成像器噪声对星敏感器星等灵敏度的影响

作为用于高精度测量的姿态敏感器,星敏感器需要具备很高的星等灵敏度.对以光电转换技术为核心的星敏感器来说,光信号的传输及转换容易引入噪声,而成像器噪声则成为影响星等灵敏度的重要因素.为了提高星敏感器的星等灵敏度,结合系统信噪比判据,分析了成像器中的CCD组件噪声和电路噪声,推导出系统信噪比公式.并针对其中的暗电流噪声、逻辑驱动电路噪声、直流偏置驱动电路噪声和A/D转换电路噪声等主要噪声提出了相应的解决方案,经分析和测试,成像器噪声对星等灵敏度的影响是不容忽视的.采用适当的噪声抑制方案可有效提高星敏感器的星等灵敏度.     

高精度星敏感器噪声与定位精度研究

星敏感器定位精度是星敏感器最重要的性能指标.噪声是影响星敏感器定位精度的重要因素.文章基于矩心算法建立了星敏感器的定位精度模型,对星敏感器主要噪声所带来精度误差进行了推导,结果显示,开窗、积分时间、温度直接影响噪声大小,进而影响星敏感器的定位精度.利用基于CCD TC237的星敏感器,通过实验,定量地分析出了三种因素对于星敏感器定位精度的影响,实验结果显示,三种因素中,温度和积分时间对星敏感器定位精度的影响最大.     

星敏感器定位精度噪声影响因素研究

基于矩心算法建立了星敏感器定位精度模型,从理论上分析了星敏感器定位精度的主要影响因素,推导出温度、积分时间和开窗大是影响星敏感器定位精度的主要因素,利用所研制的ST-1型星敏感器,通过实验定量地测试出了不同的温度、积分时间和开窗所带来的定位精度误差,并选择实验所得到的参数,通过ST-1型星敏感器进行野外实测,实测结果证明合适的温度、积分时间和开窗大小是获得高质量定位精度的前提.     

CCD噪声对星敏感器星点定位精度的影响

星点测量精度是表征星敏感器精度的一个重要指标,影响该精度的主要因素有：光学系统误差、图像传感器的噪声、电路噪声及软件算法等。图像传感器的噪声对星点定位精度的影响是不容忽视的,但很少对此进行研究。针对某给定参数的星敏感器,对TH7890M CCD图像传感器的各项噪声进行了定量计算;基于亚像素细分质心算法,针对各噪声的分布特点及规律,分别推导出各自的均方根误差,综合各项误差得到CCD噪声的星点定位精度模型。计算结果表明TH7890M CCD的主要噪声有读出噪声、光子散粒噪声和光响应不均匀性引起的随机噪声;影响星敏感器星点定位精度的主要噪声是读出噪声和光子散粒噪声;对6等星进行星点位置的估计,CCD噪声达到了1/40像素的精度水平。     

位置敏感探测器测量电路噪声分析

位置敏感探测器（PSD）的特点是位置测量分辨力高,测量装置建立简单,测量结果比较直观。对PSD测量电路等效噪声进行测试分析,获得一系列模拟结果,明确了电路噪声是影响位置测量分辨力的重要因素。以一维PSD器件S3932为例,按照建立的模拟模型,得出要获得1μm的位置分辨力,器件的工作光电流应大于7μA,该模拟结果可以作为PSD测量电路设计的一个重要参考。     

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。     

星敏感器地面标定设备的设计

为了实现星敏感器的地面标定试验,设计一套视场大且星间角距模拟精度高的星敏感器地面标定系统,对标定系统的组成、光学系统设计和模拟仿真精度等进行研究。根据星敏感器的地面标定要求介绍系统组成,提出实现星间角距模拟精度优于20的方法;采用新型显示器件LCOS 作为星图显示器,通过像面拼接的方法扩大视场,并据此利用Zemax 软件设计光学系统。在原有测量方法的基础上,给出地面标定设备的精度评价方法。并提出一种能够提高星间角距模拟精度的星点修正方法。实验结果表明:星敏感器地面标定设备的星间角距模拟精度小于20,满足对星敏感器进行地面标定试验的要求。     

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．     

一种甚高精度星敏感器精度测试方法

根据星敏感器的误差来源和组成,提出了对甚高精度星敏感器的瞬时误差(TE)、高频误差(HSFE)、低频误差(LSFE)三项误差的测试方法。针对星敏感器TE的测试,利用统计高精度静态光星模和基于高精度单星模拟器的星点质心定位误差的方法,得到星敏感器TE的误差;针对星敏感器HSFE的测试,利用高精度转台和单星模拟器,以微步距采集星点弥散斑在不同成像位置时的能量变化,计算星敏感器高频误差;针对星敏感器LSFE误差的测试,利用双轴转台,并且分别旋转转台的两轴,计算星敏感器星像坐标在像面上的变化来获得LSFE的误差。最后文中以某甚高精度星敏感器为例进行试验,结果表明测试方法有效。     

通过扩展编程模拟星敏感器光学系统成像方法的研究

星图是星敏感器技术研究中不可或缺的重要数据,利用计算机进行星图模拟成为一种获取星图的捷径。提出一种通过扩展编程,模拟星敏感器光学系统成像过程,获取星图的方法,建立星图模拟系统。首先,在分析光学系统成像模拟基本原理的基础上,讨论利用软件接口,通过扩展编程实现模拟成像的必要性。然后,详细介绍成像模拟、增加噪声和伪星、存储和输出星图等步骤的实现方法,以及扩展编程方法的具体运用。最后给出星图模拟系统的设计结果,并针对给定的光学系统,给出实例,验证模拟方法。结果表明模拟方法正确,操作简便,程序设计工作量少,星图模拟系统人机交互性强,功能多样,提供的数据丰富多样,对于促进星敏感器技术研究具有重要意义。     

传感器电路的噪声及其抗干扰技术研究

尽量消除或抑制电子电路的干扰是电路设计和应用始终需要解决的问题。传感器电路通常用来测量微弱的信号,具有很高的灵敏度,如果不能解决好各类干扰的影响,将给电路及其测量带来较大误差,甚至会因干扰信号淹没正常测量信号而使电路不能正常工作。在此,研究了传感器电路设计时的内部噪声和外部干扰,并得出采取合理有效的抗干扰措施,能确保电路正常工作,提高电路的可靠性、稳定性和准确性。     

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。     

CCD成像传感器的降噪技术

系统地介绍了CCD成像传感器降噪技术的研究进展.重点介绍和分析了CCD复位噪声降噪技术和非均匀性校正技术的研究进展.特别介绍了用于克服CCD复位噪声的数字域加权双斜积分技术、基于场景的非均匀性校正技术以及多CCD成像系统的非均匀性校正技术.最后展望并讨论了CCD成像传感器降噪技术的发展趋势.     

ICP型噪声传感器调理电路设计

为满足航天高声压160dB噪声测量的需求,使用ICP型噪声传感器进行测量,针对ICP型噪声传感器工作条件及其输出信号,设计一种调理电路。利用LM134同时实现ICP型噪声传感器恒流和高压激励的工作条件,通过轨到轨运放AD824完成对ICP型噪声传感器输出信号的放大、滤波、跟随等以达到采集系统需要的0~5 V电压信号。在130 dB^160 dB噪声下,ICP型噪声传感器与调理电路配合标定相对误差<1%,该调理电路可以与ICP型噪声传感器很好地配合使用。     

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.     

小型CMOS图像传感器星点成像性能分析

精细导星仪(FGS)是空间天文望远镜精密稳像系统高精度姿态信息的快速检测装置,CMOS图像传感器的成像效果直接影响精细导星仪姿态信息的解算精度.而实际工作时,CMOS成像器件存在最佳的读出范围,超出此范围的入射光强与光生电子数的线性度低,无法获取有效星点来满足后级的质心坐标解算.为解决这一问题,提出一种估算不同星等最佳积分时间的方法,并将积分时间作为探测器参数选择与调整的主要依据.测量结果表明,像元暗电流的读出码值和探测器面阵RMS噪声值均随积分时间的增加而增加.依据星点光斑分布模型给出常用星等的最佳积分时间范围,结合星点的分布情况,得出7等星在视场范围内的星数约为7颗,论证了小型CMOS器件对星斑的探测能力.