一种星敏感器光机系统结构设计与杂光分析

星敏感器是航天器实现高精度测量的重要组成部分,其姿态测量精度和指向精度都可以精确到角秒级.星敏感器的灵敏度很高,外界因素容易影响星敏感器测量的精度,杂光对星敏感器高精度测量的影响程度最大.根据应用指标,进行了一种改进型卡塞格林光学系统的结构设计,并通过模拟仿真,对系统的消杂光结构进一步实现了优化设计.利用增加主遮光罩叶片外倾角度、设计消光螺纹、加遮光筒长度、加大遮光筒直径等方式,完善星敏感器光学级系统自身的消杂光能力.最后进行整个光机系统的杂散光仿真分析,验证优化设计后的星敏感器光机系统符合应用要求.     

基于PST的杂散光测试系统研究

杂散光的研究是保障光学系统高质量成像的关键因素之一。为了保证测试可靠性,首先提出光束性能测试的方法,满足测试所需要求。建立一个大口径的杂散光测试实验装置,对可见光、红外光波段进行测试及分析。然后利用光电倍增管对微弱信号进行提取,提高PST测试范围的数量级,并对探测器响应曲线进行分析。最后测试过程中,在不同离轴角度下,通过测试系统的实际测量值和标准相机得到的标准值进行对比,系统地论述测试系统存在误差的因素。改进后系统的PST测试曲线整体成下降趋势,PST在离轴角度为±3°时可达到10~(-3)~10~(-4),表明系统对杂散光的抑制能力完全满足成像质量要求。     

高精度星敏感器结构设计与标定

星敏感器是一种高精度的姿态敏感测量仪器。研究了星敏感器的结构设计和精度标定方法,通过大视场、大相对孔径的轻小型光学系统的设计,减小光学系统的测量误差;介绍了星敏感器的遮光罩和焦平面组件的设计方法,给出了星敏感器的精度标定方法,利用该方法来最大限度地减小系统误差。使用莱卡经纬仪进行标定实验,证明星敏感器精度满足单星精度小于等于3″的设计指标。     

光学合成孔径成像系统的杂散光分析与抑制

为了提高光学合成孔径成像系统的成像质量,减小杂散光对成像系统的影响,文中结合杂散光辐照度计算结果和相机参数对光学合成孔径系统进行了杂散光分析。在杂散光分析软件TracePro中建立了系统的光机模型,对系统进行杂散光追迹,分析了杂散辐射主要来源。仿真分析结果表明:设计的遮光罩,采用设置光阑、消杂光螺纹和发黑、涂消光漆等杂散光抑制措施,在光学系统太阳光与光学系统光轴夹角大于1°时,点源透过率均≤10~(-4),达到了杂散光抑制的要求,验证了文中杂散光抑制方法的有效性。     

改进型卡塞格林光学系统的设计

普通的卡塞格林光学系统,其主次镜分别由抛物面和双曲面组合而成,非球面镜的加工难度大、成本高,针对这些特点对卡塞格林光学系统进行了改进。改进型的卡塞格林光学系统与传统的卡塞格林光学系统对比具有加工难度小、成本低等特点,通过在系统最前面附加前校正组,使得主次镜可以由球面面型实现,通过在像面前设置后校正组使视场也得到了提高,与传统的卡塞格林光学系统20＇相比,它的视场可以拓宽到1.3°。系统设计结果通过传递函数与点列图的分析与衍射极限非常接近,为中等口径卡塞格林光学系统的设计提供了一个新的思考方法。     

高精度静态星模拟器光学系统设计

为了实现对高精度星敏感器的地面测试,设计了一种高精度的静态星模拟器,要求星模拟器星间角距精度优于20″。采用激光直写技术刻划星点分划板,刻划精度优于1μm。结合系统的技术指标,通过ZEMAX软件设计了具有良好成像质量的准直光学系统。设计的准直光学系统有效通光口径为80mm,系统焦距为500mm,光谱范围为480~900nm,全视场9.2°内畸变小于0.02%,MTF接近衍射极限。提出用经纬仪对系统进行实际检测的方法,以及理论星间角距和实际星间角距的计算公式。     

基于卡塞格林原理的火焰自由基测量系统

为了拓展火焰自由基荧光强度的测试方法,基于卡塞格林光学原理设计火焰非接触式定点测量系统,该系统可以实现对火焰自由基荧光强度的三维局部定点测量,具有定点聚焦及动态信号采集的功能.利用逆光路原理对自行设计的卡塞格林光线定点采集装置的聚焦功能进行验证,实验结果表明,该装置可以采集直径为0.382mm,长为1.628mm区域内的光线,具有三维高空间分辨率.基于甲烷部分预混火焰的OH基、CH基的光强随半径方向的分布数据分析,证明卡塞格林光线定点采集装置在火焰自由基荧光强度中定点测量的有效性与高空间分辨率特性.     

中波红外发射系统光机结构设计与主镜的分析和检测

激光准直扩束系统被广泛应用在光通信、光测量等领域,可实现对出射激光准直和扩束,减小激光发散角,增强远场激光辐射强度。根据设计要求和光学系统特点,设计了口径为290mm的卡塞格林式中波红外发射系统,设计了主、次镜装调结构,并完成主镜支撑结构、次镜支撑结构、透射目镜支撑结构及其他部分的结构设计。用ANSYS Workbench对主镜支撑结构进行分析。主镜面形精度采用ZYGO干涉仪进行波像差检测,得到RMS为0.047λ(λ=4.7μm)。结果表明,设计的中波红外发射系统满足准直扩束系统对像质的要求,可实现出射激光的准直和扩束,且结构简单,易于加工装调,具有较高实际应用价值。     

卡塞格伦天线的快速设计

卡塞格伦天线的主抛物镜面的设计与前馈抛物镜面的设计中,除“焦径比”的选择有所不同外,基本上差别不大。但是,比起常规抛物面天线照射器的设计来说,卡塞格伦天线的“照射器—双曲面辅镜系统”的设计要复杂得多,因为它将涉及到照射器的尺寸,双曲面辅镜的口径、焦距、离心率等一系列参数。本文提出又一种快速设计“照射器—双曲面辅镜系统”的方法,设计原则是该系统对主口面的遮盖为最小和对主口面的照射为最佳。笔者曾用这种方法设计了一付微波中继接力通讯天线,实测结果表明是满足予定指标的。     

国内首次东三B平台真空状态下电推进星敏感器干扰试验顺利完成

<正>我国首次东三B平台真空状态下电推进羽流对星敏感器干扰试验圆满完成。此次试验主要测试电推进羽流对星敏感器探测恒星在杂光和高速粒子等方面的干扰影响,并定量分析电推进羽流对星敏感器姿态确定的影响。该试验分别对3种不同工况下电推进羽流对星敏感器的影响进行了测试,获得了第一手的试验数据,为电推进和星敏感器在整星的     

标定型星模拟器设计与关键参数测试

为了完成高精度星敏感器关键参数的地面标定,研制单星指向误差优于3″、星间角距误差优于5″的标定型星模拟器。根据标定型星模拟器的工作原理,设计高精度的准直光学系统,从设计结果分析,光学系统有效视场为37°,全视场角内准直光学系统相对畸变≤0.1%,MTF达到衍射极限,可以实现对星点位置的准确模拟。提出单星指向、星间角距等关键参数的误差计算方法并进行测试,实验结果表明:设计的标定型星模拟器的成像精度符合设计指标要求,整个设备可以满足高精度星敏感器地面测试的使用需要。     

基于TFT-LCD的动态星模拟器光学系统设计

设计了一种视场28°、相对孔径/=1.7和焦距=60.636mm的动态星模拟器光学系统。通过分析像质,MTF数在空间频率为50lp/mm时达到了0.4,最大畸变为0.175%,此动态星模拟器的光学系统完全满足设计要求。     

静态星模拟器设计与精度分析

为了实现对星敏感器进行的地面标定和精度测试,研制高精度静态星模拟器,要求模拟器的星间角距精度优于10″。利用激光直写技术制作星点分划板,将其作为核心显示器件来模拟星图,设计准直光学系统实现无穷远距离和角度模拟,并通过优化像差保证模拟星点的成像质量。同时,提出星点位置修正方法以改善由于焦距测不准和光学系统相差带来的星图模拟误差。实验结果表明:经过修正的星图,单星位置模拟精度优于10″,可以作为地面标定与测试装置,供星敏感器进行观测。     

光学测绘卫星星地相机夹角在轨实时定标方法

由于光学测绘卫星无地面控制点定位精度受星地相机夹角在轨变化的直接影响,因此针对现有星地相机姿态稳定度不高、星地相机夹角定标时间周期长的实际应用问题,提出了一种基于光学自准直原理的星地相机夹角星上实时定标方法。首先在相机载荷系统内部加装准直光源、光斑成像面阵等器件;然后通过光斑影像位置的变化求解出单个相机的主光轴变化;最后求解星地相机间夹角的变化。仿真实验表明,俯仰和横滚方向可获得0.1角秒量级的星地相机夹角定标精度。该方法无须地面定标场,不受外界因素影响,可以实现星地相机夹角的星上实时自主定标,具有良好的可行性和实用价值。     

多矢量信息下的星敏感器三轴旋转角求解方法

为了提高星敏感器的实时性能与解算精度,基于多矢量信息,提出四元数表示形式下的星敏感器三轴旋转角求解方法,从理论上对所提方法进行详细推导. 基于单个星光矢量在天球系与星敏系中的三维坐标,将方向余弦阵变换形式转变成四元数变换形式. 降次二次四元数变换形式,以便后续求解. 考虑不同星光矢量的权重,联立所有星光矢量的信息求解星敏感器三轴旋转角,给出解决三轴旋转角求解过程中的迭代不确定性和四元数矢量方向奇异性的具体方案. 将所提方法与传统方法的性能进行对比分析. 仿真结果表明,相比传统方法,所提方法具有更快的解算速度和更高的三轴旋转角求解精度.     

基于STM32的静态多星模拟器数字光源控制系统设计

多星模拟器可以在实验室中模拟无限远星空多颗星点,该设备可以对星上主要部件星敏感器的功能、指标进行测试及标定。文中介绍了一种基于单片机控制的静态多星模拟器数字光源系统。系统主要由以STM32为控制核心的数控可调恒流源组成,通过D/A变换实现输出电流可调,采用运算放大器和达林顿管进行扩流和恒流,实现静态星模拟器星点亮度的调节。为了模拟星敏感器在高低温条件下的工作情况,需要星模配合进行高低温测试,本文给出了温度闭环控制系统方案,保证了星模拟器工作温度的要求。     

经卡式光学天线发射的高斯光束衍射特性的研究

激光通信发射系统一般都是采用卡塞格林式望远镜作为发射天线,由于激光通信采用的光源波形为高斯光束,卡式光学系统的主次镜光学结构为环形结构,以往对均匀波经圆孔光阑后的衍射特性并不适用于激光通信。对基尔霍夫衍射公式进行了简化,利用数值计算的方法,利用仿真软件得到了高斯光束通过卡式光学天线之后的远场衍射分布特性,并与近场菲涅尔衍射分布特性进行分析比对,给出了卡式光学结构的最佳遮拦比为0.2,理论上可以达到1.5倍的近衍射极限发射束散角,在工程计算中有一定的应用价值。