高精度LCOS动态星模拟器的光学系统设计

针对高精度星敏感器对其功能测试设备精确模拟星点位置和星等的实际要求,设计了一种硅基液晶(LCOS)型高精度动态星模拟器的光学系统。分析星模拟器准直与照明光学系统的任务需求并给出了设计方案。为提高模拟器的成像精度,提出了LCOS的光学拼接方法,详细设计了大视场、大相对孔径、大出瞳距离的准直光学系统并进行了像质评价;为同时满足显示器件的照明条件和-1~7等星的准确模拟,对照明光学系统进行了详细设计并给出了仿真结果。提出了一种动态星模拟器星点位置修正方法,通过实验测试,动态星模拟器的星间角距误差优于12″,精确模拟-1~7等星,满足当前对高精度星敏感器的检测需要。     

基于μLED发光技术的新型星模拟器设计

针对常规星模拟器存在的模拟参数少、精度低和模拟技术难度大等具体问题,将LED发光技术引入到星模拟器的设计中,提出一种基于LED发光技术的新型星模拟器研制方法。结合星模拟器准直光学系统设计结果,详细设计了整体机械结构,以确保其具有在仿真环境下,最大程度弱化温变、振动等外界因素的特性。重点研究星点位置精度和星点发光亮度的控制技术,并对星点圆度、星点发光均匀度以及星点光谱控制技术进行具体分析。分析与测试结果均表明,所设计的星模拟器具有星间角距精度小于3,多种5个连续星等模拟,同时满足星点圆度、发光均匀度以及发光光谱的多参数模拟性能。所提出的设计方法也为更高级别的星模拟器研制提供一种可行的技术方案。     

星等能量检测系统设计

空间目标场景模拟器是在实验室环境下进行星等探测能力评价和定标的设备,该系统的关键是对弱星等的标定要求很高,最高检测星等为16等星。本文设计了基于光电倍增管的单光子计数器作为模拟星的能量检测设备,给出了光电倍增管的选择方法及其分压器的设计原理,最后通过实验验证了该单光子计数器的测量精度能够满足定标的要求。     

多色温多星等星光光源模拟技术研究

星模拟器是为模拟真实的恒星物理特性而设计的,由于不同恒星的色温和星等不同,为了更真实地模拟恒星,需要星光光源模拟系统能够实现色温和星等大范围高精度可调。该系统由积分球、光源模块、控制模块以及光纤光谱仪构成闭环光源模拟系统。为保证出射光的均匀度,采用了溴钨灯和多种单色LED混光作为光源,用恒流驱动方式控制LED的输出亮度。引入量子行为粒子群算法作为光谱匹配算法,求解LED系数a_i。随着迭代次数的增加,适应度函数的值达到最小,则色温和星等的模拟误差变小。经实验验证:实现了色温3 000、4 300、5 500、6 500、7 600、20 000 K的模拟,色温匹配误差优于±10%;模拟星等+2~+8.5 Mi可调,星等匹配误差优于±6%。     

反射式单星模拟器光纤耦合光源设计（英文）

为了满足星敏感器地面标定及配合多个单星模拟器使用要求,针对传统星模拟器光源的特点,设计了一种积分球与多光纤耦合的模拟器光源,每一单星模拟器星点亮度由每一路耦合光束控制。根据指标要求,在光度学角度上对能量进行分析,并确定光源、积分球以及光纤的选取。利用Light tools建立仿真模型,分析仿真结果,最终结果表明该光纤耦合光源满足设计要求,每个星点用Light tools模拟照度误差与实际模拟照度误差相近且两者均不大于±10%。     

光纤耦合技术的星图模拟技术研究

针对深空导航敏感器的地面标定对多星等、高星等的技术要求,提出一种基于光纤耦合技术的星图模拟新方法,创新性的运用了OLED面光源和光纤耦合机构配合高精密靶标的技术来模拟星图.结合所设计星图模拟器指标,重点对光纤面光源耦合和OLED面光源亮度双调制技术进行了深入研究,分析了光纤面光源的耦合技术的关键条件,为实现较高的光耦合效率,选择数值孔径为0.6的大芯径聚合物光纤(POF)与自聚焦透镜组成耦合机构,设计结果表明聚光斑100 m,纤芯轴向光能量利用率大于80%;所研究的面光源双调制技术在星等模拟中的设计结果说明:该技术可解决单一的电气灰度调制或空间灰度调制无法实现5~10等星精确模拟的的技术难题.     

星模拟器多色温模拟技术研究

针对星模拟器对多色温模拟的需求,提出了一种星模拟器多色温模拟方法。结合由氙灯和卤钨灯组成的宽光谱光源灯阵,分析了不同波段数据和不同波段带宽数据变化对色温的影响。基于多项式的拟合方法,利用遗传算法实现了色温模拟的反馈控制,实现了在350～900 nm光谱范围内对3900 K、4800 K、6500 K色温的光谱模拟,满足了星模拟器对多色温的模拟要求。     

基于副瓣注入的多方位目标模拟方法研究

提出了一种解决雷达应答式射频目标模拟器多方位、多目标模拟的方法——副瓣注入方法,分析了该方法的基本原理和实现多目标模拟的基本条件,对影响模拟目标的数量和多目标之间的夹角进行了分析;依据雷达方程,在雷达指标一定的前提下,对目标模拟器的主要参数进行了分析设计,对设计结果进行了仿真计算和分析。     

大口径离轴反射式星模拟器光机结构设计

根据高精度星敏感器地面测试任务中模拟无穷远处目标星体的实际应用需求,针对常规星模拟器体积庞大,装调及校准困难等实际问题,设计了一种大口径、长焦距、可实现自准直功能的离轴反射式星模拟器光机结构,用来模拟无穷远处的恒星所发出的平行光。采用离轴反射式光学设计,避免中心遮拦。采用光管焦面分光方式,通过半透半反式分光镜的反射与透射功能实现光路的传递,压缩了镜筒长度;通过探测器接收分光镜透射的光像可直接辨别光学系统的准直性能,便于装调,且方便后期使用与校准;采用顶丝调节姿态降低了装调难度。实际测试结果表明:光机系统的入瞳口径210mm,出瞳距离2100mm,整机的系统波像差(rms)测量值为0030 λ,可精确模拟0～7等星,工作波段500～800nm,满足当前对高精度星敏感器的标定技术指标要求,为星模拟器的高效快速研制提供了一种设计方法。     

高精度星敏感器测试设备的设计

针对现有动态星模拟器在高精度星敏感器测试中无法满足星点位置和照度均匀性的高精度模拟等实际问题,设计了一种高精度动态星模拟器。分析了星模拟器光学系统与调整机构的任务需求。为保证星点的投射精度,提出了LCOS 的光学拼接方法,优化设计了大视场、大相对孔径的准直光学系统并进行了像质评价;为满足显示器件照明条件和星点照度均匀性的要求,对照明光学系统进行了仿真设计并给出了照度分布;为减小对接误差提高对模拟器的测试精度,确定了高分辨力五维调整架的机械结构,应用CATIA 软件对调整机构的设计进行了三维建模,理论计算结果显示调整机构位移分辨力为18 nm,角度分辨力为0.05。通过实际检测,微调整机构稳定性好,出射星点照度不均匀性优于10%,模拟星点的单星位置误差小于7,星间角距误差优于12,满足当前对高精度星敏感器测试的技术指标要求。     

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。     

高精度背景可控星图模拟器设计

为了实现星敏感器的地面标定和精度测试, 研制一套具有可变星图背景的高精度星图模拟器, 要求该系统的单星位置精度优于10。采用高精度静态目标标准源作为星图模拟器的核心器件, 配合一种亮度可控照明系统, 实现星点和背景的同时模拟, 并设计准直光学系统, 使模拟星图与背景成平行光出射, 在星敏感器出瞳处产生星图, 完成背景可控、星点位置精度高的星图模拟。最后, 提出提高星点位置模拟精度的方法, 并利用经纬仪实测星点位置精度, 配合照度计测试背景亮度。从实验结果可知, 该模拟器的星图模拟精度优于10, 背景亮度可实现26倍调整, 可用于高精度星敏感器的地面标定和精度测试。     

星敏感器高动态下自主星跟踪算法

当飞行器大角速度机动时,采用传统的星跟踪算法来提取星像坐标时,必须选取较大的扫描星图区域,从而增加了区域内包含其它星像部分像元或全部像元的可能,需要多次采用星对角距比较来选取正确的星像坐标,因此,在选取正确的星像坐标时增加了误匹配的可能。为此,文中提出一种星敏感器高动态下自主星跟踪算法,首先根据前邻时刻的瞬时姿态来预测下一时刻的输出姿态,再利用预测姿态预测当前时刻恒星在下一时刻的星像坐标,最后扫描在以预测的星像坐标为中心的星图范围内提取实际的恒星星像坐标。这样克服了采用传统星跟踪算法带来的数据更新率低、可能误匹配高甚至不能提取正确地星像坐标的缺点。最后,采用该方法进行了仿真验证以及外场观星试验。     

基于星图模拟的星空目标提取

提出了一种将星图模拟技术应用于星空背景空间目标提取的方法,建立了地基光测设备的星图模拟模型,推导了光轴指向计算和星体到焦平面成像的坐标转换。利用模拟星图生成掩模,对实拍星图处理去除恒星背景。实验证明利用模拟星图能够有效去除恒星背景提取空间目标。     

基于能量分布的星点提取方法

为提高星图预处理中质心提取的精度和实时性,提出了一种基于星点能量分布的星点提取方法.该方法将星点的能量分布概括为如下三个特点：一是当σ＜0.671时,星点的能量主要集中在其中心3×3像元的区域内;二是星点中心灰度最大;三是星点中心周围8个像元的灰度值大于平均灰度值.依据后两个特点可以确定星点中心像元,然后根据第一个特点就可以用传统的质心算法对星点中心3×3区域进行质心提取.仿真结果表明,该方法能够实时有效地进行星点提取,且实时性优于连通域法,在星等小于5时质心提取精度也要优于连通域法.     

一种星敏感器光学系统标定与引建的新方法

星敏感器以星体映射在CCD像平面上的坐标作为输入信号,信号精度受到光学系统固有误差与CCD像平面安装误差的综合影响。基于恒星参考系的星敏感器光学系统标定与引建方法,无需转台与星模拟器等大型昂贵设备支撑,以天体信标于观测历元时的精确赤道坐标为基础依据,创新性地将星敏感器不可回避的CCD像平面安装误差问题,糅合至光学系统标定过程进行解决,应用简单、方便,经试验验证:标定与引建精度能够达到角秒量级。     

太阳同步轨道星敏感器热设计典型工况确定

以某太阳同步轨道卫星星敏感器为例,阐述了热环境分析、外热流计算、典型工况条件确定以及热试验模拟的全过程。首先,分析了星敏感器所处的内、外部热环境,确定了其温度水平的主要影响因素。其次,进行了星敏感器通光孔到达外热流的计算,确定了典型工况的工况条件。然后,制定了星敏感器热平衡试验外热流的模拟方案,利用闭环程控系统进行外热流加载。最后,依据星敏感器自身特点,提出了热试验外热流的加载策略。典型工况条件的确定合理可行。