人造导星技术及导星用激光系统

论述了自适应光学系统对人造导星的需要;简单介绍了两类激光导星;重点描述了销激光导星的产生机理及可用于销激光导星的一些激光系统.     

两种激光导星方案的区别与共性

1　引言　　如在大气中形成激光导星 ,则可能在地面望远镜中应用自适应校正以提高图像质量。但由于无法直接从导星的抖动获得所需信息 ,很难用激光导星信号校正波前的总斜度。 R.Ragazzoni系统地研究了多种方法来解决利用人造导星信号自适应光学系统中波前总斜度测量的问题。已发表一些解决该问题的方法 ,但都增加了系统技术实现的复杂性 ,如 :同时测量明亮自然星和导星的总角度抖动 ,使用双色激光导星 ,使用辅助望远镜和激光源。在后两种情况中 ,激光导星不能视作点光源。使用辅助望远镜或激光源的光学方案很简单。 R.Ragazzoni描述了该…     

能动光学,自适应光学和激光导星

天文光学观测对于人们了解宇宙至关重要，但地基望远镜的能力受到望远镜误差和光通过大气时各种效应的严重限制，制在已能建造内装矫正器件，使得在进行观测时可补偿上述两类效应造成的成象质量恶化，为充分发挥刚刚问世的８级望远镜的潜力，这种为能动光学或自适应光学的能动矫正能力极其重要，自适应光学领域中某些物理限制可以通过人工建造参考星－激光导星而克服，这些新技术最近已成功地应用到中型和特大型望远镜上。     

星载自适应光学系统的双导星信标理论研究

星载相机的波前畸变主要来源于两个部分:由于温度场、重力场变化引起的相机光学系统自畸变;由于大气湍流引起的波前误差。为获得高分辨率的图像,需要校正波前误差。提出一种对星载光学系统波前畸变进行有效探测的技术。星载激光器分时产生钠导星和瑞利导星,前者用于校正自畸变,后者用于校正大气湍流造成的波面像差。针对该方法对激光能量的要求,建立了双导星信标系统的数值模型,并进行仿真。结果表明,该方法对激光器的要求,在目前是可以实现的。该方法可以用于空间相机光学系统的波面畸变探测,从而为星载自适应光学的进一步研究提供依据。     

瑞利导星发射系统设计

在天文观测中,瑞利激光导星自适应光学系统可以补偿大气湍流对成像的影响,并且提高天空覆盖率。能够发射一颗合格的瑞利导星成为该技术的前提。为了实现瑞利激光导星在天文观测中的应用,设计了一套瑞利导星发射系统。首先,根据瑞利激光导星自适应系统的基本要求,介绍了激光器的脉冲能量与重复频率的影响;接着,根据湍流理论分析了发射系统的最佳发射口径与大气湍流对导星的光斑大小的影响;然后,根据发射要求利用Zemax软件设计出一套瑞利导星发射系统。该系统最佳的发射口径为260 mm,采样层为10～11km,导星最佳聚焦高度为9.8 km,理想的导星光斑半径为0.45,存在大气湍流情况下导星光斑半径小于1;最后利用Zemax软件对该系统进行公差分析,分析结果表明该系统相对较容易地实现加工与装调。该发射系统满足激光导星自适应系统的要求,实用性高,设计方法普适。     

自适应成像中的Na激光导星技术

大气湍流严重限制地基天文望远镜的分辩率。在最好的观测台址和良好的能见度条件下，可见光波段的分辩率一般不超过1弧秒。过去的20年中发展了采用电变形镜的自适应光学系统，用以补偿湍流效应。可惜这类系统要求被观测天体附近有明高的参考源，且只能用于观测最亮的星。通过用激光激发中圈钠层的共振反向散射，可在高层大气建立控制自适应成像系统的人造导星。本文对激光导星自适应望远镜之设计要求及预期成像行为作了评论。     

自动导星星点检测及跟踪算法研究

详细介绍了自动导星的工作原理,对自动导星的星点检测及跟踪算法进行研究,结合星点能量在星图上分布近似高斯分布的特性,提出一种稳定可靠的目标星点提取算法。算法首先分析了星点目标的阈值判断原则,根据阈值条件确定一定数量的候选星点,然后在候选星点中筛选出最优的目标星点,最后通过高斯曲线拟合的办法求取最优目标星点的质心坐标。该方法提高了目标星点提取的准确性和计算速度,实验结果表明:改进后的算法能够达到良好的效果。     

基于变异系数优选算法的精细导星星库构建

精细导星星库是支撑未来大口径空间望远镜观测的必要组成部分,是用来确定空间望远镜视轴绝对指向的关键依据.导星星库的容量和星库的均匀性对于实现精细导星功能和性能指标都极为重要.为了有效提高星图识别性能,提出基于变异系数的优选筛星算法进行导星筛选并构建星库.经过仿真和均匀性评价准则验证,基于变异系数优选算法构建的精细导星星库分布均匀性好,能降低冗余度,有效提高识别概率.     

钠激光导星的饱和效应分析

针对自适应光学系统波面探测的应用需求,从平衡态和非平衡态的角度讨论了钠激光导星的回光强度。利用热平衡态下的状态方程,分析了平衡态时因入射信标激光增强所导致的钠激光导星饱和效应问题。结果表明,原子分数随辐射功率谱密度的增强而增大,其变化速率的下降是钠激光导星回光效率降低的根本原因。分析了信标激光器线宽、探测装置子孔径大小、积分时间对共振荧光回光探测的影响,模拟计算并得到了特定条件下能够满足自适应光学系统波面探测的信标激光器功率指标要求。     

夏威夷上空的虚拟导星

凯克天文台与劳伦斯·里弗莫尔国家实验室合作，已制造出一颗“虚拟”导星，它将大大增加凯克Ⅱ号望远镜使用自适应光学件分辨天文物体细节的能力。凯克自适应光学系统于1999年安装，它可使天文学家将地球大气的模糊效应减至最小，获得前所未有的图像细节和分辨率。此种自适应光学系统采用较亮星体发出的光测量大气畸变，并对之进行修正。但在整个天空，只有1%的星球有足够亮的光供此用途。新的虚拟导星将使凯克的天文学家以自适应光学件的高分辨率研究几乎整个天空。虚拟导星在2001年12月23日发出的“第一次光”是用20W染料激光照射地球上…     

基于星敏感器的天文/惯导组合导航仿真研究

本文通过仿真实验,研究了基于星敏感器的天文／惯导组合导航系统的导航性能和特点。首先分析了天文导航的基本原理,并给出了天文／惯导组合导航算法的理论模型。在此基础上,建立了天文导航和捷联惯性导航的仿真模型,实现了天文／惯导组合导航系统仿真。仿真结果表明：基于星敏感器的天文／惯导组合导航能够有效抑制惯导的长时漂移累积误差,有利于实现机载远程长航时的高精度导航。     

基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量仪设计

对基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量系统进行了研究,系统利用脉冲激光在测量区域大气层内不同高度形成信标星,以此测量地面至信标星之间的大气湍流信息。本文在分析瑞利激光导星湍流廓线测试的原理和系统组成基础上,对系统关键参数进行了优化选取,并设计了激光发射系统和差分像移接收系统,最后对系统性能进行评估。结果表明:系统可对地面高度0.2~10 km范围内的大气进行湍流廓线测量,该技术在地基天文观测、星地激光通信、地基激光武器领域具有重要的应用价值。     

借助导频单音法实现对航天器的高准确度非相干多普勒跟踪

航天事业的发展要求我们设计与研制低成本、高性能、高可靠性的航天器。相对相干多普勒跟踪系统而言，非相干多普勒跟踪系统采用的非相参应答机结构简单易于实现，但其星载振荡器的频率漂移严重限制了测速准确度。因此许多专家学者一直在寻求用非相干多普勒系统实现高准确度多普勒跟踪的方法。经过艰苦地探索，已经研究出实现这一目标的方法。导频单音法就是其中一种，它能消除星载振荡器频率漂移的有害影响，并能达到相干多普勒跟踪系统的测速准确度。本文主要介绍导频单音法的工作原理。     

不同导星数量和排布情况下地表层自适应光学系统的性能分析

基于频谱滤波理论和经典大气湍流 7 层模型, 通过地表层自适应光学 (GLAO) 系统的理论滤波器模型, 结合 有限导星条件下的误差传递函数 (ETF), 探究了不同导星数量与不同导星排布情况下地表层自适应光学系统的性能。 研究结果表明 6 颗导星呈中心 1 颗、其余 5 颗在视场边缘均匀环形分布时, 系统校正性能较优。该研究结果对正在研 制的一米新真空太阳望远镜多层共轭自适应光学 (MCAO) 系统 (含有 GLAO 系统) 具有重要指导作用和参考价值。     

天基导弹的动基座快速精确传递对准方法

提出了一种适用于新概念太空武器一天基导弹的初始对准方案.基于天基导弹距目标距离远、速度快、需要从空间机动平台快速发射的特点,研究了一种适于天基导弹的动基座快速精确对准方案.利用空间机动平台提供的姿态角信息首先快速完成粗对准,然后在天基导弹发射后,利用弹载星敏感器引入的精确位置和姿态角观测信息,提出了一种新的位置+姿态角匹配的对准方法,以实现对天基导弹的精对准.详细推导并建立了天基导弹动基座对准系统量测方程.最后,通过仿真验证了该方案的可行性,在10 s时间内,对准精度可达到一个角分以内.     

基于阵列激光导星的自适应光学波前探测数值仿真

为克服当前波前探测技术存在的固有问题,提出了一种基于阵列激光导星（Laser Guide Star,LGS）的自适应光学系统。该系统可以有效消除聚焦非等晕效应的影响从而提高系统的波前探测精度,由此大幅度增大激光导星自适应光学系统的大气湍流探测范围,从而降低自适应光学系统对导星亮度的要求。阐释了该系统的闭环工作过程,并依据其工作过程建立仿真模型,数值仿真了该系统基于阵列激光导星的波前探测过程。最后对重构波前精度进行评估,分析了仿真存在的误差。数值仿真结果显示:该系统的波前重构精度较好,校正残差为11%,初步验证了利用阵列激光导星进行波前探测的可行性。     

层叠式SOM神经网络星图识别算法及FPGA验证

为了对空间天文望远镜精细导星仪获得的星图完成识别,提出一种层叠式自组织映射(SOM)神经网络算法模型,将该模型在硬件中实现星特征矢量匹配算法。首先,针对精细导星仪的特点详细介绍了导航星库的建立、星特征矢量的构建和筛选方法;其次,建立层叠式SOM神经网络模型,对其权值进行在线训练;最后,设计算法离线运行硬件电路并将其在FPGA中实现。仿真与测试结果表明,基于层叠式自组织神经网络的星图识别算法识别率高、抗噪声能力强、识别速度快。星点位置噪声为0.648?,星等噪声为0.18视星等条件下星图识别成功率在80%以上,新算法在FPGA中运行速度是PC机上传统三角形法的100倍。对精细导星仪星图识别算法的优化设计提供了合理可行的参考依据。     

航空飞行器天文自主导航定位技术

针对传统惯性/天文多星组合导航的不足和导航星选取不确定性,设计了一种基于捷联惯性/天文单星深度组合的长航时自主导航系统,通过对惯性导航和二维转台单星观测的误差特性进行建模,综合两者的优点,实现了单星观测角度和惯导解算数据的高精度融合;在高度通道方向,引入气压高度计对高度误差进行阻尼,通过卡尔曼滤波器对惯导误差进行最优估计,运用可观测性理论对系统进行分析,得到了最优导航星选取准则,有效地解决了在部分观测角度下算法性能下降的问题。仿真结果表明:该算法长时间导航定位精度优于传统算法,最优导航星选取准则有效地提高了算法的鲁棒性,具有较高的理论研究意义和工程应用价值。