CN102538785A - 一种具有杂光抑制的星敏感器遮光罩设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有杂光抑制的星敏感器遮光罩设计方法，本发明将对光学系统的杂光要求和遮光罩的杂光抑制要求分离，为遮光罩自身的杂光抑制能力提供设计依据；本发明在保证星敏感器光学系统口径和视场的情况下，根据星敏感器要探测的星等，计算其在星敏感器像面上的照度，分析计算星图识别算法所需的信噪比，根据该信噪比要求计算像面所要求的杂光照度，本发明可以单独开展遮光罩设计和仿真，设计和分析速度得到提高。

Description

一种具有杂光抑制的星敏感器遮光罩设计方法

技术领域

本发明涉及一种具有杂光抑制的星敏感器遮光罩设计方法，可以定量确定星敏感器遮光罩，属于星敏感器设计技术领域。

背景技术

星敏感器是卫星姿态控制系统的重要组成部分，可以为卫星提供姿态数据，修正控制系统的姿态偏差。星敏感器通过对天球中的恒星辐射来测定卫星相对于天球坐标系的三轴姿态，由于恒星张角很小，在天球中具有高精度的位置稳定性，这使得星敏感器具有高精度的潜力，现有的中等精度星敏感器姿态测量精度可以达到10″，高精度星敏感器精度可达到1″或更高，这使其逐渐成为卫星或导弹等空间飞行器中重要的姿态测量设备。

星敏感器敏感的恒星辐射为其高精度测量提供了基准，但恒星辐射一般较弱，空间环境中的杂散光会对星敏感器敏感的微弱星光形成干扰，降低系统的成像质量，严重时会淹没恒星光强，使星敏感器无法正常工作。为了降低空间环境杂光对星敏感器的影响，一般要为星敏感器光学系统加入合适的遮光罩系统，以抑制空间环境杂光。星敏感器的遮光罩也已成为保证其在轨正常工作的必备配置。

遮光罩内部一般由很多的挡光环和内壁组成，挡光环和内壁一般涂覆高杂光吸收率的材料。其作用在于使由视场外入射的杂光经遮光罩内壁和挡光环后，经过多次吸收和漫反射后，使入射的杂散光满足一定的杂光水平后进入光学系统，再经光学系统的衰减后到达星敏感器的探测器。现有的遮光罩设计多数采用与光学系统进行联合设计，以像面的杂光照度作为评价标准，无法对遮光罩自身的杂光抑制能力进行确定，从而导致无法对遮光罩的杂光抑制能力进行单独评价。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有杂光抑制的星敏感器遮光罩设计方法，提高了星敏感器遮光罩设计的速度。

本发明的技术解决方案是：一种具有杂光抑制的星敏感器遮光罩设计方法，步骤如下：

(1)根据恒星亮度等级计算公式计算待探测恒星在星敏感器光学系统入瞳处的辐照度H_Star；

(2)根据星敏感器光学系统的入瞳直径D_rt、待探测恒星在星敏感器探测器上的弥散斑直径D_xd和星敏感器光学系统的透过率η得到待探测恒星在星敏感器探测器上的辐照度H_{Star_IMG}，其中 $H_{\mathrm{Star}\_\mathrm{IMG}}=H_{\mathrm{Star}}\·\frac{\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{rt}}^2\·\mathrm{\η}}{\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{xd}}^2}=H_{\mathrm{Star}}\·\frac{D_{\mathrm{rt}}^2\·\mathrm{\η}}{D_{\mathrm{xd}}^2};$

(3)确定星敏感器恒星辐照度与杂光辐照度的信噪比为ε，ε≥5，则杂光在星敏感器探测器上的辐照度H_{Stray_Light}满足

(4)根据杂光在星敏感器探测器上的辐照度H_{Stray_Light}计算星敏感器光学系统出口的杂光辐射通量φ_{Stray_Light}，其中 ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Stray}\_\mathrm{Light}}=H_{\mathrm{Stray}\_\mathrm{Light}}\×\frac{\mathrm{\π}\·D_{\mathrm{ct}}^2}{4},$ D_ct为星敏感器光学系统的出瞳直径；

(5)利用光学系统杂光系数测试仪测量星敏感器光学系统的杂光系数ρ，根据星敏感器光学系统出口的杂光辐射通量φ_{Stray_Light}得到星敏感器遮光罩出口的杂光辐射通量φ_{Baffle_out}，其中

(6)利用星敏感器遮光罩出口的杂光辐射通量φ_{Baffle_out}计算得到星敏感器遮光罩出口处的杂光辐照度H_{baffle_out}，其中

将星敏感器遮光罩出口处的杂光辐照度H_{baffle_out}作为设计依据进行星敏感器遮光罩设计。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明将对光学系统的杂光要求和遮光罩的杂光抑制要求分离，为遮光罩自身的杂光抑制能力提供设计依据；

(2)本发明在保证星敏感器光学系统口径和视场的情况下，根据星敏感器要探测的星等，计算其在星敏感器像面上的照度，分析计算星图识别算法所需的信噪比，根据该信噪比要求计算像面所要求的杂光照度，本发明可以单独开展遮光罩设计和仿真，设计和分析速度得到提高。

附图说明

图1为本发明的实现流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，本发明实现步骤如下：

(1)根据恒星亮度等级计算公式计算待探测恒星在星敏感器光学系统入瞳处的辐照度H_star；

(2)根据星敏感器光学系统的入瞳直径D_rt、待探测恒星在星敏感器探测器上的弥散斑直径D_xd和星敏感器光学系统的透过率η得到待探测恒星在星敏感器探测器上的辐照度H_{Star_IMG}，其中 $H_{\mathrm{Star}\_\mathrm{IMG}}=H_{\mathrm{Star}}\·\frac{\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{rt}}^2\·\mathrm{\η}}{\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{xd}}^2}=H_{\mathrm{Star}}\·\frac{D_{\mathrm{rt}}^2\·\mathrm{\η}}{D_{\mathrm{xd}}^2};$

(3)确定星敏感器恒星辐照度与杂光辐照度的信噪比为ε，ε≥5，则杂光在星敏感器探测器上的辐照度H_{Stray_Light}满足

(4)根据杂光在星敏感器探测器上的辐照度H_{Stray_Light}计算星敏感器光学系统出口的杂光辐射通量φ_{Stray_Light}，其中 ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Stray}\_\mathrm{Light}}=H_{\mathrm{Stray}\_\mathrm{Light}}\×\frac{\mathrm{\π}\·D_{\mathrm{ct}}^2}{4},$ D_ct为星敏感器光学系统的出瞳直径；

(5)利用光学系统杂光系数测试仪测量星敏感器光学系统的杂光系数ρ，根据星敏感器光学系统出口的杂光辐射通量φ_{Stray_Light}得到星敏感器遮光罩出口的杂光辐射通量φ_{Baffle_out}，其中

(6)利用星敏感器遮光罩出口的杂光辐射通量φ_{Baffle_out}计算得到星敏感器遮光罩出口处的杂光辐照度H_{baffle_out}，其中

将星敏感器遮光罩出口处的杂光辐照度H_{baffle_out}作为设计依据进行星敏感器遮光罩设计。

例如：

H_5.5Mv在400～1100nm谱段的辐射度为1.126×10^-10W/m²；光学系统入瞳尺寸D_rt：35.5mm；光学系统出瞳尺寸D_ct：22.7mm；光学系统透过率η：70％；按最坏情况取星点弥散斑直径D_xd＝48um。

+5.5等星进入到APS探测器表面的能量密度为：

$H_{\mathrm{APS}\_5.5\mathrm{Mv}}=H_{5.5\mathrm{Mv}}\·\frac{\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{rt}}^2\·\mathrm{\η}}{\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{xd}}^2}=1.126\×{10}^{-10}\×\frac{{35.5}^2}{{0.048}^2}\×0.7=4.319\×{10}^{-5}W/m^2$

星敏感器能正常提取星点必须保证星图信噪比≥5，因此噪声能量密度：

$H_{\mathrm{APS}\_\mathrm{noise}}\≤\frac{1}{5}{H}_{\mathrm{APS}\_5.5\mathrm{Mv}}=8.638\×{10}^{-6}W/m^2$

镜头出口噪声光通量：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{APS}}=H_{\mathrm{APS}\_\mathrm{noise}}\×\frac{\mathrm{\π}\·D_{\mathrm{ct}}^2}{4}=8.638\×{10}^{-6}\×\frac{\mathrm{\π}\×{\left(0.0227\right)}^2}{4}=3.496\×{10}^{-9}W$

因光学系统杂散光系数为4％，遮光罩出口直径为53mm，可得遮光罩出口光通量：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{out}}=\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{APS}}}{4\%}\×\frac{{53}^2}{{46.28}^2}=3.496\×{10}^{-9}\×25\×1.31149=1.146\×{10}^{-7}W$

光学系统杂散光系数为4％，此时遮光罩出口最大噪声能量密度：

$H_{\mathrm{baffle}\_\mathrm{out}}=\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{out}}}{\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{0.053}^2}=\frac{1.146\×{10}^{-7}}{2.206\×{10}^{-3}}=5.194\×{10}^{-5}W/m^2$

如考虑系统加入10倍的设计余量，则遮光罩出口处的最大噪声能量密度应不高于5.194e-6W/m²。

遮光罩出口照度可以作为遮光罩的设计依据，在保证星敏感器光学系统口径和视场的情况下，可以单独开展遮光罩设计和仿真，使遮光罩的设计和分析速度得到提高，在实际工程应用中具有较强的应用价值。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种具有杂光抑制的星敏感器遮光罩设计方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据恒星亮度等级计算公式计算待探测恒星在星敏感器光学系统入瞳处的辐照度H_Star；

(2)根据星敏感器光学系统的入瞳直径D_rt、待探测恒星在星敏感器探测器上的弥散斑直径D_xd和星敏感器光学系统的透过率η得到待探测恒星在星敏感器探测器上的辐照度H_{Star_IMG}，其中 $H_{\mathrm{Star}\_\mathrm{IMG}}=H_{\mathrm{Star}}\·\frac{\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{rt}}^2\·\mathrm{\η}}{\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{xd}}^2}=H_{\mathrm{Star}}\·\frac{D_{\mathrm{rt}}^2\·\mathrm{\η}}{D_{\mathrm{xd}}^2};$

(3)确定星敏感器恒星辐照度与杂光辐照度的信噪比为ε，ε≥5，则杂光在星敏感器探测器上的辐照度H_{Stray_Light}满足

(4)根据杂光在星敏感器探测器上的辐照度H_{Stray_Light}计算星敏感器光学系统出口的杂光辐射通量φ_{Stray_Light}，其中 ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Stray}\_\mathrm{Light}}=H_{\mathrm{Stray}\_\mathrm{Light}}\×\frac{\mathrm{\π}\·D_{\mathrm{ct}}^2}{4},$ D_ct为星敏感器光学系统的出瞳直径；

(5)利用光学系统杂光系数测试仪测量星敏感器光学系统的杂光系数ρ，根据星敏感器光学系统出口的杂光辐射通量φ_{Strat_Light}得到星敏感器遮光罩出口的杂光辐射通量φ_{Baffle_out}，其中

(6)利用星敏感器遮光罩出口的杂光辐射通量φ_{Baffle_out}计算得到星敏感器遮光罩出口处的杂光辐照度H_{baffle_out}，其中

将星敏感器遮光罩出口处的杂光辐照度H_{baffle_out}作为设计依据进行星敏感器遮光罩设计。

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