星敏感器遮光罩的设计与杂散光分析

杂散光抑制是提高星敏感器精度的重要手段,遮光罩的设计是抑制杂散光的主要途径.对星敏感器遮光罩进行设计,通过SolidWorks软件建模,绘制出遮光罩结构,将得到的结构导入TracePro软件中进行杂散光分析.设定材料表面的双向散射分布函数与光线追迹数目,在不同方位角度对1°～75°之间共16个离轴角度进行了光线追迹,得到系统的PST曲线.结果表明,和改进前的结构相比,PST值降低了一个数量级,且系统的杂散光抑制能力在离轴角30°时达到10-9量级.遮光罩内设计竖直挡光环结构有很好的杂散光抑制作用,使系统杂散光抑制水平得到较大的提高.     

可见光光学系统杂散光抑制

以光电跟踪测量系统可见光镜头为例,通过对镜头进行仿真分析,寻找杂散光斑形成原因,然后进行杂散光抑制设计,并与实际测试结果对比,验证软件分析方法的可靠性。对光学系统建立软件分析模型,确定一次散射路径,对2°~3°内各离轴角分别进行杂散光分析,找出主要杂散光源。与实际光学系统测试结果对比,以确定分析的正确性。仿真分析结果表明:离轴角在2.20°~2.65°之间,杂散光在像面中心形成明显杂散光斑,点源透过率(PST)为2.92×10-4。最后通过修改结构,消除杂散光斑,PST降为3.53×10-5。软件分析得到镜头的杂散光斑及其来源,与实际测试结果一致,验证了软件分析方法的正确性与准确性。     

红外光学系统杂光PST的研究与测试

介绍了表征光学系统抑制水平的定量指标——点源透过率ＰＳＴ．提出了红外光学系统杂光指标ＰＳＴ的一种测试方法，并在１０．６μｍ波长处，测试了口径为１８０ｍｍ的全反射Ｒｉｔｃｈｅｙ－Ｃｈｒｅｔｉｅｎ红外系统在不同入射角时的点源透过率ＰＳＴ（θ）．     

月基望远镜杂散光PST研究与测试

针对月基望远镜（LOT）杂散光抑制能力的验证,在地面采用点源透过率法对其遮光罩视场外杂散光抑制比进行了测试,并利用光学系统视场外不同离轴角的点源透过率（PST）来评价其杂散光抑制比。该PST测试方法突破了以往的杂散光测试方法,采用高精度星模拟器与EMCCD结合的思路,保证了探测器在其线性区域内具有大动态范围探测能力的特性,其动态探测范围可达1012,可满足指标PST（在22离轴角）测试值10-7的要求。该方法能更客观、更直接地反应遮光罩的杂散光抑制能力,其PST（在22离轴角）测试不确定度可优于60%,远远高于以往杂散光抑制比的测试精度。另外,讨论了该测试方法需改进的几点措施,PST测试预期目标可达10-12。最后通过试验对LOT相机遮光罩的杂散光抑制比进行测试,验证了LOT相机杂散光抑制比满足设计要求。     

风云二号辐射计的红外杂散光抑制研究

风云二号卫星云图显示扫描辐射计存在红外杂散辐射,因此需要对光学系统作进一步改进以减少杂散辐射。利用TracePro软件对该系统的红外杂散辐射的形成机理和入侵途径进行了仿真和分析。基于分析结果对该光学系统的红外杂散辐射提出了几项有效抑制措施,并通过计算系统的点源透过率(Point Source Transmittance,PST)函数对这些改进措施进行了评价。     

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。     

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。     

同轴两反光学系统杂散光分析及内遮光罩优化设计

针对某同轴两反光学系统的空间布局特点设计了内遮光罩,并对内遮光罩不同的高度和直径参数进行了系统的杂散光分析,绘制了系统东西方向和南北方向的点源透射率(PST)曲线并得到系统像面处的辐照度,从而为内遮光罩的杂散光抑制能力提供了量化的对比结果,便于内遮光罩进行优化设计。通过杂散光分析,并对内遮光罩的结构强度等参数进行有限元分析(FEA)校核,确定了该口径为320mm的同轴两反光学系统的内遮光罩高度为100mm,直径为44.8mm,使得该遮光罩结构在满足空间遥感器力学性能的要求下达到杂散光抑制的最佳效果,实现了杂散光分析及基于结构FEA的优化设计。     

星敏感器反射式遮光罩设计

星敏感器主要用于探测深黑空间中的恒星,属于微弱信号的检测,视场外的太阳光和地气光是主要的杂散光源.反射式遮光罩表面以镜面反射为主,遵循反射定律,光线易于控制,因此能够通过合理的结构设计使大部分以抑制角入射的杂光返回入射空间,而且与传统遮光罩相比,加工较为容易.详细讨论了反射式遮光罩设计的基本方法,推导了一种改进型反射式遮光罩的设计公式,最后结合某星敏感器进行了仿真验证.结果表明:该遮光罩具有较佳的杂散光抑制能力/体积比,工程可实施性强,能实现观测五等星的目标.     

地球反照对星敏感器的影响分析

利用光度学的概念和点源辐射传输率(PST),提出了一种分析地球反照对星敏感器的影响的几何光学模型。该模型对地球表面按照经纬度划分了网格,为已知的TOMS反射数据的应用提供了接口,具有一定的通用性和实用性,可简要分析卫星上的星敏感器在一定输入条件下,包括轨道高度、星敏感器的安装方位、太阳入射角度等,地球反照到达遮光罩入口、出口的照度,以及不同离轴角下像面接收的地球反照的照度值。借助此模型,可以为星敏感器在卫星上的安装方位提出建议,并估算出星敏感器遮光罩的抗地球反照干扰性能。仿真分析表明,对于中低轨道而言,地球反照到达星敏感器遮光罩入口的辐照度变化不大,地球反照到达星敏感器遮光罩出口的辐照度主要与遮光罩自身的PST和遮光罩的安装仰角有关;当遮光罩的安装仰角φ=32.5°时,出口的辐照度下降到10-7W/m2,满足遮光罩消杂光的要求。     

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。     

激光通信终端光学系统杂散光抑制技术研究

随着空间应用领域的扩展,卫星激光通信凭借其在速率、带宽、体积、重量和功耗等方面的优势而得到广泛应用。对于卫星光通信来说,终端光学系统的性能直接影响通信的可靠性和稳定性,本文根据激光通信中收发一体、双向双工工作模式对收发隔离度的要求,采用Code V软件完成了830nm激光通信终端光学系统设计,实现物方全视场15mrad,全视场MTF值>065@100线对/mm,限制光线出射角不小于8SymbolpB@,设计结果满足系统使用要求。通过对光学系统杂散光分析与抑制技术研究,控制轴外杂散光在离轴角5°～20°时杂散光抑制能力大于45dB且20°时大于60dB。实验结果给出830nm激光通信终端光学系统光路图并对系统轴外杂光范围及抑制能力进行了测试,测试结果与仿真的结果一致,满足卫星激光通信系统使用要求。     

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。     

基于最优背景估计的星敏感器抗杂散光星点提取方法

研究了杂散光干扰下星敏感器星点提取问题。在杂散光干扰下,星点提取的效果会变差,这会使解算的姿态不准确和不可靠。为了抵抗杂散光干扰,提出了一种基于最优背景估计的抗杂散光星点提取方法。首先,分析了杂散光在星敏感器中的成像特点,构建了杂散光的具有闭合解的曲面模型;然后,设计了基于最优曲面的杂散光背景估计方法和星点提取方法;最后,采用仿真的杂散光图像和星敏感器采集的杂散光图像验证了算法的性能。实验结果表明:该方法得到的星点检测率、误检率和质心定位精度均优于现有基于背景和形态学的方法,该方法对杂散光有较好的抑制能力。     

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。     

星敏感器组件的热设计

根据高分辨率卫星上星敏感器的特点和任务需求,通过仿真分析与试验相结合的方法对星敏感器组件进行热设计.首先,根据热变形分析确定星敏感器支架的热控指标为183 ℃.其次,根据轨道参数及结构布局获得3只星敏感器及其安装支架的外热流,同时考虑内热源分布及多层隔热材料表面参数的退化等因素,选用被动热控和主动热控相结合的热控模式.然后,通过仿真分析,得到星敏感器支架在低温工况和高温工况下的温度范围为17.0~19.1 ℃.最后,通过热平衡试验及在轨温度测试验证热设计,星敏支架在各试验工况下的温度范围为17.3~18.7 ℃,与分析结果相符;在轨测试星敏支架的温度范围为16.0~19.0 ℃,满足热控指标要求183 ℃.热设计合理有效,满足任务需求.     

LED路灯的光学系统研究与设计

随着大功率LED光源和照明技术的发展,LED已经广泛的应用于照明领域,这也给灯具的配光设计带来了新的挑战.本文从LED光源应用于道路照明的实际要求出发,对LED路灯的光学系统和灯具的配光要求进行了研究,设计出了一种混合型反射罩光学结构,同时调整每列光源的偏转角度,并通过光学仿真软件进行了仿真,从而达到路灯照叫所要求的均匀矩形配光.     

星敏感器技术研究现状及发展趋势

对国外星敏感器的研究现状和发展过程进行了综合分析,汇总比较了多种星敏感器的性能参数,特别介绍了CMOS APS器件的应用优势和APS星敏感器的发展现状.最后对星敏感器的发展趋势进行了简要阐述,认为星敏感器作为一种精确姿态测量装置,将在更多领域得到广泛应用.