折/衍混合大相对孔径星敏感器光学系统设计

将衍射光学元件用于星敏感器光学系统,设计了一种全新的大相对孔径、甚高精度星敏感器光学系统.系统焦距为90mm,相对孔径为1/1.2,视场角为2ω=7°,光谱范围为0.45～0.85 μm.系统结构简单,满足了星敏感器系统对弥散斑直径、能量集中度、畸变、垂轴色差等像差的特殊要求.此外,对系统进行了环境温度分析,结果表明:...     

大视场全天时星敏感器光学系统设计

全天时星敏感器作为星敏感器的一个发展分支,在飞机、热气球等近空间载体定姿定位方面有较好的应用前景,是GPS拒止条件下的可用导航手段。大视场全天时星敏感器相较于小视场全天时星敏感器在高精度轻小型化定姿定位方面具有较大的优势,针对近空间高度大视场全天时测星对光学系统的需求,对光学系统工作波长的选取进行了分析,利用消色差和消热差设计,实现了一种能够适应高低温环境的大视场、大相对孔径的透射式光学系统,并对像质进行了分析评价。系统工作波长为0.9～1.7μm, F/#为1.4,焦距为70 mm,视场为18°,结构总长为105 mm。试验结果表明,该光学系统具有良好的像质,能够满足大视场星敏感器白天测星要求。     

大视场宽谱段星敏感器光学系统设计

星敏感器是一种姿态测量系统,用于测量飞行器的实时姿态。该系统是一种基于CCD 探测器的适用于星敏感器的光学系统。通过相关参数的计算,利用ZEMAX 平台实现了具有良好成像质量的光学系统结构设计。该系统焦距为50 mm,F 数为1.8,具有较大的视场角:2=23,光谱范围较宽:500~850 nm,中心波长为680 nm。捕获三颗导航星的概率达100%。满足星敏感器对弥散斑、能量集中度和畸变等特殊要求。倍率色差得到了很好的校正,仅为0.087 m。系统仅使用6 片球面透镜,结构简单紧凑,易于加工制造。     

大视场高精度静态星模拟器的光学系统设计

针对星敏感器系统的地面测试要求,设计一种大视场高精度静态星模拟器。根据静态星模拟器的工作原理,确定模拟器具有出瞳外置的准直光学系统。结合技术指标,在Zemax平台上优化设计了具有良好成像质量的光学系统,设计结果为:系统焦距99.988 mm,视场达到Φ39°,畸变小于0.1%,实现高精度静态星模拟器精确模拟星点。提出了依照光学系统像差确定星点板上各星点刻划位置的方法,避免多次刻划星点板的过程。对设计的系统进行测试,从测试结果看:设计的大视场星模拟器的成像精度达到15″,可以满足对星敏感器地面标定的使用需要。     

折反射式大入瞳星敏感器光学系统设计

为了提高可探测极限星等能力,观测到更多较暗较远恒星作为深空探测飞船导航定姿的参考星,设计了采用改进的卡塞格林结构与三片球面补偿镜组相结合的折反式星敏感器光学系统。其中,改进的卡塞格林结构有利于轴外消球差及彗差,同时生成系统焦距及大尺寸入瞳;靠近像面的补偿镜组校正反射结构的残余像差,同时补偿镜组像方远心的设计保证了系统全视场照度的均匀性,也降低了系统离焦对像面安装的敏感性。本系统焦距180mm,像方F数2,全视场2ω为3°×3°,有效入瞳面积5106mm2,在450~800nm的宽光谱范围内质心偏差优于2.5μm、垂轴色差小于3.5μm,80%弥散斑能量集中在3×3pixel内,传递函数接近衍射极限。采用主次反射镜遮光罩及两级外镜筒遮光设计,并在Lighttools软件中对光机系统杂散光模拟分析,设计结果表明在2°~40°杂光源成像视场范围内,点源透过率在10-6~10-4量级,该系统设计方案及结果可为用于深空任务的星敏感器系统的参考依据。     

大相对孔径宽光谱星敏感器光学镜头设计

为了提高星敏感器相对孔径,拓宽探测光谱范围,文中通过探测器灵敏度模型的计算,确定了星敏感器光学系统的设计参数,进而设计了一款基于卫星平台的星敏感器光学镜头。该镜头由7片球面透镜组成,光谱范围为500~800 nm,焦距为50 mm,相对孔径为1/1.25,视场角为8.458.45（对角线视场角为11.96）,总长83.33 mm。镜头采用像方远心光路,减小了因像面离焦及其他因素引起的测量误差。优化后的镜头畸变小于0.5%,质心色偏差控制在2 m内,能量集中度（33像元内）大于80%,最大倍率色差为-0.073 m,轴外视场的弥散斑能量集中度和轴上视场基本一致。对比不同温度下的光学系统,焦距变化量很小,验证了无热化设计要求,镜头的成像质量良好。     

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。     

大相对孔径宽光谱星敏感器光学镜头设计

为满足大口径长焦距星敏感器的需求,对一种大口径热不敏星敏感器进行光机设计,根据指标要求,对热不敏系统进行光机热集成分析。使用MSC.Patran软件对主次镜结构施加温度载荷,计算出主次镜结构的热弹性变形,先利用MSC.Nastran软件计算热变形后节点的刚体位移,再利用Sigft光机接口软件分析得到变形后主次镜表面的Zernike多项式系数。将结果导入Zemax中,预判镜片面型变化以及刚体位移对弥散斑、光轴漂移量及波像差的影响。最后通过在20℃±5℃的温度范围内装调测试验证了系统性能满足指标要求以及光机热集成分析的准确性,提供了一套准确快捷的光机热集成分析流程。     

紫外星敏感器光学系统设计及其鬼像分析

针对空间紫外波段航天器自主导航姿态敏感器的特殊需求,提出基于正组为FK5和熔石英、负组为QF1的新型紫外玻璃组合方法,设计了波段330~365 nm、焦距80 mm、F数1.6、视场角88的紫外星敏感器。基于近轴鬼像能量计算的方法对鬼像抑制指标进行计算。利用Code V对系统轴上一阶鬼像进行初步的分析与判断,再利用非序列光线追迹对系统轴外多阶鬼像进行仿真计算,得到完备的轴外鬼像能量分布。结果表明,该光学系统结构紧凑,像质良好,各视场成像弥散斑均方根半径10 m内能量集中度大于80%,相对畸变优于0.05%,在相差7等星的动态范围下,像面处亮星最大鬼像光斑照度仅为暗星照度的1/21,满足紫外星敏感器的探测需求。     

长焦距无热化星敏感器光学系统设计

光学系统是自主导航星敏感器实现恒星光信号收集以及高精度姿态测量的核心组件。以高精度星敏感器光学系统为研究对象,分析了影响光学系统探测不同色温恒星精度的机理,恒星色温及环境温度变化引起的质心漂移量误差通过后期标定抑制的难度大,需要在光学设计阶段进行控制;建立了光学系统设计波长权重计算模型及分配方法;在性能评价方面,除了常规的能量集中度、畸变以及非对称像差之外,提出采用恒星色温质心漂移量以及温度变化质心漂移量作为精度评价的主要指标。根据应用需求设计了一款基于航天卫星平台的长焦距星敏感器光学系统,焦距为95 mm,相对孔径为F/2.4,视场角为8°×8°,探测光谱范围为450～1 000 nm,3×3像元内能量集中度大于85%。基于常规玻璃材料校正了超宽谱段长焦距光学系统的倍率色差,全视场倍率色差不超过0.9 μm。精度分析结果表明:2 600～9 800 K范围内不同色温恒星的质心漂移量小于0.36 μm;在工作温度0～40 °C范围内,焦距变化量小于2.7 μm,温度变化引起的质心漂移量小于0.45 μm。     

长波红外两档5倍变焦光学系统设计

与连续变焦光学系统相比,两档变焦光学系统具有结构简单、装调容易、透射比高等优点.针对320×240非制冷焦平面阵列探测器,设计了一个长波红外两档变焦光学系统,系统采用切入式变焦方式,在短焦时切入两片透镜实现宽视场,宽视场时全视场角为31.4°,可用于跟踪和搜索目标;窄视场时全视场角为6.44°,可用于捕获和观察目标.通过引入二元面和非球面,大大提高了成像质量,在空间频率111p/mm处,宽视场和窄视场都具有较好的成像质量.     

二次成像光学被动无热化设计

介绍光学被动无热化设计的原理,对二次成像系统进行热离焦分析,提出一种使物镜组和中继镜组无热化,从而实现二次成像系统无热化设计的方法。研究由三种材料4片透镜构成的镜组无热化的图解法并给出详细设计步骤。采用Ge、ZnS和CdTe三种常用的红外材料,设计一个长波二次成像光学系统。设计结果表明该系统在-60～70℃的温度范围内,具有良好的消热差、消色差性能。     

基于折反射星敏感器光学系统的光纤光栅温度传感器设计

为了实现太空环境下的卫星折反射星敏器光学系统中特殊结构部位的传感器的安装及温度监测,排除应变对传感器的影响,设计了一种适用于光纤光栅的环形特殊封装结构。并对传感器进行了温度标定、拉伸、温度重复性、振动及热真空实验。实验结果表明:这种封装形式的光纤光栅温度传感器线性度为0.998,温度灵敏度为8.5~8.7pm/℃,同一温度下,中心波长变化量在2pm以内,同时,该结构形变产生的应变对传感器中心波长没有影响;在振动及热真空环境下,传感器的性能不会受到影响。     

一种紧凑型红外光学系统设计

介绍了制冷型红外成像光学系统设计初始结构的选择方法,采用折反射光学系统结构,设计了一种紧凑型红外光学系统,实现总长/焦距比为0.59,在-40～60℃温度范围内,具有良好的消热差作用,成像质量接近衍射限,具有结构紧凑、体积小等优点,可满足红外成像导引头的使用要求。：     

一种小型化探测器固联于弹体式导引头光学系统设计

为实现探测器组件固联于弹体且导引头结构小型化,采用了由特殊棱镜与反射镜组成的光学滑环式光机结构设计。光学系统的前镜组、反射镜嵌入内框架,实现±90°扫描运动;内框架、特殊棱镜组件嵌入外框架,实现360°扫描运动,进而使光学系统具有前半球的跟踪视场。设计结果表明光学系统在-70℃～＋90℃温度范围内调制传递函数接近衍射极限,成像清晰,满足光、机、热一体化设计要求。实验结果显示,研制的光学系统其焦距60 mm,视场大小为3°,在20 lp/mm处,轴上视场的调制传递函数（MTF）高于0.7。系统实现了探测器组件固联于弹体及光机系统小型化的目的。     

星跟踪器光学系统的优化设计

在星光制导的空间飞行器中,为准确确定空间方位信息,提高导航系统的精度,对星跟踪器光学镜头设计提出很高的要求。针对精度要求,设计了一种新型星跟踪器的光学镜头,系统地阐述了星跟踪器的工作原理,通过光学设计及相差分析,使光学系统的畸变小于0.2％、轴向球差小于0.1,该设计满足用户对高精度天文导航系统的需求。     

基于飞腾DSP的多视场星敏感器信息处理系统设计

星敏感器是自主导航姿态控制系统中的重要组成部分之一。作为星敏感器的核心部件,信息处理系统对其整机性能有重要影响。基于飞腾多核DSP+复旦微FPGA架构设计了一种全国产化多视场星敏感器信息处理系统。在设计中采用EMIF接口和GPIO接口与复旦微FPGA进行数据交互及控制,将2片串行 Flash用于存储星库数据和启动程序,将2片DDR3芯片用于缓存数据。详细介绍了信息处理系统的整体软件流程设计、算法流程设计及实现。经试验验证,该系统可稳定运行并输出正确姿态。在星图分辨率为2048×2048的情况下,系统无初始指向时的数据更新频率为20Hz,有初始指向时的数据更新频率为625Hz。运算性能约为普通ARM架构的3倍,对于提升多视场星敏感器的实时性、丰富其工程化实现方法具有重要意义。     

红外双波段消热差系统设计

引入了光学材料双波段的平均规化热差系数 T,建立了在3～5μm和8～12μm两个波段上分离透镜消色差、消热差方程组。得到对该光学系统设计的材料选择具有指导作用的三维无热差图,并利用透视投影原理得到相应的投影无热差图。设计了视场4°、有效焦距61mm、F数为2.5、温度范围在-54～71℃、适用于3～5μm和8～12μm双波段的红外光学系统。该系统在3～5μm和8～12μm波段调制传递函数基本达到衍射极限,在空间频率为10lp/mm时,数值分别为0.87和0.68;当温度从-54℃变化到71℃时,数值波动不到0.01;轴向像差在-54～71℃温度范围内,最大值分别为45μm和93μm,都小于相应波段的系统焦深。因此,设计系统具有非常好的双波段消色差、消热差能力。     

大视场、大相对孔径长波红外机械无热化光学系统设计

研究了大视场大相对孔径长波红外机械无热化光学系统的设计, 设计了8～12 μm波段内F数为0.8、温度在-40～60℃范 围内无热化的光学系统。结果表明,该系统结构简单,像质好,在空间频率20 lp/mm处的 光学传递函数值大于0.5。