基于LCOS拼接技术的动态星模拟器光学系统设计

为了满足动态星模拟器大视场、高精度的技术要求,针对传统星模拟器光学系统的技术特点,提出了一种基于硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCOS)光学拼接技术的动态星模拟器光学系统设计方案。结合动态星模拟器的技术指标,使用LCOS作为星图显示的核心器件,通过LCOS光学拼接技术来实现星图显示覆盖全视场并满足拼接误差≤10″的拼接结果。根据动态星模拟器的工作原理,设计小畸变、平场复消色差的准直光学系统以实现动态星模拟器实时准确模拟星点,其设计结果表明:在10.2°视场角内准直光学系统相对畸变≤0.025%,调制传递函数(modulation transfer function,MTF)在60 lp/mm达到0.7。通过经纬仪实际测量,其星对角距误差≤25″,单像元等效张角误差≤6″,满足设计指标中的要求。     

甚高精度星模拟器设计

研制了一套星间角距精度优于0.2″的甚高精度星模拟器系统对深空光学导航敏感器进行地面标定和精度测试.采用高精度大口径静态可变目标标准源作为甚高精度星模拟器的核心显示器件模拟星图,同时研制了一种单点可控星图模拟矩阵式LED照明系统为其提供光源,并设计了长焦距大视场投影光学系统使模拟星图成平行光出射,在光学系统出瞳处产生星...     

基于硅基液晶拼接的高对比度动态星模拟器光学系统

针对基于硅基液晶(LCOS)拼接技术的动态星模拟器对比度低,无法在星图识别过程中为星敏感器提供全部有效目标的问题,提出通过抑制光学系统杂散光来提高LCOS拼接动态星模拟器对比度的方法,讨论了偏振度对于杂散光的影响,并推导出入射角与偏振度的函数关系。设计了抑制杂散光的光学系统,该系统包括利用复合抛物面聚光器(CPC)结合望远系统组成照明光源,配合多棱镜的1/4波片和视场角不小于11°的准直光学系统。在截止频率为60lp/mm,视场角小于±5°的情况下,该准直系统的调制传递函数(MTF)大于0.7。实验显示:该高对比度LCOS拼接动态星模拟器的星间角距误差小于18″,相对于传统型的星模拟器杂散光降低了2.38倍,其在保证精度的条件下,降低了动态星模拟器的背景噪声,提高了动态星图的可识别率,基本可以满足星敏感器在多星等条件下的对精度和动态特性的需求。     

一种单星模拟器控制电路的设计

针对单星模拟器的技术需求,设计出一种单星模拟器控制电路.该电路由光强控制、编码器、步进电机驱动、光强探测等模块构成,从而实现不同色温和星等.结果表明:该系统满足设计要求,在峰值光谱范围350nm～950nm下,可模拟多种星体色温及星等.     

用于高精度卫星姿态测量的大相对孔径 高杂光抑制比星敏感器光学设计

星敏感器是卫星高精度空间姿态测量与飞行控制的关键仪器。 针对低阈值星等、大视场等特殊需求,设计了焦距 55 mm,相对孔径 1 / 1. 1,视场角 17°×17°的星敏感器光学系统。 基于无热玻璃图方法,通过光学玻璃材料与机械结构材料的 温度特性匹配优化,实现了光学被动式无热化设计。 完成两级遮光罩与挡光环的消杂光结构设计,利用非序列光线追迹完 成视场内成像光线鬼像分布与视场外杂散光仿真分析与计算。 结果表明,星敏感器光学系统各视场弥散斑半径 RMS 小于 4. 5 μm,2×2 像元内能量集中度≥96% ,-35℃ ~ 45℃ 大温差下各视场的 MTF 在截止频率处均大于 0. 6,畸变优于 0. 05% 。 45°规避角外杂光 PST 达到 10 -8 量级,像面处各阶鬼像光斑半径均大于 0. 8 mm。 星敏感器光学成像质量与杂光抑制满足高 精度姿态测量要求。     

大视场平行光管光学系统的研制

一般的平行光管,其视场角大多在±1°左右,而检测战斗机仪表的平行光管,其视场角要求达到±15°,为此必须对光学系统做特殊的设计。通过理论计算和Zemax光学设计软件的优化,给出了通光口径为Φ100mm、视场角为±15°的四分离式光学系统的实例,并介绍了物镜组制造时的材料检测、物镜组的加工、装配组合等相关技术措施。     

小型准直式红外地球模拟器研究

地球模拟器是卫星姿态测量控制关键部件—摆动扫描式红外地球敏感器的一种重要地面模拟试验与精度标定仪器。本文针对卫星同步轨道高度(35786km),采用准直式方案,研制了一种口径为Φ150mm的准直式红外地球模拟器,它能提供17.46°的地球张角,实现了地面上模拟卫星在太空中所看到的地球。文中详细介绍了准直式红外地球模拟器的组成和总体结构,采用红外光学技术,设计了锗准直透镜,通过理论分析得出地球光阑、热地球位置和大小与地球张角、锗准直透镜光学参数之间的关系,为地球模拟器的研制提供了设计依据。地球张角是衡量地球模拟器精度的指标,通过实验对地球张角进行了测试,结果表明地球张角误差小于±0.05°。     

星光制导中的凸多边形星图识别算法

提出了以凸多边形为基元、完全不依赖于星等的星图识别算法。首先,构造全部导航星的14°视场模式,共9 176个。然后逐一把这些视场中的导航星投影到像平面,得到一系列的点。依其坐标排序,采用由平面上的点生成凸多边形的算法,就能得到唯一的、以恒星为顶点的凸多边形。在导航星表中以凸多边形为储存单元,其内容为凸多边形的边和顶角。为此,设计了以导航星凸多边形和观测凸多边形之间距离最小为准则的识别算法。针对星光制导的导弹观星时间很短,提出了根据弹道生成弹上导航星表的方法,其导航星表只需存储30颗星的75个凸多边形。仿真结果表明:在任意视场中,基于凸多边形的星图识别成功率高于99%,并具有较强的鲁棒性。     

三视场天文导航视场间星图识别的导航星选取

研究了三视场天文导航视场间导航星的选取方法,以提高其视场间星图识别的效率,减小识别特征数据库规模。根据三视场天文导航星图识别的特点,分析了导航视场间导航星数目对视场间三角形星图识别的影响。考虑视场间三角形星图识别的需求,给出了任意视场至少包含1颗导航星和亮星优先选取的视场间导航星选取准则。然后,遵从上述准则提出了一种基于星等优先的一阶自组织导航星选取算法。利用提出的算法制备了视场间导航星星库,并对该导航星星库的性能进行了仿真分析和外场实验。实验结果表明:使用该算法制备的导航星星库规模较星等阈值过滤方法制备的星库规模降低了53.91%,且库中导航星分布均匀,符合视场间导航星的要求。     

高精度亚像素显示技术动态天体模拟器

为了解决常规姿态敏感器非在轨标定设备实测结果与设计精度存在偏差、且缺乏模拟目标天体特征功能的实际问题,本文提出一种利用多棱镜结合的LCOS光学拼接方式与亚像素显示技术相结合的高精度动态天体模拟器设计方法,实现对星点位置以及目标天体特征的精确模拟。详细论述了传统LCOS拼接形式两片光阀对比度低的原因,提出了基于两片PBS和两片半反半透镜的拼接架构改进方案;设计了小畸变、复消色差的高成像质量准直光学系统。重点阐述了亚像素显示技术的思想及方法,利用亚像素技术分别对动态星图和目标天体进行仿真并进行了实验测试。结果表明:模拟器的两片LCOS显示对比度相同,动态星图的星间角距误差小于±6″、星等模拟范围达到连续8个等级、星等模拟精度优于±0.3mV;可以提供目标天体特征模拟图片。高精度亚像素显示技术动态天体模拟器消除了LCOS显示对比度差异,达到了姿态敏感器识别特征点的准确性要求,基本可以满足敏感器非在轨精度标定与功能测试的要求。     

用于天文导航设备检测的星模拟装置

为实现对天文导航设备的实验室检测,设计了一种星模拟装置。对该装置所采用的准直光学系统、数字可调光源进行了研究,并提出了背景光模拟的技术要求。根据天文导航设备的主要技术要求给出星模拟装置的整体结构。介绍了消色差准直光学系统、数字可调光源和确定星点大小及位置的关键技术,并分析了背景光均匀性对星模拟效果的影响。最后,制作了星模拟装置,并进行了相关验证性实验。实验结果表明,该装置能模拟0～5等星,背景光均匀性为94.7%,系统焦距为1647mm,视场为28′,准直性优于±2″。该装置可以同时模拟星光和背景光变化,具有准直性好、背景光照度模拟范围宽等优点,能够满足天文导航设备的实验室检测要求。     

星空背景数字图像生成方法研究

随着空间监视相机灵敏度的提高,探测到的恒星星等越来越高,而现有基于星表数据的星空背景生成技术已难以满足要求。为了更好验证空间目标检测与跟踪算法,提出一种相机在回路的星空背景数字图像生成方法。该星空背景数字图像生成方法依据光度量与辐射度量的关系,提出恒星成像信号强度计算模型;通过星图软件SKYMAP,对天区内恒星数目及星等进行统计,得到相机观测视场内恒星数目与星等的统计函数;综合恒星成像信号强度计算模型、恒星数目及星等的统计函数与恒星在焦面的成像特性,提出基于全天区统计的星空背景数字图像生成方法。该方法可生成任何星等范围内的星空背景图像。最后,基于相机CCD与光学系统参数,对星空背景数字图像生成方法进行仿真。     

红外多目标复合仿真光学系统设计

基于透射式复合投影以及微透镜阵列扩束设计了适用于1~3 μm和3~5 μm波段的红外多目标复合模拟器的光学系统。该模拟器的干扰光路采用透射式复合投影并利用微透镜阵列完成扩束。此外,采用前无焦系统和后聚焦镜组结合的方式,通过在平行光路中引入平面耦合镜,实现了目标和干扰光路共用一套投影系统。设计过程对目标光学系统、干扰光学系统和主投影光学系统分开优化,之后对系统进行整体优化。该系统入瞳距为200 mm,视场为±4°,全视场调制传递函数（MTF）在20 lp/mm时大于0.6,接近衍射极限。文中分析了加工装调完成后光学系统的实测MTF数据,结果表明,MTF在20 lp/mm时大于0.3,完全满足应用技术指标。该系统已成功应用于新型红外目标模拟器,对未来红外仿真光学系统的设计有参考意义。     

星空背景数字图像的生成

提出了一种相机在回路的星空背景数字图像生成方法.依据光度量与辐射度量的关系,建立恒星成像信号强度模型,计算目标在焦面的成像强度.通过星图软件SKYMAP对天区内恒星数目及星等进行统计,拟合得到相机观测视场内恒星数目与星等的统计函数.使用该统计函数模拟相机视场内的恒星数目及其对应的星等.最后,基于成像信号强度模型、恒星数目及星等的统计函数以及恒星在焦面的成像特性,提出全天区统计的星空背景数字图像生成方法.基于具体的相机C与光学系统参数,对星空背景数字图像生成方法进行仿真验证.结果表明,该方法可生成较大星等(星等＞10)的星空背景图像,基本满足了现有空间目标检测与跟踪算法对星空背景数据的要求.     

宽光谱大相对孔径CCD星敏感器光学系统设计

星敏感器是目前航天器用于确定姿态的最先进的空间姿态敏感器之一。文中针对星敏感器的特点,设计了一种星敏感器光学系统。该光学系统焦距为52.5mm,F数为1.5,视场角为12。,光谱范围为480～850nm,选取复杂化的双高斯光学结构形式及选用特殊的玻璃配对。设计的光学系统在宽谱段范围内获得了较好的成像质量,在13.4μm直径范围内能量包围达到85%,在0.85视场内各色光相对主色光的倍率色差在爱里斑直径范围内,全视场畸变小于1%,能获得准确位置坐标的恒星图片,符合星敏感相机使用要求。     

大尺寸高精度星模拟器光机结构设计

针对常规星模拟器在高精度光学导航敏感器的标定中无法满足星间角距和高星等的高精度模拟等实际问题,提出1种新型的大口径、长焦距、高精度星模拟器设计方案,并对模拟器、转向反射镜、标准目标源等主要组成部分进行了详细的光机结构设计.根据模拟器透镜组件尺寸大、透镜多的特点,镜筒设计为筒套筒与内套筒统一固定的结构方式;为减少镜面变形,转向平面反射镜采用微应力设计;为实现5～10等星的模拟,标准目标源采用OLED面阵光源经光纤光导并配合高精度星点靶标的结构.通过实际检测,其星间角距精度σ≤1″,可精确模拟5～10等星,满足当前对高精度光学导航敏感器的标定技术指标要求.     

头盔显示器光学系统小型化设计

在满足设计指标和实际使用要求的基础上,在传统头盔显示器球面光学系统中引入非球面和自由曲面系统,校正系统像差,使头盔显示器光学系统更加简单和轻巧。应用Zemax软件,设计出了视场40°×30°;出瞳直径10mm;波长540～560nm;后截距大于3mm;分辨力33.3lp/mm空间频率处的调制传递函数(MTF)值大于0.1的离轴双通道头盔显示器光学系统。     

360°高阶非球面反射式全景镜头设计

为了简化系统配置、提高图像采集及处理效率,实现单一光学系统环视高清全景成像,依据折反射式光学系统的工作原理,设计了高阶非球面反射式360°全景镜头,并对光学结构和系统像质进行优化设计。该相机采用高阶非球面反射镜压缩视场角,将垂直光轴方向俯仰角从-55°到20°的环视目标光引入到系统,接着,在后续光路中利用玻璃透镜组对目标光进行接收,并使其聚焦于相机靶面,获得物体的环形全景图像。通过对系统像质的优化,得到高清的360°环视全景图像,并对光学系统的主要性能指标进行了分析。所设计的360°全景镜头采用1片高阶非球面反射镜和10片玻璃球面镜组成,系统的焦距为0.4mm,光圈数为2.2,俯仰角达到75°,像方全视场在150lp/mm处的光学传递函数值均大于0.3。该360°全景镜头采用单一光学系统成像,解决了传统拼接式全景镜头图像采集与图像处理效率低的问题,同时通过简化系统结构,使该产品符合成本低、可量产的要求。