CN109000637A - 一种星敏感器遮光罩设计方法及星敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种星敏感器遮光罩设计方法和星敏感器，包括：确定星敏感器的地气光抑制角，并通过星敏感器镜头对大于镜头半视场角的不同入射角度平行光成像，对成像灰度值进行分析得到星敏感器镜头的镜头杂散光抑制角；基于实际图像探测器参数、所述镜头杂散光抑制角和所述地气光抑制角得到遮光罩半视场角，并基于星敏感器镜头通光口径、遮光罩半视场角和地气光抑制角得到遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径。可以有效解决由于不合理的遮光罩设计引起的星敏感器图像探测器部分成像区域高亮影响星点提取这一问题，同时为星敏感器遮光罩视场角设计提供充分依据。

Description

一种星敏感器遮光罩设计方法及星敏感器

技术领域

本发明涉及高对比度光学成像系统杂散光抑制领域，更具体地，涉及一种星敏感器遮光罩设计方法和星敏感器。

背景技术

星敏感器作为一种高精度、高可靠性姿态敏感测量器件，在当前航天飞行器中得到了广泛应用。星敏感器主要原理是：利用恒星位置相对于惯性空间基本不动的规律，通过对一个天区的恒星光电成像获取星图，再对星图进行处理和识别得到测量敏感器光轴在惯性空间指向，经过星敏感器在航天器安装坐标系与航天器姿态坐标系的转换即可得到航天器的三轴姿态；与其它姿态敏感器相比，星敏感器以恒星作为姿态测量参考基准，可以输出极高精度的绝对姿态信息并广泛应用于空间飞行器。然而，在轨运行工作中，星敏感器除了能接收到目标星的能量外，还会受到地球大气层反射光、太阳光以及各种星体发出的光等杂散辐射的干扰。杂散光进入星敏感器视场，使得背景噪声提高，严重时甚至会使目标图像或信号完全被杂光噪声所淹没，对星敏感器星点提取的准确性与可靠性带来较大的影响。而且，由于空间飞行器任务多样化及空间杂散光分布相对复杂，星敏感器微弱星光成像易受来自空间及自身等强杂散光的影响，使其成像质量下降、信噪比降低，甚至使星敏感器失效。

对于星敏感器而言，由于其所需探测的星光极其微弱，大约为太阳光照度的1/10⁹，因此，来自空间的非成像光源，如太阳光、地气光以及航天器本身反照光会严重影响其成像质量。为抑制杂散光对星敏感器的影响，有许多方法被提出并得到广泛应用，如采用多级光阑遮光罩使杂散光经多次散射后到达成像面，涂覆高吸光率黑色材料于结构表面降低进入系统的杂散光能量，优化星点提取算法，优化星敏感器安装指向等方法等。在遮光罩设计方面，为提高其杂散光抑制率，同样有许多方法被提出并得到应用，如采用二级或三级遮光罩、优化光阑倾角以及光阑尖端倒角、对于特殊轨道特定应用采用非对称遮光罩、程序化遮光罩及光阑设计等。但未涉及与光学系统一体化设计，即在设计星敏感器遮光罩时，需分析星敏感器镜头杂散光抑制性能、图像探测器参数与遮光罩设计之间的关系。由于星敏感器遮光罩结构参数设计不仅与镜头口径、视场角以及杂散光抑制角等参数有关，同时与光学镜头杂散光抑制性能、图像探测器紧密相关，在未考虑上述条件的情况下，不合理的遮光罩设计将会导致图像探测器部分区域高亮成像，严重影响星敏感器星点提取质量。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种星敏感器遮光罩设计方法和星敏感器，在分析星敏感器镜头杂散光抑制性能及图像探测器参数的基础上，解决了现有技术中没有涉及星敏感器遮光罩与光学系统一体化设计，导致图像探测器部分区域高亮成像，严重影响星敏感器星点提取质量的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种星敏感器遮光罩设计方法，包括：

确定星敏感器的地气光抑制角，并通过星敏感器镜头对大于镜头半视场角的不同入射角度平行光成像，对成像灰度值进行分析得到星敏感器镜头的镜头杂散光抑制角；

基于图像探测器参数、所述镜头杂散光抑制角和所述地气光抑制角得到遮光罩半视场角，并基于星敏感器镜头通光口径、遮光罩半视场角和地气光抑制角得到遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径。

作为优选的，通过星敏感器镜头对大于镜头半视场角的不同入射角度平行光成像，具体包括：

将未装配遮光罩的星敏感器安装在转台上，采用平行光管在大于星敏感器镜头半视场角下向星敏感器发出不同角度的平行光，进行星敏感器成像。

作为优选的，确定星敏感器的地气光抑制角后，还包括：

确定星敏感器的镜头参数及图像探测器参数，包括镜头视场角、镜头通光口径、图像探测器尺寸和图像探测器各轴向视场角。

作为优选的，对成像灰度值进行分析得到星敏感器镜头的镜头杂散光抑制角，具体包括：

获取星敏感器镜头对不同入射角度平行光成像的灰度值，获取成像像面灰度值与背景噪声灰度值差值在设定阈值内，且未有局部杂散光高亮的成像对应的平行光角度，并将该角度作为镜头杂散光抑制角。

作为优选的，基于实际图像探测器参数、所述镜头杂散光抑制角和所述地气光抑制角得到遮光罩半视场角具体包括：

将所述地气光抑制角作为最大限制角度、所述镜头杂散光抑制角作为最小限制角度，进行遮光罩半视场角设计。

作为优选的，并基于星敏感器镜头通光口径、遮光罩半视场角和地气光抑制角得到遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径，具体包括：

基于星敏感器镜头通光口径、星敏感器镜头与遮光罩出光端口径光阑的间距，得到遮光罩出光端通光口径；

基于遮光罩出光端通光口径、遮光罩半视场角和地气光抑制角得到遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径。

作为优选的，遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径分别为：

D＝d+2×L×tanθ

式中，L为遮光罩长度，d为遮光罩出光端通光口径，ψ为地气光抑制角，θ为遮光罩半视场角，D为遮光罩入光端通光口径。

作为优选的，得到遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径后，还包括：

在所述遮光罩内部设置多个倾斜光阑或多个垂直光阑；

所述遮光罩沿中心轴做截面时，遮光罩一侧倾斜光阑的延长线均经过遮光罩另一侧遮光罩入光端的通光口端点。

一种星敏感器遮光罩，所述遮光罩由上述星敏感器遮光罩设计方法制得。

一种星敏感器，包括星敏感器，还包括上述的星敏感器遮光罩。

本发明提出一种星敏感器遮光罩设计方法及星敏感器，在分析星敏感器镜头杂散光抑制性能及图像探测器参数的基础上，确定遮光罩半视场角，然后进行遮光罩结构设计；可以有效解决由于不合理的遮光罩设计引起的星敏感器图像探测器部分成像区域高亮影响星点提取这一问题，同时为星敏感器遮光罩视场角设计提供充分依据。

附图说明

图1为根据本发明实施例的星敏感器遮光罩设计方法示意图；

图2为根据本发明实施例的不同入射角镜头成像灰度值变化示意图；

图3为根据本发明实施例的7°光线入射角镜头杂散光成像灰度图；

图4为根据本发明实施例的9°光线入射角镜头杂散光成像灰度图；

图5为根据本发明实施例的11°光线入射角镜头杂散光成像灰度图；

图6为根据本发明实施例的9°光线入射角镜头杂散光实际成像示意图；

图7为根据本发明实施例的大于遮光罩半视场角散射光通过遮光罩出口示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，图中示出了一种星敏感器遮光罩设计方法，包括：

确定星敏感器的地气光抑制角，并通过星敏感器镜头对大于镜头半视场角的不同入射角度平行光成像，对成像灰度值进行分析得到星敏感器镜头的镜头杂散光抑制角；

基于图像探测器参数、所述镜头杂散光抑制角和所述地气光抑制角得到遮光罩半视场角，并基于星敏感器镜头通光口径、遮光罩半视场角和地气光抑制角得到遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径。

因此，在本实施例中，遮光罩必须满足两个条件：一个是遮光罩不能遮挡视场内正常成像光线，另一个是不能让视场外光源直接入射到星敏感器镜头上。

具体的，在本实施例中，通过星敏感器镜头对大于镜头半视场角的不同入射角度平行光成像，具体包括：

将未装配遮光罩的星敏感器安装在转台上，采用平行光管在大于星敏感器镜头半视场角条件下向星敏感器发出不同角度的平行光，进行星敏感器成像。

本实施例星敏感器地气光抑制角为23.5°、镜头半视场角为7.5°，镜头通光口径为12.5mm，图像探测器为1024×1280像素CMOS图像传感器、单位像素尺寸为5.3μm×5.3μm，星敏感器视场为12°×15°、对角线最大视场约为19°。

为分析星敏感器光学镜头杂散光抑制性能，在洁净暗室环境中，将未装配遮光罩的星敏感器安装在转台上，通过旋转转台接收不同入射角由平行光管发出的平行光，并通过提取不同入射角星敏感器成像灰度值分析镜头杂散光抑制性能。

由于所测试星敏感器镜头半视场角为7.5°，为分析在不同光线入射角条件下，图像探测器像面杂散光能量大小及分布变化，对在7°～20°入射光线照射下星敏感器成像进行采集，不同入射角镜头成像灰度值变化情况如图2所示，部分光线入射角度成像灰度值分布如图3～5所示。

具体的，在本实施例中，确定星敏感器的地气光抑制角后，还包括：

确定星敏感器的镜头参数及图像探测器参数，包括镜头视场角、镜头通光口径、图像探测器尺寸和图像探测器各轴向视场角。

具体的，在本实施例中，对成像灰度值进行分析得到星敏感器镜头的镜头杂散光抑制角，具体包括：

获取星敏感器镜头对不同入射角度平行光成像的灰度值，获取成像像面灰度值与背景噪声灰度值差值在设定阈值内，且未有局部杂散光高亮成像对应的平行光角度，并将该角度作为镜头杂散光抑制角。

本实施例采集图像为8位图，因此其最大灰度值为256。由图2可知，对于上述镜头，当光线入射角大于星敏感器半视场角7.5°时，镜头杂散光在像面成像。由于不同入射角镜头杂散光成像平均每像素灰度值变化区间小于0.5个灰度值，因此该镜头具有较好的杂散光抑制性能。同时，当光线入射角大于9°时，由镜头引起的杂散光在整个像面得到有效抑制，图3～5中部分像素高灰度值现象是由探测器本身噪声引起，与杂散光无关。因此，该镜头杂散光抑制角度为9°，该入射角镜头杂散光实际成像如图6所示。

极限星等：望远镜所能看到最暗的星等称为极限星等，极限星等是星敏感器的一个重要指标，极限星等越高，星光越弱，为满足信噪比需求，要求光学镜头的入瞳直径越大，杂散光抑制性能越高，导致镜头体积越大，遮光罩越长；极限星等越低，星光越强，可采用入瞳直径较小的镜头，但可用导航星的星数越少，为使视场内有足够数量的导航星，需更大的视场角，当视场角接近于杂散光抑制角(允许杂光入射的最小角度)，遮光罩体积将极速增大，不利于星敏感器的小型化设计。

具体的，在本实施例中，基于所述镜头杂散光抑制角和所述地气光抑制角得到遮光罩半视场角具体包括：

将所述地气光抑制角作为最大限制角度、所述镜头杂散光抑制角作为最小限制角度，进行遮光罩半视场角设计，在星敏感器遮光罩其它参数相同的条件下，遮光罩视场角与光学镜头视场角差值越小，其杂散光抑制性能越强，同时较小的遮光罩视场角有利于遮光罩小型化设计，根据星敏感器遮光罩结构设计，当遮光罩视场角一定的情况下，对于遮光罩内杂散光，如图7所示，只有大于遮光罩半视场角的杂散光才能进入镜头，小于半视场角的杂散光无法进入镜头。

在本实施例中，镜头杂散光抑制角度为9°，因此遮光罩半视场角设计应大于或等于9°。由于图像探测器对角线视场为19°，因此对角线半视场角为9.5°，为避免杂散光在星敏感器图像探测器像面成像，考虑加工及装配误差的带来的影响，装配该镜头的星敏感器遮光罩半视场角设计为11°。

在本实施例中，并基于星敏感器镜头通光口径、遮光罩半视场角和地气光抑制角得到遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径，具体包括：

基于星敏感器镜头通光口径、星敏感器镜头与遮光罩出光端口径光阑的间距，得到遮光罩出光端通光口径；

基于遮光罩出光端通光口径、遮光罩半视场角和地气光抑制角得到遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径。

具体的，在本实施例中，遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径分别为：

D＝d+2×L×tanθ

式中，L为遮光罩长度，d为遮光罩出光端通光口径，ψ为地气光抑制角，θ为遮光罩半视场角，D为遮光罩入光端通光口径。

在本实施例中，考虑镜头12.5mm镜头口径以及镜头与遮光罩出光端口径光阑间距，还有加工余量，设计遮光罩出光端通光口径为13mm。因此d＝13mm，同时，遮光罩半视场角θ＝11°，地气光抑制角Ψ＝23.5°。根据公式：

D＝d+2×L×tanθ

可得经优化后遮光罩长度L约为59.7mm，遮光罩外围最大直径约为53.4mm，采用铝合金加工，遮光罩重量约为43g。满足尺寸要求。

在本实施例中，还包括在所述遮光罩内部设置多个倾斜光阑或多个垂直光阑；

所述遮光罩沿中心轴做截面时，遮光罩一侧倾斜光阑的延长线均经过遮光罩另一侧遮光罩入光端的通光口端点。

图7为本实施例提出的倾斜光阑遮光罩，图中，BB’遮光罩入光端通光口径，AA’为遮光罩出光端通光口径，倾斜光阑位于遮光罩外口径下端点B′与侧壁的连线上，并位于侧壁与遮光罩视场线之间。其中，a、b、c为不同光阑的大于遮光罩半视场角光线可进入镜头的区域，即不同光阑相对镜头的可视区域。该分析对于传统垂直光阑遮光罩同样适用。但对于光学镜头而言，入射光经遮光罩抑制后，进入镜头的杂散光入射角越大，杂散光在像面上分布越均匀，有利于成像中星点的提取，因此，遮光罩视场角越大越有利于镜头杂散光抑制。因此，在杂散光抑制方面，遮光罩与光学镜头对视场角的要求正好相反。

本实施例中还提供了一种星敏感器遮光罩，所述遮光罩由上述实施例中的星敏感器遮光罩设计方法制得。

本实施例中还提供了一种星敏感器，包括星敏感器，还包括上述实施例中的星敏感器遮光罩。

综上所述，本发明提出一种星敏感器遮光罩设计方法及星敏感器，在分析星敏感器镜头杂散光抑制性能及图像探测器参数的基础上，确定遮光罩半视场角，然后进行遮光罩结构设计；可以有效解决由于不合理的遮光罩设计引起的星敏感器图像探测器部分成像区域高亮影响星点提取这一问题，同时为星敏感器遮光罩视场角设计提供充分依据。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种星敏感器遮光罩设计方法，其特征在于，包括：

确定星敏感器的地气光抑制角，并通过星敏感器镜头对大于镜头半视场角的不同角度入射平行光成像，对成像灰度值进行分析得到星敏感器镜头的镜头杂散光抑制角；

基于实际图像探测器参数、所述镜头杂散光抑制角和所述地气光抑制角得到遮光罩半视场角，并基于星敏感器镜头通光口径、遮光罩半视场角和地气光抑制角得到遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径。

2.根据权利要求1所述的星敏感器遮光罩设计方法，其特征在于，通过星敏感器镜头对大于镜头半视场角的不同角度入射平行光成像，具体包括：

将未装配遮光罩的星敏感器安装在转台上，通过平行光管在大于星敏感器镜头半视场角条件下向星敏感器发出不同角度的平行光，进行星敏感器成像。

3.根据权利要求1所述的星敏感器遮光罩设计方法，其特征在于，确定星敏感器的地气光抑制角后，还包括：

确定星敏感器的镜头参数及实际图像探测器参数，包括镜头视场角、镜头通光口径、图像探测器尺寸和图像探测器各轴向视场角。

4.根据权利要求1所述的星敏感器遮光罩设计方法，其特征在于，对成像灰度值进行分析得到星敏感器镜头的镜头杂散光抑制角，具体包括：

获取星敏感器镜头对不同角度入射平行光成像的灰度值，获取成像像面灰度值与背景噪声灰度值差值在设定阈值内，且未有局部杂散光高亮成像对应的平行光角度，并将该角度作为镜头杂散光抑制角。

5.根据权利要求1所述的星敏感器遮光罩设计方法，其特征在于，基于实际图像探测器参数、所述镜头杂散光抑制角和所述地气光抑制角得到遮光罩半视场角具体包括：

将所述地气光抑制角作为最大限制角度、所述镜头杂散光抑制角作为最小限制角度，进行遮光罩半视场角设计。

6.根据权利要求1所述的星敏感器遮光罩设计方法，其特征在于，并基于星敏感器镜头通光口径、遮光罩半视场角和地气光抑制角得到遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径，具体包括：

基于星敏感器镜头通光口径、星敏感器镜头与遮光罩出光端口径光阑的间距，得到遮光罩出光端通光口径；

基于遮光罩出光端通光口径、遮光罩半视场角和地气光抑制角得到遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径。

7.根据权利要求6所述的星敏感器遮光罩设计方法，其特征在于，遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径分别为：

D＝d+2×L×tanθ

式中，L为遮光罩长度，d为遮光罩出光端通光口径，ψ为地气光抑制角，θ为遮光罩半视场角，D为遮光罩入光端通光口径。

8.根据权利要求1所述的星敏感器遮光罩设计方法，其特征在于，得到遮光罩长度和遮光罩入光端通光口径后，还包括：

在所述遮光罩内部设置多个倾斜光阑或多个垂直光阑；

所述遮光罩沿中心轴做截面时，遮光罩一侧倾斜光阑的延长线均经过遮光罩另一侧遮光罩入光端的通光口端点。

9.一种星敏感器遮光罩，其特征在于，所述遮光罩由权利要求1-8任一所述的方法制得。

10.一种星敏感器，其特征在于，包括星敏感器，还包括如权利要求9所述的遮光罩。