对装调、固化过程中涉及的方法进行了说明。通过对装调前后以及环境试验后的系统像质进行测试,验证了设计机构的稳定性。测试结果表明:该次镜装调机构能够满足系统像质要求,整机波像差PV值优于(1/2)λ,RMS值优于(1/15)λ,装调方法达到可指导高精度系统批量生产的目的。