近红外多视场白天测星分析

近红外多视场恒星探测系统采用3个探测器同时进行恒星探测,分析了近红外波段白天恒星-背景对比度随探测参数的变化情况,对不同视场对比度进行对比,结果表明:随着探测天顶角的增大,恒星-背景对比度呈线性增大;太阳天顶角大于探测器天顶角以后,恒星-背景对比度随太阳天顶角近似于指数增长;一定高度时,对比度随探测器高度的增加近似指数增加;而随着探测方位角的增大,恒星-背景对比度呈高斯分布;三个视场内同一时刻的背景辐射比在主视场0探测方位角时达到最小,探测到的恒星-背景对比度随主视场探测方位角变化呈对称分布,为星等修正奠定较好的基础。     

云层对近红外白天测星的影响

大气层内白天测星最大的困难是过强的天空背景辐射,白天近红外波段可以探测到足够多的星体用以导航。目前已有研究针对理想情况下的白天恒星探测进行了分析,然而,对于实际情况来说,天空背景很难像理想分析中那样无风无雨无云,尤其是云层自身的热辐射及散射的太阳辐射对近红外白天恒星探测造成极大的影响;根据经验公式,对云层和太阳的红外辐射进行计算,分析了白天云层对恒星探测的影响,并以层云和积云为例,具体分析了恒星辐射透过云层的衰减,对实际工作具有一定的指导意义。     

三视场白天测星研究

白天恒星探测最大的困难在于过强的背景辐射,全天时近红外多视场探测系统将三个参数相同的探测器刚性固连在探测平台上,同时进行恒星探测。结合中国地理位置,分析了白天近红外波段三个探测视场内的恒星——背景对比度随太阳天顶角、平台方位角、平台x方向俯仰角,平台y方向俯仰角及平台高度的变化情况。结果表明,随太阳天顶角的变化,对比度近似指数增长;随平台方位角的变化,对比度呈正态分布变化;当平台有一定的倾角时,对比度变化都很低且变化范围不大,但三个视场间相差较大（相差1.5~20倍不等）;随着平台高度的变化,对比度呈指数变化明显增大;为星等修正研究奠定较好的基础。     

EMCCD相机在全天时星敏感器中的设计与应用

近地面用全天时星敏感器用于大型飞机、临界空间飞行器等航空器的导航。近年来,随着星惯组合导航技术的快速发展,国外开始重视该项技术的研究。主要研究近地面用全天时星敏感器中基于EMCCD的星相机的设计与应用。分析了星相机的全天时探测的原理,提出采用高灵敏度EMCCD成像技术解决白天强背景下的探测问题。在原理研究的基础上,完成了基于CCD201探测器的星相机及实时图像处理器的硬件设计和调试,采用硬件实时中值滤波的方法实现全天时星图的预处理。设计的星相机系统信噪比可达50dB左右。通过进行白天观星实验获得恒星图像,并成功进行了目标提取。实验说明所设计的EMCCD相机具备白天恒星探测能力。     

全天时星敏感器的建模分析与实验验证

全天时星敏感器技术可以将星敏感器的应用推广到临近空间飞行器如平流层飞艇和高空气球等平台,是星敏感器未来发展的一个重要方向。由于白天受到强烈的大气背景辐射的影响,可见光波段星敏感器的探测能力显著受限。大气背景辐射在短波红外处的强度迅速降低,因此利用短波红外成像系统在0.9~1.7m波段下进行恒星探测成为研究全天时星敏感器技术的一种有效可行的方案。为了系统地分析并验证短波红外全天时星敏感器的可行性,文中在分析全天时星敏感器探测模型的基础上,重点讨论了短波红外探测器噪声对星敏感器探测能力的影响并基于探测模型确定了20 km高度处全天时星敏感器的光学参数。基于短波红外探测器研制了全天时星敏感器原理样机,结合地面处的观星实验,测试了原理样机的探测性能并验证了全天时星敏感器探测模型的正确性。     

有源像素传感器恒星探测极限计算方法

恒星探测极限是星跟踪器的一个关键参数，在导航星库的建立和星图识别过程中起着重要作用。根据恒星辐射模型和CMOS有源像素传感器的噪声计算模型，提出了一种在给定信噪比和有源像素传感器噪声条件下，计算星跟踪器恒星探测极限的方法。该方法利用单位时间内、单位面积上有源像素传感器对0星等恒星的响应来求取恒星探测极限。最后，在信噪比为8的条件下，结合星跟踪器的有关参数给出了一个计算恒星探测极限的具体实例。     

基于OTSU算法的近红外星图目标提取

导航星目标的提取是近红外天文导航中的关键步骤,直接关系到后续的星目标识别和星图匹配.由于天光背景很强,提取星目标极为困难.近红外天文导航在近红外波段对恒星进行检测,即使在白天也可获得足够多用以导航的恒星目标.在分析近红外星图图像特点的基础上,引入能量投影,根据投影峰值确定潜在恒星目标和噪声点的位置;然后根据能量变化,设定待处理区域,并使用最大类间方差(Maximumbetween-cluster Variance,OTSU)算法进行目标和噪声点快速提取;最后使用多帧叠加,剔除噪声点,最终提取出恒星目标.实验结果表明,该算法计算简单,运行时间短,同时具有较高的检测率.该算法能够在复杂的背景中有效地检测出恒星目标,虚警率较低.     

三视场小口径星图的仿真

红外波段可探测到足够多用以导航的星体。受限于客观条件,白天无法获取大量的星空图像。为了加快三视场恒星检测、星点定位和星图识别等算法的开发及算法性能的全面测试,需要研究三视场全天时星图的仿真方法。研究并建立了三视场天空辐射模型、系统噪声模型和恒星成像模型,设计并运行了三视场星图的生成软件。结果对加快算法的开发及算法性能的全面测试具有重要意义。     

大气成分对中波红外地基光电系统观测的影响分析

地基光电系统白天在可见光波段对空间目标观测时,因受大气散射等因素的影响,探测能力会急剧下降。红外波段较可见光波段具有较强的大气穿透能力,因此在红外波段观测空间目标可以较好地解决白天探测的问题。利用MODTRAN模型计算了不同大气成分对中波红外透射率的影响并进行了分析,并用中波红外成像系统在地基望远镜上进行了观测。实验结果表明,中波红外探测器在白天能极限探测到7等星,平均信噪比为6.236。本研究对白天红外波段地基的空间探测具有一定参考意义。     

雨雾对白天测星影响分析

白天恒星探测工作涉及到很多环境因素的影响,现有文章对理想环境及云层存在时,不同参数条件下的测星工作进行了分析,除去主要影响因素云层外,红外辐射在大气的传输过程中,还有不确定因素雨、雾的影响。主要针对这两种不确定因素展开研究,雨和雾的存在在时间、地域以及高度因素上都是不确定的,结合已有的经验公式,针对不同参数情况下的辐射衰减情况进行分析,定量明确雨和雾对辐射传输的影响。     

近红外导航恒星排序方法研究

天文导航具有自主性强、精度高和误差不随时间积累等优点,惯性导航系统常采用天文观测的方法来提高定位和定姿精度,全天时星跟踪器技术成为近年来国内研究的热点。近红外系统多基于 2MASS 星表产生导航星表,系统工作中需要对可观测恒星进行排序,实现对恒星的最优选择。本文阐述了2MASS近红外恒星的测星能力计算方法,利用给出的信噪比(Signal noise ratio: SNR)计算公式,对一组亮背景条件下的恒星 SNR 进行了计算,并据此进行了理论排序。 利用外场观星试验拍摄的星图,计算了恒星星点的 SNR,并按照实测星点 SNR 对恒星进行了排序。计算结果表明：导航恒星的理论 SNR 与实测 SNR 的排序结果完全一致。     

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。     

红外星表在地基红外辐射测量系统中的应用

国内已知的红外星库数量有限,辐射照度、覆盖波段范围小,分布密集度低,无法满足现有地基红外辐射测量系统天文标定的需要。根据系统的探测波段考察并选取IRAS、2MASS、WISE、AKARI 4个全空域巡天计划及其生成的红外星表。综合考虑大气弥散、大气衰减的影响,分析计算系统在短波红外1~3 m、中波红外3~5 m、长波红外8~10 m的极限探测能力及在对应点源星表中的最低可探测的星等。搜索选取可供系统观测的恒星,结果显示在短波选取4 599个恒星目标,中波选取125个恒星目标,长波选取1个恒星目标,为我国现有地基红外辐射测量系统天文标定及红外星表进一步应用提供理论依据。     

基于最大能量法的白天红外星目标检测

受多种因素的影响,白天获得的红外星图像的信噪比低,且背景通常不均匀。采用一般的滤波方法无法提取出恒星目标,目前常用的形态学方法对于星图像的处理也不甚理想。首先分析背景特性,采用多帧叠加的方法消弱随机噪声,增大信噪比;然后设定阈值,对叠加后的星图进行背景消除,得到只含有目标及噪声的图像;然后用与恒星大小相近的模板按一定的规则对星图进行滤波,分割出目标。实验证明,该方法能较好地分离出恒星目标。     

白天天空背景对昼夜大气相干长度仪数据影响

昼夜大气相干长度仪实现了全天候连续观测恒星,是一种大气相干长度的常规观测仪器。主要分析了白天天空背景光引起的大气相干长度测量误差,提出了适合于工程应用的图像消噪方法,并进行了数值仿真,结果表明:该消噪方法能有效抑制白天天空背景引起的图像传感器噪声,使其在最大天空亮度观测3.5等星时所引起的大气相干长度测量误差减小到1.434%,扩大了选星跟踪范围,证实了该消噪方法应用于提高仪器测量精度的可行性和白天星像质心提取的准确性。