大相对孔径甚高精度星敏感器光学系统设计

甚高精度星敏感器是目前精度最高的姿态敏感器。结合星敏感器系统探测要求计算出光学系统参数,在Code V平台上实现了具有良好像质的大相对孔径星敏感器光学系统。系统焦距为90 mm,相对孔径为1/1.5,视场角为7°,光谱范围为0.45～0.85μm。系统中高次非球面的使用提高了像质,满足了对弥散斑、能量集中度、畸变、垂轴色差等像差的特殊要求。光学系统总长仅为90.36 mm,符合实际工程小型化、轻量化的需求。同时,光学系统在要求温度范围内性能稳定,消热差和抗离焦效果良好。     

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。     

采用扩展外部编程方法优化设计APS星敏感器光学系统

星敏感器是目前精度最高的姿态测量仪器,光学系统是其重要的组成部分.首先介绍星敏感器的工作原理.讨论星图识别过程中星像位置提取算法和星图识别算法.剖析光学系统的像差校正、成像特性要求.基于特殊的像质要求,兼顾优化速度,提出运用ZEMAX扩展外部编程以约束光线的优化设计方案.通过编写外部约束条件程序,使用动态数据交换技术实现外部程序和ZEMAX软件的通信,达到星敏感器光学系统的优化设计的目的.然后针对设计指标焦距f=43.56 mm,入瞳直径D=27.3 mm,全视场角为20°的APS星敏感器光学系统,采用该方案优化设计.得到的星敏感器光学系统,所有光学面都是球面,材料选用普通玻璃,具有像方远心的特点,系统成像质量满足星图识别要求.仿真表明:运用ZEMAX扩展外部编程优化设计星敏感器光学系统的方案快速有效.     

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。     

机载全天时星敏感器参数设计及实验

为了提供机载全天时星敏感器参数设计方法,从光电探测信噪比公式出发,结合Modtran软件中天空亮度数据,推导了适用于星体目标探测的信噪比计算公式,并以探测3.5等、4等、4.5等星为例,重点研究了通光口径、系统F数、曝光时间与探测信噪比之间的变化规律,并给出机载全天时星敏感器相应参数的设计方法。为验证设计方法的正确性,设计了地面原理实验,选择以北极星（视星等2.02等）为探测目标,设计了通光口径83 mm、焦距1 500 mm的全天时星敏感器原理样机,通过地面观测实验,在天空辐射最强时刻对北极星的探测信噪比为6.84 dB,满足理论计算的6 dB指标需求,验证了设计方法的正确性。     

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:...     

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。     

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。     

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。     

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。     

星敏感器光学系统设计及杂散光抑制技术研究

在星敏感器实际应用中,光学系统杂散光的存在会引起星点模糊或者被遮挡。文中根据星敏感器对口径、视场、光谱范围和探测能力的要求,采用Code V软件完成了星敏感器光学系统的设计,最终设计参数为口径15 mm、视场18°、光谱范围400~750 nm、探测能力5等星,并利用CAD画图软件设计了锥形结构遮光罩,遮光罩叶片视场边界为19°,共9片挡光环,最前端面距离窗口玻璃190.76 mm,最前端面口径108.76 mm,太阳规避角25°,同时利用ASAP软件分析了光学系统对杂散光的抑制能力,根据杂散光评价指标点源透射比(PST),在25°太阳规避角时,系统满足5等星探测能力需求,验证了杂散光分析方法、分析模型的正确性。     

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。     

空间高分辨率光学系统几何畸变标定技术

遥感相机光学系统畸变系数作为影响相机在轨成像质量的关键因素,其检测精度一直以来都是遥感相机研制过程中的核心环节。传统的测角法主要依靠高精度二维转台,实现了光学系统视场角与像高之间的精准对应,该方法对测试设备和测试环境要求苛刻。随着相机焦距、口径和体积的增大,对于转台设备的尺寸与测量精度也日渐提升,单纯依靠提升测试设备性能无法满足后续各类高性能遥感相机的研制需求,尤其对于垂直装调类超大口径空间高分辨率光学系统,该方法不可行。在传统精密测角法的基础上,提出一种基于干涉原理的空间高分辨率光学系统几何畸变标定技术,相比于传统的精密测角法,该方法在同等测试精度的基础上,具备更广泛的适用性,其不再受限于测试设备的尺寸与精度限制,可同时满足各种类型遥感相机的畸变测试需求。文中详细介绍了该畸变测试方的基本原理、测试方法与误差链路,并对该畸变测试方法进行了应用验证,将结果与传统畸变测试方法进行对照,表明该方法的测试精度满足遥感相机的研制要求且适用范围更广,对航天长焦距大口径遥感相机研制及畸变测试有参考借鉴意义。     

小型CMOS图像传感器星点成像性能分析

精细导星仪(FGS)是空间天文望远镜精密稳像系统高精度姿态信息的快速检测装置,CMOS图像传感器的成像效果直接影响精细导星仪姿态信息的解算精度.而实际工作时,CMOS成像器件存在最佳的读出范围,超出此范围的入射光强与光生电子数的线性度低,无法获取有效星点来满足后级的质心坐标解算.为解决这一问题,提出一种估算不同星等最佳积分时间的方法,并将积分时间作为探测器参数选择与调整的主要依据.测量结果表明,像元暗电流的读出码值和探测器面阵RMS噪声值均随积分时间的增加而增加.依据星点光斑分布模型给出常用星等的最佳积分时间范围,结合星点的分布情况,得出7等星在视场范围内的星数约为7颗,论证了小型CMOS器件对星斑的探测能力.     

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。     

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。     

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。