CN104655045B - 一种星敏感器光学系统弥散斑圆度的定量分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星敏感器光学镜头星点弥散斑圆度的定量分析方法，包括a)获取星敏感器光学镜头工作面上的弥散斑能量分布图；b)根据弥散斑能量分布图计算弥散斑的总能量；c)计算包含总能量的弥散斑质心点位置；d)在弥散斑能量分布图上做闭合的能量等高线，计算弥散斑的圆度误差等步骤。该方法既符合星敏感器图像处理的思路，又能有效反映星敏感器光学系统像差的分布，可用于星敏感器光学系统设计结果的定量评价及性能指标检测，具有原理简单、思路清晰，操作性强的优点。

Description

一种星敏感器光学系统弥散斑圆度的定量分析方法

技术领域

本发明涉及一种星敏感器光学系统弥散斑圆度的分析方法。

背景技术

星敏感器主要用于恒星定位和飞行器空间姿态确认，其原理为瞬时视场内的星体发出的光经过光学系统成像在星敏感器接收靶面上，再通过图像处理与星表拟合及相应的软件算法，得到飞行器的惯性坐标和瞬时姿态。光学系统是星敏感器的核心部件，直接影响星敏感器的性能精度。星敏感器光学系统与一般成像物镜的要求不同，要求星点像的弥散斑具有良好的圆度，有利于后期图像处理计算弥散斑能量质心位置。

文献折反射式大入瞳星敏感器光学系统，吕博、刘伟奇、张大亮等，《中国激光》第41卷，第7期，2014年7月，0716002-2；星敏感器光学系统的研制与性能测试，李璟，杨宝喜，《光学学报》第33卷，第5期，2013年5月，0522005-2；含有非球面的宽波段大相对孔径星敏感器光学系统设计，巩盾，田铁印，王红，《光学学报》第33卷，第8期，2013年8月，0822001-4中都提到了对星敏感器光学系统弥散斑的圆度定性要求，但最终设计结果评价时，未有圆度指标的定量核算。

圆度本为长度计量技术中的专业术语，表述了实际圆相对于理想圆的偏差。

星敏感器光学系统弥散斑的形状及能量分布能够有效反映其像差的校正情况。现有文献中，对影响弥散斑圆度的光学系统单项像差，比如慧差、倍率色差、象散等有定量要求，且可通过仿真软件的设计曲线直观得到其误差值的大小。一般通过光学系统点列图和能量集中度曲线反映弥散斑的形状和能量分布情况，点列图只能定性反映弥散斑的形状，能量集中度曲线只反映了弥散斑的能量分布。圆度指标综合性地反映了弥散斑的能量分布和形状指标，现有文献中对圆度指标没有定量要求，也未见明确计算方法的报道。这对星敏感器光学系统的综合评价是个缺陷。

发明内容

为解决现有弥散斑圆度缺少定量分析方法的技术问题，本发明提供了一种星敏感器弥散斑圆度的定量分析方法，使得此项指标定量可控，给星敏感器光学镜头的设计及检测提供依据。

本发明的技术解决方案是：

一种星敏感器光学镜头星点弥散斑圆度的定量分析方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

a)获取星敏感器光学镜头工作面上的弥散斑能量分布图；

b)根据弥散斑能量分布图计算弥散斑的总能量；

c)计算包含总能量的弥散斑质心点位置；

d)在弥散斑能量分布图上做闭合的能量等高线；

e)过质心点在等高线上取两个方向的线量X和Y，设X大于Y，按照公式(1)计算弥散斑的圆度误差。

圆度误差＝((X-Y)/Y)×100％……………………(1)。

基于以上基本方案，本发明还做出以下改进：

在步骤a)与b)之间还包括对步骤a)所获取的弥散斑能量分布图进行去噪处理的步骤；b)和c)中的弥散斑能量分布图为去噪处理后的弥散斑能量分布图。

步骤d)中闭合的能量等高线内光能量占总能量比值大于等于80％。

步骤e)所选取的两个方向的线量X和Y为两个正交方向的线量。

步骤e)所选取的两个方向的线量分别为最大线量和最小线量。

当最大线量和最小线量不垂直时，分别求出最大线量、最小线量各自的正交线量，再按照公式1分别求出弥散斑的圆度误差，选择较大的结果作为弥散斑最终圆度指标。

当最大线量和最小线量不垂直时，在d)步骤中将闭合的等高线做椭圆化处理，根据椭圆的长轴和短轴计算弥散斑圆度。

本发明与现有技术相比，优点是：

本发明将长度计量技术中的圆度评价方法拓展到了星敏感器应用领域，且结合星敏感器实际使用特点，提出了适用于星敏感器光学系统的弥散斑圆度评价方法。这种方法的特点有两点：其一做弥散斑能量的等高线，其二以弥散斑能量质心为计算参考点。这种方法既符合星敏感器图像处理的思路，又能有效反映星敏感器光学系统像差的分布，可用于星敏感器光学系统设计结果的定量评价及性能指标检测，具有原理简单、思路清晰，操作性强的优点。

附图说明

图1为星敏感器光学系统弥散斑圆度定量计算方法的技术路线；

图2.1圆度评价过程中弥散斑的原始图像；

图2.2为对弥散斑的原始图像降噪处理后的图像；

图2.3弥散斑质心点位置示意图；

图2.4为闭合的能量等高线示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

图1所示为本发明星敏感器光学系统弥散斑圆度定量计算方法的技术路线的流程图，星敏感器光学系统弥散斑圆度的定量分析方法包括以下步骤：

a)获取星敏感器光学镜头工作面上的弥散斑能量图，弥散斑能量图见附图2.1，光学系统的工作面定义为光学系统的某一离焦面，此离焦面上的弥散斑大小和能量分布满足星敏感器系统的测量要求，若探测器不处于光学系统的工作面，所获得的弥散斑能量分布是无效的，不能满足星敏感器能量要求。

b)对能量图做去噪处理，去除接收器噪声的影响。去噪处理之后的弥散斑能量作为总能量，去噪处理后的弥散斑能量图见附图2.2，去噪处理既要能去除探测器暗噪声影响，又要能保证弥散斑能量分布不失真，去噪处理的技术措施依据星敏感器系统的要求和接收器噪声水平来确定；

c)计算去噪后的弥散斑能量图的能量质心位置，要考虑质心点求取算法的精度，以保证最终圆度计算的精度，标注在图中见附图2.3；

d)做弥散斑的闭合能量等高线，见附图2.4。此发明在笔者实际应用中，闭合等高线所包含的能量占总能量的80％，此比例主要与星敏感器的系统要求相关，可根据实际系统来确定；

e)在能量等高线上过质心点取正交两个方向的线量，根据公式1计算弥散斑的圆度。此步骤在实际应用中，会出现过质心点与等高线相交的最大和最小线量不正交的情况。笔者在实际应用中，先找到过质心点与等高线相交的最大、最小线量位置，判断若两者正交，则直接按照公式1计算弥散斑圆度；若两者不正交，分别求出最大、最小线量的各自正交线量，再按照公式1求出弥散斑的圆度误差，选择较大的结果作为弥散斑最终圆度评价指标。此步骤也可根据实际需要，在d)步骤中将闭合的等高线做椭圆化处理，根据椭圆的长轴和短轴计算弥散斑圆度。此处，存在两个误差点，一为对闭合等高线做椭圆化处理的拟合误差；另一误差为椭圆形心与弥散斑质心点之间的位置误差。笔者在实际应用中，比较了两种方法的结果，最大相差3％。若对弥散斑圆度误差要求较低，可参照椭圆化的处理方法，此方法简单。但若精度要求高，还是求出最大、最小线量的正交线量，再进行计算，能更加准确反映弥散斑的圆度指标。

Claims (7)

1.一种星敏感器光学镜头星点弥散斑圆度的定量分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)获取星敏感器光学镜头工作面上的弥散斑能量分布图；

b)根据弥散斑能量分布图计算弥散斑的总能量；

c)计算包含总能量的弥散斑质心点位置；

d)在弥散斑能量分布图上做闭合的能量等高线；

e)过质心点在等高线上取两个方向的线量X和Y，设X大于Y，按照公式(1)计算弥散斑的圆度误差；

圆度误差＝((X-Y)/Y)×100％……………………(1)。

2.根据权利要求1所述的星敏感器光学镜头星点弥散斑圆度的定量分析方法，其特征在于：

在步骤a)与b)之间还包括对步骤a)所获取的弥散斑能量分布图进行去噪处理的步骤；

所述b)和c)中的弥散斑能量分布图为去噪处理后的弥散斑能量分布图。

3.根据权利要求1或2所述的星敏感器光学镜头星点弥散斑圆度的定量分析方法，其特征在于：

步骤d)中闭合的能量等高线内光能量占总能量比值大于等于80％。

4.根据权利要求1或2所述的星敏感器光学镜头星点弥散斑圆度的定量分析方法，其特征在于：

步骤e)所选取的两个方向的线量X和Y为两个正交方向的线量。

5.根据权利要求4所述的星敏感器光学镜头星点弥散斑圆度的定量分析方法，其特征在于：

步骤e)所选取的两个方向的线量分别为最大线量和最小线量。

6.根据权利要求5所述的星敏感器光学镜头星点弥散斑圆度的定量分析方法，其特征在于：

当最大线量和最小线量不垂直时，分别求出最大线量、最小线量各自的正交线量，再按照公式(1)分别求出弥散斑的圆度误差，选择较大的结果作为弥散斑最终圆度指标。

7.根据权利要求5所述的星敏感器光学镜头星点弥散斑圆度的定量分析方法，其特征在于：

当最大线量和最小线量不垂直时，在d)步骤中将闭合的等高线做椭圆化处理，根据椭圆的长轴和短轴计算弥散斑圆度。