弱光单星模拟器的设计与标定

针对实验室高星等目标模拟问题,设计了一种由光源、可调光阑、积分球、光电探测器和平行光管组成的弱光单星模拟器,用于检测探测相机、星敏感器的星等探测能力。推导了光电探测器读数、积分球出口光谱辐亮度随可调光阑遮拦比的变化关系,结合星等定义公式和像面照度公式,介绍了弱光单星模拟器的工作原理,解决了高星等目标的标定难题。理论分析了弱光单星模拟器的星等模拟范围及精度,结果表明其最高可模拟19.5 Mv星等,精度为11.6%;模拟低于15 Mv星等时,精度优于8%。实验结果表明:实验室内,模拟星等与KLL-04型弱光照度计实测星等的相对误差最大为7.09%;实验室的探测相机与天文观测的探测相机所测得的星等探测能力在6.5Mv处的相对误差为1.9%,在15.2Mv处的相对误差为2.6%。所设计弱光单星模拟器能够对高星等目标进行有效模拟。     

基于LED的多色温多星等单星模拟器

针对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影响,设计了一种基于LED的多色温多星等单星模拟器,采用该系统模拟特定色温的星光用于星敏感器光信号定标,大幅降低了色温非匹配带来的定标误差。从理论上分析了色温非匹配影响星敏感器光信号的定标精度的机理;根据设计指标确定了星模拟器的设计方案,主要解决了光源的选型、多色温多星等单星模拟器驱动和控制系统、色温星等匹配算法、多色温多星等单星模拟器软件设计四项关键技术问题;对多色温多星等单星模拟器进行了标定和性能测试:0等星4000K和3等星7000 K星光的光谱匹配误差分别为4.87%和7.83%,星等等级分别为0.03和2.93;光源稳定后,多色温多星等单星模拟器的平行光管出口Φ100 mm口径内的照度非均匀度为6.5%,均满足设计指标。     

弱光紫外星模拟器的研制

为了解决月基紫外深空观测相机地面定标的难题,研制了一种动态范围大、星等模拟精度高的紫外星模拟器。该模拟器采用5 m离轴光管作为准直光学系统,用双积分球系统作为均匀光源,可模拟3～16等星的弱目标,其星等最小分辨率为0.2等星,星等不确定度为5.48%。通过试验证明,该星模拟器完全满足月基紫外弱光星等深空观测相机地面定标的试验要求,不仅可以在实验室内标定紫外观测相机的探测能力和灵敏度,还可用于测试观测相机的其它参数指标,为发展深空高轨探测相机提供了地面定标基础。     

弱光紫外星模拟器的研制

为了解决月基紫外深空观测相机地面定标的难题,研制了一种动态范围大、星等模拟精度高的紫外星模拟器。该模拟器采用5 m离轴光管作为准直光学系统,用双积分球系统作为均匀光源,可模拟3～16等星的弱目标,其星等最小分辨率为0.2等星,星等不确定度为5.48%。通过试验证明,该星模拟器完全满足月基紫外弱光星等深空观测相机地面定标的试验要求,不仅可以在实验室内标定紫外观测相机的探测能力和灵敏度,还可用于测试观测相机的其它参数指标,为发展深空高轨探测相机提供了地面定标基础。     

基于单星模拟器星等控制光源的研究

为了适应航天技术的发展和更高的技术要求,设计了一种带闭环控制的单星模拟器。介绍了单星模拟器的工作原理、单星模拟器的光能分析、单星模拟器光源及相关组件的选取、闭环控制系统的设计及星模拟器星等的实现。所设计的星模拟器能够实现对-2~+6星等的模拟,稳定性误差不超过相应星等照度的±10%。检测结果表明,该单星模拟器稳定可靠,调节灵活,能满足单星模拟器设计要求。     

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。     

多色温多星等输出的单星模拟器光机系统设计

阐述了基于CCD技术的星敏感器的工作原理,及其在航天定位中起到的作用,从而引出星敏感器的地面标定技术,这就需要用到恒星模拟器对星敏感器进行标定。针对恒星光源的两个基本参数,分别提出了恒星色温模拟方法和星等模拟方法,研究了星模拟器系统的具体实现,主要设计了电光源、波段光强控制器、星等控制器等。在实验室实现了整个系统的组装,搭建了控制和测试平台,并得出了实验结果。实验结果表明,本系统具有较高的可靠性,在峰值光谱范围为350 nm~950 nm的情况下,可模拟星等范围0~+6.5MI,可模拟星体等效黑体温度为:2 600 K、3 600 K、4 300 K、5 000 K、5 500 K、6 000 K、6 800 K、7 600 K、9 800 K,相对强度误差优于0.10。     

自动标定型光谱可调星模拟器光源系统

为了得到宽光谱波段范围内光谱可调多色温多星等能量分布的星模拟器光源,并且达到星模拟器光源的自动标定,本文从辐度学和色度学出发,基于最小二乘法,在400nm~900nm光谱范围内,采用双积分球法,以白光LED光源为基底光源,多种不同峰值波长的窄带LED光源对目标光谱进行补偿以实现色温3 900K~6 500K连续可调,星等-1 MV~+6 MV,1 MV可调的自动标定型多光谱星模拟器光源系统.最后,在实验室完成了光源系统以及与相应的光学系统形成星模拟器并对其进行装配调试,所测得的光谱分布和星等值与理论模拟结果以及标准目视星等值进行了对比.星模拟器输出光谱点模拟误差和星等误差分别在±10%和±10%范围内,满足现阶段星模拟器的使用要求.同时在后期控制电路稳定的情况下,星等误差可保证在±5%范围内.     

具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器设计

为解决现有星模拟器只关注星图模拟精度而忽略天空背景模拟的问题,设计了具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器.重点阐述星模拟器的组成和工作原理,详细论述光学系统优化设计方法.根据模拟器光学系统透镜大、精度高的特点,采用筒套筒的镜筒设计形式;为了保证星图模拟精度,采用激光直写技术制作星点板,刻划精度优于±1μm.测试结果表明:设计的具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器的星图模拟精度优于3″,天空背景均匀性优于95％,满足导航敏感器的高精度地面标定与功能测试需求.     

具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器设计（英文）

为解决现有星模拟器只关注星图模拟精度而忽略天空背景模拟的问题,设计了具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器.重点阐述星模拟器的组成和工作原理,详细论述光学系统优化设计方法.根据模拟器光学系统透镜大、精度高的特点,采用筒套筒的镜筒设计形式;为了保证星图模拟精度,采用激光直写技术制作星点板,刻划精度优于±1μm.测试结果表明:设计的具有均匀天空背景的高精度静态星模拟器的星图模拟精度优于3″,天空背景均匀性优于95%,满足导航敏感器的高精度地面标定与功能测试需求.     

基于PT4115驱动的高精度数字LED星等模拟器

依据地面设备标定的需要，介绍了一种高精度、有限空间、全光谱的星等模拟器实现方法。该星等模拟器的光学系统结构采用紧凑结构空间设计，其控制采用脉宽调制（PWM）技术，应用白光XLamp LED作为光源，并以PT4115作驱动，实现了对LED光照强度在640 lx~1.0 lx范围内数字化任意调整。所设计的星等模拟器与传统模拟调节的星等模拟器相比，该星等模拟器具有体积小、热量低、稳定性高等特点。通过在暗室环境中进行应用验证，分析和测试结果表明:该星等模拟器可实现0m~7m等星控制，光谱范围覆盖整个可见光，星等的控制精度高达0.1m。     

星等及光谱可调的标定用单星模拟器系统设计

为了实现多色温、多星等并且色温和星等都在系统中实时可调节的功能,提出设计一款新型的星等及光谱可调节的单星模拟器系统。系统采用氙灯及卤钨灯作为光源,将光源分为多束窄带光谱,并且对每一束窄带光谱的光强和光谱进行调节实现对黑体光谱范围及色温的模拟。当具有不同光谱特性和色温的光源进入星等调节器时,采用与波段光强控制器不相互干扰的调节方式,只对光源的光度即整个光源的能量进行衰减控制达到星等调节。在实验室实现了整个系统的组装,搭建了控制和测试平台,并给出标准星等光度与各个色温情况下实测星等光度对照结果。     

高精度星模拟器目标标准源设计

为满足高精度光学导航敏感器地面标定要求,针对传统标定用目标标准源技术特点,给出了一种基于有机电致发光器件(OLED)光源与光纤光导技术相结合的高精度目标标准源设计方法。分析设计方案并给出了目标标准源的整体结构;同时为提高OLED与光纤耦合效率,详细设计了标准目标源的光纤光源耦合机构以及光纤入/出射板的结构;为满足5～10等星的精确控制,对光耦合机构的自聚焦透镜和星等输出模拟系统中的滤光片进行了详细设计,并对自聚焦透镜进行了参数优化。对目标标准源的主要参数星等和星点间距精度进行的理论分析和实际测试表明所设计目标标准源达到了高精度星敏感器标定需要。     

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。     

Constructing feature points for calibrating a structured light vision sensor by viewing a plane from unknown orientations

To calibrate a structured light vision sensor, it is necessary to obtain at least four non-collinear feature points that fall on the light stripe plane. We propose a novel method to construct non-collinear feature points used for calibrating a structured light vision sensor with a planar calibration object. After the planar calibration object is moved freely in the range of measuring of the structured light vision sensor at least twice, all the local world coordinates of the feature points falling on the light stripe plane can be readily obtained in site. The global world coordinates of the non-collinear feature points in the local world coordinate frame can be computed through the three-dimensional (3D) camera coordinate frame. A planar calibration object is designed according to the proposed approach to provide accurate feature points. The experiments conducted on a real structured light vision sensor that consists of a camera and a single-light-stripe-plane laser projector reveal that the proposed approach has high accuracy and is practical in the vision inspection applications. The proposed approach greatly reduces the cost of the calibration equipment and simplifies the calibrating procedure. It advances structured light vision inspection one step from laboratory environments to real world use.     

用于标定CCD相机的高精度数控LED点光源

介绍了一种以发光二极管（LED）点光源作为相机标定光源的方法。根据LED点光源的特性,用恒流源给LED点光源提供所需的电流,用光照度计测量LED光源的光强度。由ARM单片下位机控制恒流源;通过串行通讯与上位机交换数据;由计算机作为上位机来管理数控恒流源和光照度计;根据所测光度值来调节电流,直到光度达到预想值。实验分析显示：LED点光源作为标定光源可以达到CCD标定的要求,精度也较高,能够很好地自适应控制LED的光照强度,达到了预期的效果,且系统使用方便灵活,性能稳定可靠。