CN110174124A - 一种用于星模拟器的星等测量的标定方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星载荷技术领域，特别涉及一种用于星模拟器的星等测量的标定方法及其装置；本发明先将装置布置于暗室内；再将星模拟器的出瞳口连接在积分球的入光口内；而后光电探测器的探头连接在积分球的出光口内；而且光电探测器与信号处理器进行电性连接，信号处理器与监测显示器进行电性连接，信号处理器可将光电探测器探测的测量值发送至监测显示器上进行显示；然后进行积分球的系数标定测试；再进行积分球的自吸收系数测试；最后进行星模拟器的星等标定，得出星模拟器的出瞳处的星等值；本发明对星模拟器的星等进行标定，从而提升星模拟器的整体性能，进而提高星敏感器的性能。

Description

一种用于星模拟器的星等测量的标定方法及其装置

技术领域

本发明涉及卫星载荷技术领域，特别涉及一种用于星模拟器的星等测量的标定方法及其装置。

背景技术

星敏感器是目前航天应用中最精确的绝对姿态敏感器，它以恒星为观测基准，向各种航天器提供惯性姿态信息。

随着卫星载荷技术的发展，星敏感器作为广泛应用于航天器姿态测量的仪器，其性能要求在不断地提高，星模拟器是星敏感器测量与标定的主要仪器，其性能要求也在不断的提高，星模拟器用于模拟相对于探测器无穷远的星体点光源，用于实验室内星敏感器的调整和校准；星等作为星模拟器最主要的技术参数之一，其测量精度直接影响到星模拟器的整体性能。

星敏感器由于设计和制造过程中的偏差，使用环境的变化造成的光、机、电性能的改变，都会不同程度地给星敏感器引入误差，影响星敏感器的精度。所以，当星敏感器组装完毕或星敏感器正式用于飞行器前，必须在实验室对系统经过严格标定才能使用，以取得精确的标定系数。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种用于星模拟器的星等测量的标定方法，对星模拟器的星等进行标定，从而提升星模拟器的整体性能，进而提高星敏感器的性能；还提供一种用于星模拟器的星等测量的标定装置，其引入星模拟器中，在工作过程中对星模拟器的星等进行标定，可以提升星模拟器的整体性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种用于星模拟器的星等测量的标定方法，其中，包括如下步骤：

步骤S1、布置于暗室内；

步骤S2、星模拟器的出瞳口连接在积分球的入光口内；

步骤S3、光电探测器的探头连接在积分球的出光口内；

步骤S4、光电探测器与信号处理器进行电性连接，信号处理器与监测显示器进行电性连接，信号处理器可将光电探测器探测的测量值发送至监测显示器上进行显示；

步骤S5、进行积分球的系数标定测试；

步骤S6、进行积分球的自吸收系数测试；

步骤S7、进行星模拟器的星等标定，得出星模拟器的出瞳处的星等值。

作为本发明的一种改进，所述积分球的内壁上均匀喷涂白色漫射层。

作为本发明的进一步改进，所述光电探测器采用光电倍增管PMT，所述光电探测器固定安装在升降支架上。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S5内，包括如下步骤：

骤S51、将一面光源放置于积分球的入光口处并进行固定，使所述面光源与积分球的入光口口径相同的发光面的出射光进入积分球，即入射光通量Φ＝E_面×S，其中，S为积分球入光口面积；

步骤S52、光电探测器进行上电，按下光电探测器的按钮，待其照度值稳定在10^-9lx量级，完成光电探测器回零；

步骤S53、将探测器的探头放置于积分球的出光口并固定；

步骤S54、点亮该面光源；

步骤S55、记录此时探测器的示值E_测，并重复步骤S54和步骤S55测试三次，记录取平均值；

步骤S56、获得积分球系数K＝Φ/E_测。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S6内，包括如下步骤：

步骤S61、将一标准光源放置在积分球的窗口，积分球的入光口放置一面光源，并点亮；

步骤S62、使用光电探测器在积分球的出光口测试照度值E_标；

步骤S63、把标准光源拆除，将星模拟器的出瞳口放置于积分球的窗口处，继续只点亮该面光源，并测试积分球的出光口照度值E_测；

步骤S64、从而得到积分球的自吸收系数

作为本发明的更进一步改进，在步骤S7内，包括如下步骤：

步骤S71、将一标准光源放置在积分球的窗口，光电探测器放置在积分球的出光口，待标准光源工作稳定，打开光电探测器，测试光电探测器的照度值；

步骤S72、重复步骤S71，多次测量取平均值，即得出光电探测器的照度值的平均值通过计算得出积分球系数其中，Φ_s为标准光源的光通量；

步骤S73、将星模拟器的出瞳口放置于积分球的入光口，确保经过经该出瞳口的出射光完全进入积分球内部；

步骤S74、将光电探测器的探头放置于积分球的出光口，积分球的出光口尺寸大于光电探测器的探头靶面直径，且探头靶面处于积分球的内壁；

步骤S75、点亮光源，在积分球的出光口测得照度值E_c；

步骤S76、计算得到出瞳口处的光通量Φ＝η·K·E_c，其中，η为自吸

收系数，K为积分球系数，Ec为积分球出光口测得照度值；

步骤S77、通过显微镜或三坐标测量出该出瞳口的面积A，则该出瞳口处的光照度为其中，Φ为入射光通量；

步骤S78、通过公式得出该出瞳口处的星等值，其中，Em为m等星的照度值，En为n等星的照度值。

本发明采用的另一个技术方案是：提供一种用于星模拟器的星等测量的标定装置，其中，包括光电探测器、积分球、信号处理器和监测显示器，星模拟器的出瞳口连接在所述积分球的入光口内，所述光电探测器的探头连接在积分球的出光口内，所述光电探测器与所述信号处理器进行电性连接，所述信号处理器与所述监测显示器进行电性连接，所述信号处理器可将所述光电探测器探测的测量值发送至所述监测显示器上进行显示。

作为本发明的一种改进，所述积分球的内壁上均匀喷涂白色漫射层。

作为本发明的进一步改进，所述光电探测器采用光电倍增管PMT，所述光电探测器固定安装在升降支架上。

作为本发明的更进一步改进，所述积分球上设置有窗口、入光口和出光口。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明先将装置布置于暗室内；再将星模拟器的出瞳口连接在积分球的入光口内；而后光电探测器的探头连接在积分球的出光口内；而且光电探测器与信号处理器进行电性连接，信号处理器与监测显示器进行电性连接，信号处理器可将光电探测器探测的测量值发送至监测显示器上进行显示；然后进行积分球的系数标定测试；再进行积分球的自吸收系数测试；最后进行星模拟器的星等标定，得出星模拟器的出瞳处的星等值；本发明对星模拟器的星等进行标定，从而提升星模拟器的整体性能，进而提高星敏感器的性能。

附图说明

图1是本发明一个实施例的用于星模拟器的星等测量的标定方法的步骤框图；

图2是本发明一个实施例的用于星模拟器的星等测量的标定方法的步骤S5的步骤框图；

图3是本发明一个实施例的用于星模拟器的星等测量的标定方法的步骤S6的步骤框图；

图4是本发明一个实施例的用于星模拟器的星等测量的标定方法的步骤S7的步骤框图；

图5是本发明另一个实施例的用于星模拟器的星等测量的标定装置的结构示意图；

图6是本发明另一个实施例当探头靶面口径小于星模拟器的出瞳直径时，标定装置的结构示意图；

图7是本发明另一个实施例当探头靶面口径大于星模拟器的出瞳直径时，标定装置的结构示意图；

附图标记：

1-光电探测器，2-积分球，21-窗口，22-入光口，23-出光口，

3-信号处理器，4-监测显示器，5-升降支架，6-星模拟器。

具体实施方式

请参照图1至图7，本发明的一种用于星模拟器的星等测量的标定方法，包括如下步骤：

步骤S1、布置于暗室内；

步骤S2、星模拟器的出瞳口连接在积分球的入光口内；

步骤S3、光电探测器的探头连接在积分球的出光口内；

步骤S4、光电探测器与信号处理器进行电性连接，信号处理器与监测显示器进行电性连接，信号处理器可将光电探测器探测的测量值发送至监测显示器上进行显示；

步骤S5、进行积分球的系数标定测试；

步骤S6、进行积分球的自吸收系数测试；

步骤S7、进行星模拟器的星等标定，得出星模拟器的出瞳处的星等值。

在本发明中，先将装置布置于暗室内；再将星模拟器6的出瞳口连接在积分球2的入光口内；而后光电探测器1的探头连接在积分球2的出光口内；而且光电探测器1与信号处理器3进行电性连接，信号处理器3与监测显示器4进行电性连接，信号处理器3可将光电探测器1探测的测量值发送至监测显示器4上进行显示；然后进行积分球2的系数标定测试；再进行积分球2的自吸收系数测试；最后进行星模拟器6的星等标定，得出星模拟器6的出瞳处的星等值；完成对星模拟器6的星等进行标定，从而提升星模拟器6的整体性能，进而提高星敏感器的性能。

其中，积分球2的内壁上均匀喷涂白色漫射层，便于光源的漫反射；光电探测器1采用光电倍增管PMT，光电探测器1固定安装在升降支架5上，方便光电探测器1的探头的调节。

如图2所示，在步骤S5内，包括如下步骤：

步骤S51、将一面光源放置于积分球的入光口处并进行固定，使该面光源与积分球的入光口口径相同的发光面的出射光进入积分球，即入射光通量Φ＝E_面×S；

步骤S52、光电探测器进行上电，按下光电探测器的按钮，待其照度值稳定在10^-9lx量级，完成光电探测器回零；

步骤S53、将探测器的探头放置于积分球的出光口并固定；

步骤S54、点亮该面光源；

步骤S55、记录此时探测器的示值E测，并重复步骤S54和步骤S55测试三次，记录取平均值；

步骤S56、获得积分球系数K＝Φ/E_测。

如图3所示，在步骤S6内，包括如下步骤：

步骤S61、将一标准光源放置在积分球的窗口，积分球的入光口放置一面光源，并点亮；

步骤S62、使用光电探测器在积分球的出光口测试照度值E_标；

步骤S63、把标准光源拆除，将星模拟器的出瞳口放置于积分球的窗口处，继续只点亮该面光源，并测试积分球的出光口照度值E_测；

步骤S64、从而得到积分球的自吸收系数

如图4所示，在步骤S7内，包括如下步骤：

步骤S71、将一标准光源放置在积分球的窗口，光电探测器放置在积分球的出光口，待标准光源工作稳定，打开光电探测器，测试光电探测器的照度值；

步骤S72、重复步骤S71，多次测量取平均值，即得出光电探测器的照度值的平均值通过计算得出积分球系数

步骤S73、将星模拟器的出瞳口放置于积分球的入光口，确保经过经该出瞳口的出射光完全进入积分球内部；

步骤S74、将光电探测器的探头放置于积分球的出光口，积分球的出光口尺寸大于光电探测器的探头靶面直径，且探头靶面处于积分球的内壁；

步骤S75、点亮光源，在积分球的出光口测得照度值E_c；

步骤S76、计算得到出瞳口处的光通量Φ＝η·K·E_c；

步骤S77、通过显微镜或三坐标测量出该出瞳口的面积A，则该出瞳口处的光照度为

步骤S78、通过公式得出该出瞳口处的星等值。

如图5所示，一种用于星模拟器的星等测量的标定装置，包括光电探测器1、积分球2、信号处理器3和监测显示器4，星模拟器6的出瞳口连接在积分球2的入光口内，光电探测器1的探头连接在积分球2的出光口内，光电探测器1与信号处理器3进行电性连接，信号处理器3与监测显示器4进行电性连接，信号处理器3可将光电探测器1探测的测量值发送至监测显示器4上进行显示。

其中，积分球2的内壁上均匀喷涂白色漫射层，便于光源的漫反射；光电探测器1采用光电倍增管PMT，光电探测器1固定安装在升降支架5上，方便光电探测器1的探头的调节；积分球2上设置有窗口21、入光口22和出光口23。

本发明提供一个实施例，本发明的用于星模拟器的星等测量的标定装置，具有星等监测、数据存储与计算的功能，其包括光电探测器1、信号处理器3、积分球2和监测显示器4，光电探测器1为PMT组件，其探头使用升降支架进行固定，同时方便探头的调节；信号处理器3是处理光电探测器1输出的电信号，该信号通过屏蔽线输入到前置放大电路，放大的信号再经转换电路由中央处理器进行处理分析并由监测显示器4显示。积分球2的出光口23与光电探测器1的探测面相连，并且保证光电探测器1的探测面在积分球2的内壁；监测显示器4与信号处理器3通过RS-232进行串口通讯，将光电探测器1测得的值实时返回到监测显示器4上进行显示。

国际上规定零等星的照度为：

E₀＝2.65×10^-6lx

星等的数值越大，照度越小，一颗m等星和一颗n等星的照度的关系满足公式根据零等星的照度值可推算出其它星等的照度值；(-16)^m等星对应的照度值E_-16为6.66lx；(6)^m等星对应的照度值E₆为1.05×10^-8lx。

如图7所示，当光电探测器1的探头靶面口径小于星模拟器出瞳直径时，可以直接以光电探测器1直接标定，以使用光电探测器1的探头组成的标定装置可完成星模拟器6出瞳处光通量的标定，具体地，用一台己标定好的光电探测器1直接对着星模拟器6的光学准直系统的出射口，这时可以测出光学准直系统出光口的辐射通量，能够判断出此时的辐射通量对应的星等，调整星模拟器6衰减装置的衰减量使光学准直系统出光口的辐射通量为(-16)^m等星，(6)^m等星以上的星等可通过标定好的星模拟器6的衰减装置来实现。

如图6所示，当光电探测器1的探头靶面口径大于星模拟器6的出瞳直径时，使用积分球2和光电探测器1的探头组成的标定装置可完成星模拟器出瞳处光通量的标定；具体地，用于光通量的相对测量的积分球2是一个空心的完整球壳，球内壁均匀喷涂白色漫射层，球壁上开一窗口，将待测光源置于球内，光源发出的光经内壁漫反射后射到位于窗口的探测器上，探测器上所得的信号正比于光源的光通量。

在此，我们进行验证下积分球2的光源位置的关系，具体地如下：

用积分球2测量总光通量法中，做如下假定：

(1)积分球内壁是均匀的理想漫反射层，遵从朗伯定律；(2)积分球内各点的漫反射系数相等；(3)积分球内壁的白色颜料对光源发出的各种波长光线具有相同的漫射系数，即球壁的漫射是中性的；(4)球的直径各处相同，球内除灯泡外无其他杂物存在。

LED光通量测量方法是：在积分球内光源位置上点亮标准光通量光源(下简称标准光源)，等标准光源稳定工作后记下探测器的信号值E_s，将标准光源替换为待测LED，待LED工作稳定后，记下探测器的信号值E，则LED的总光通量为：

其中k为色修正系数，Φ_s为标准光源的光通量。

这里需要指出的是：在传统光源的积分球测试中，往往将光源置于积分球的中心位置。

LED作为新型光源，其自身有一定的特殊性。

(1)LED的输出的总光通量随其自身温度的升高而迅速降低，工作中的LED必须要求良好的散热才能保证输出光通量的稳定性，而积分球内密闭空间无法满足其散热的需要。

(2)LED体积虽小但其点灯装置在积分球中引入的光通自吸收是不可忽略。

若依旧比照传统光源在积分球中心点燃的测量模式，LED的上述特性必然给测量带来误差，但若将光源的测试位置置于积分球内壁，以上问题便迎刃而解了。

以下验证：位于球内壁处的光源在窗口处光电探测器1上产生的照度是否与其光通量成正比。

根据积分球原理，当光源放置在球内任意一点点燃时，光窗处的照度为：

其中E为光窗处的照度值，单位lx；E₁为由光源发出的光线照射到光窗上产生的直接照度，单位lx；Φ为光源的总光通量，单位lm；r为积分球的半径，单位m；ρ为积分球内表面的反射率。

在积分球内光源于光窗之间引入挡屛，挡去光源直射光窗的光线，则光窗位置的照度为：

此时，光电探测器1的信号值正比于光源的光通量。

由上式可见：由理论出发，无论光源在积分球的什么位置，探测器上得到的信号值是一样的，也就是说探测器上的信号是一个与光源位置无关的量。

所以当光电探测器1的探头靶面口径大于星模拟器出瞳直径时，使用积分球2和光电探测器1的探头组成的标定装置可完成星模拟器出瞳处光通量的标定，再根据公式和完成星模拟器星等标定。

积分球标定星等过程，具体如下：

1)积分球系数K标定：

a.将一面光源放置于积分球2的入光口22处并固定，使与积分球2的入光口22口径相同的发光面出射光进入积分球2，其余发光面出射光未积分球2，即入射光通量Φ＝E_面×S(S为积分球入口面积)；

b.光电探测器1上电，按下光电探测器1面板上Zero按钮，待照度值稳定在10^-9lx量级，完成光电探测器1回零；

c.取下光电探测器1的探头遮光盖，将光电探测器1探头放置于积分球2出光口23并固定；

d.将整个标定装置放置于暗室之中(使用黑绒布遮盖)，防止外界杂散光影响测试精度；

e.将信号处理器3内的数字调制器的档位设置为7档，点亮面光源；

f.记录此时光电探测器1示值E_测，并重复步骤e和f测试三次，记录取平均值；

g.得到积分球系数K＝Φ/E_测。

2)自吸收系数测试：

a.将一标准光源放置在积分球2的窗口21，积分球2的入光口22放置一面光源(与被测光源光谱基本一致)，并点亮；

b.使用光电探测器1在积分球2出光口23测试照度值E_标；

c.把标准光源拆除，将星模拟器6出瞳口放置于积分球2入光口22处，继续只点亮面光源，并测试积分球2出光口23照度值E_测；

d.得到自吸收系数

3)星等标定：

a.将一标准光源放置在积分球2的窗口21，光电探测器1放置在积分球2的出光口23，待标准光源工作稳定，打开光电探测器1测试照度值；

b.重复上一步的步骤a)，多次测量取平均值，即得出平均值通过计算得出并记

c.将星模拟器6出瞳口放置于积分球2入光口22，确保经过经出瞳口的出射光完全进入积分球2内部；

d.将光电探测器1探头放置于积分球2出光口23，积分球2出光口23尺寸必须大于光电探测器1探头靶面直径，且探测面在积分球2内壁；

e.点亮光源，在积分球1出光口23测得照度值E_c；

f.则星模拟器6出瞳口处的光通量Φ＝η·K·E_c；

g.通过显微镜或三坐标测量出出瞳口的面积A，即出瞳口处的光照度为通过公式得到出瞳口处的星等值。

本发明具有如下效果：

1.通过使用光电倍增管PMT作为光电探测器，具有精度高、体积小、响应快、结构简单便于测量等优点。

2.通过使用积分球2，消除了测试时星模拟器6出瞳口大小对测试结果的影响，可对任意型星模拟器6的星等值进行测量，具有很强的设备兼容性。

3.采用实时监测显示器4与相应的信息处理器的信号处理，测试中可直接读出被测星模拟器6的星等值，并将结果予以记录，极大方便我们的测试过程。

4.本发明属于测试设备，采用模块式设计方式，每一个单元部件集成度较高，具备可维修性的特点，可靠性及使用寿命满足一般工业级光学仪器的要求。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于星模拟器的星等测量的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、布置于暗室内；

步骤S2、星模拟器的出瞳口连接在积分球的入光口内；

步骤S3、光电探测器的探头连接在积分球的出光口内；

步骤S4、光电探测器与信号处理器进行电性连接，信号处理器与监测显示器进行电性连接，信号处理器可将光电探测器探测的测量值发送至监测显示器上进行显示；

步骤S5、进行积分球的系数标定测试；

步骤S6、进行积分球的自吸收系数测试；

步骤S7、进行星模拟器的星等标定，得出星模拟器的出瞳处的星等值。

2.根据权利要求1所述的一种用于星模拟器的星等测量的标定方法，其特征在于，所述积分球的内壁上均匀喷涂白色漫射层。

3.根据权利要求1所述的一种用于星模拟器的星等测量的标定方法，其特征在于，所述光电探测器采用光电倍增管PMT，所述光电探测器固定安装在升降支架上。

4.根据权利要求1所述的一种用于星模拟器的星等测量的标定方法，其特征在于，在步骤S5内，包括如下步骤：

步骤S51、将一面光源放置于积分球的入光口处并进行固定，使所述面光源与积分球的入光口口径相同的发光面的出射光进入积分球，即入射光通量Φ＝E_面×S，其中，S为积分球入光口面积；

步骤S52、光电探测器进行上电，按下光电探测器的按钮，待其照度值稳定在10^-9lx量级，完成光电探测器回零；

步骤S53、将探测器的探头放置于积分球的出光口并固定；

步骤S54、点亮该面光源；

步骤S55、记录此时探测器的示值E_测，并重复步骤S54和步骤S55测试三次，记录取平均值；

步骤S56、获得积分球系数K＝Φ/E_测。

5.根据权利要求1所述的一种用于星模拟器的星等测量的标定方法，其特征在于，在步骤S6内，包括如下步骤：

步骤S61、将一标准光源放置在积分球的窗口，积分球的入光口放置一面光源，并点亮；

步骤S62、使用光电探测器在积分球的出光口测试照度值E_标；

步骤S63、把标准光源拆除，将星模拟器的出瞳口放置于积分球的窗口处，继续只点亮该面光源，并测试积分球的出光口照度值E_测；

步骤S64、从而得到积分球的自吸收系数

6.根据权利要求1所述的一种用于星模拟器的星等测量的标定方法，其特征在于，在步骤S7内，包括如下步骤：

步骤S71、将一标准光源放置在积分球的窗口，光电探测器放置在积分球的出光口，待标准光源工作稳定，打开光电探测器，测试光电探测器的照度值；

步骤S72、重复步骤S71，多次测量取平均值，即得出光电探测器的照度值的平均值通过计算得出积分球系数其中，Φ_s为标准光源的光通量；

步骤S73、将星模拟器的出瞳口放置于积分球的入光口，确保经过经该出瞳口的出射光完全进入积分球内部；

步骤S74、将光电探测器的探头放置于积分球的出光口，积分球的出光口尺寸大于光电探测器的探头靶面直径，且探头靶面处于积分球的内壁；

步骤S75、点亮光源，在积分球的出光口测得照度值E_c；

步骤S76、计算得到出瞳口处的光通量Φ＝η·K·E_c，其中，η为自吸收系数，K为积分球系数，Ec为积分球出光口测得照度值；

步骤S77、通过显微镜或三坐标测量出该出瞳口的面积A，则该出瞳口处的光照度为其中，Φ为入射光通量；

步骤S78、通过公式得出该出瞳口处的星等值，其中，Em为m等星的照度值，En为n等星的照度值。

7.一种用于星模拟器的星等测量的标定装置，其特征在于，包括光电探测器、积分球、信号处理器和监测显示器，星模拟器的出瞳口连接在所述积分球的入光口内，所述光电探测器的探头连接在积分球的出光口内，所述光电探测器与所述信号处理器进行电性连接，所述信号处理器与所述监测显示器进行电性连接，所述信号处理器可将所述光电探测器探测的测量值发送至所述监测显示器上进行显示。

8.根据权利要求1所述的一种用于星模拟器的星等测量的标定装置，其特征在于，所述积分球的内壁上均匀喷涂白色漫射层。

9.根据权利要求8所述的一种用于星模拟器的星等测量的标定装置，其特征在于，所述光电探测器采用光电倍增管PMT，所述光电探测器固定安装在升降支架上。

10.根据权利要求9所述的一种用于星模拟器的星等测量的标定装置，其特征在于，所述积分球上设置有窗口、入光口和出光口。