CN110489851A - 基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法 - Google Patents

基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种杂散光抑制领域内的基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法，包括以下步骤：步骤一，将已建好的卫星初步模型导入光线追迹软件；步骤二，设置星表材料的特性参数，建立外部辐射源特性；步骤三，完成光线追迹，获取进入光学有效载荷内部的杂散光传输路径、杂散光传递面；步骤四，计算光学有效载荷观测视场角范围；步骤五，根据杂散光在传递面的入射角度，在杂散光传递面上建立有角度倾斜的阶梯面，将杂散光全部反射到光学有效载荷观测视场角范围外；步骤六，重复步骤一至步骤五，经多次迭代，直到杂散光全部反射到光学有效载荷观测视场角范围外。本发明方法简易，可从根源消除光线经卫星表面反射或散射而引入杂散光。

Description

基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法
技术领域
本发明涉及杂散光抑制领域，具体地，涉及一种基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法。
背景技术
光学有效载荷在轨极易受到杂散光干扰，杂散光不仅影响光学载荷信噪比，还可在特定时段或光照条件下，造成图像数据失效，严重的甚至造成光学载荷严重饱和，从而丧失成像能力。
卫星发射入轨后，在光照区太阳光或地气光直接照射在卫星上，经卫星表面反射或散射很有可能进入有效载荷观测视场内，影响有效载荷图像质量。对于配置高灵敏光学载荷的卫星，除载荷内部进行遮光罩、消光光阑、消光涂层处理、多次折返等消光措施外，应尽可能从根源消除杂散光的来源。
如附图2所示，卫星在轨运行期间，除了通过光学有效载荷对地观测口4对地球表面目标观测外，还需定期进行星上定标，监视探测器、漫反板等器件的衰退，对遥感数据进行定量化校正。太阳光线6直接入射光学有效载荷定标遮光罩3内，通过定标组件完成星上定标工作。在星上定标过程中，往往会有杂散光进入光学有效载荷定标遮光罩3内，影响定标结果，例如太阳光线7经过光学有效载荷B表面散射进入光学有效载荷定标遮光罩3内。
经现有技术检索，中国发明专利号为CN200910224073.8，发明名称为一种航天器星体跟踪器杂散光抑制装置，包括第一级抑制装置和第二级抑制装置，其中在杂散光入口方向上并且在探测光学系统之前依次设置该第一级抑制装置和第二级抑制装置，所述第一级和第二级抑制装置均为圆筒状，并且在所述一级和第二级抑制装置中均设置多个挡光环，该杂散光抑制装置能够减少各类杂散光对星体跟踪器探测星体的干扰，使得星体跟踪器能够进行星体探测与进行星图识别和提高星体探测能力，提高导航精度，同时在考虑到航天器达到负载能力、材料和结构工艺等的限制，在该抑制装置在允许的尺寸范围内实现最优结构尺寸。此装置结构复杂，且不能从根本上解决杂散光的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法。
本发明提供一种基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法，包括以下步骤：
步骤一，建立卫星初步模型，卫星平台及各光学载荷的轮廓与真实产品状态一致；
步骤二，将已建好的卫星初步模型导入光线追迹软件；
步骤三，设置星表材料的特性参数，建立外部辐射源特性；
步骤四，完成光线追迹，获取进入光学有效载荷内部的杂散光传输路径、杂散光传递面；
步骤五，计算光学有效载荷观测视场角范围；
步骤六，根据杂散光在传递面的入射角度，在杂散光传递面上建立有角度倾斜的阶梯面，将杂散光全部反射到光学有效载荷观测视场角范围外；
步骤七，重复步骤一至步骤六，经多次迭代，直到杂散光全部反射到光学有效载荷观测视场角范围外。
一些实施方式中，所述步骤二中光线追迹软件为TracePro软件。
一些实施方式中，所述步骤三中的外部辐射源特性是通过STK软件及MORTRAN软件仿真获取的太阳或地气光辐射角度及能量。
一些实施方式中，所述外部辐射源特性包括方向矢量、辐射亮度。
一些实施方式中，所述步骤六中的阶梯面的表面材料具备镜面反射的特性。
一些实施方式中，，所述步骤六中角度倾斜的阶梯面的倾斜角度为最小散射角与最小入射角差值的二分之一。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供了一种光学有效载荷外部杂散光抑制的简易方法，从根源消除光线经卫星表面反射或散射而引入杂散光。
2、通过光线追迹理论，根据卫星在轨实际运行环境情况分析、计算得到较为真实的杂散光传输路径，确保杂散光抑制方法的合理、有效性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法流程示意图；
图2为太阳光线经卫星表面散射后进入光学有效载荷定标口示意图；
图3为光学有效载荷A定标口杂散光路径及杂散光传递面示意图。
图4为在杂散光传递面建立有角度倾斜的阶梯面示意图。
图5为卫星表面经杂散光抑制后的效果图。
图中各数字所表示意思解释如下：
1为卫星平台；2为光学有效载荷A；3为光学有效载荷定标遮光罩；4为光学有效载荷对地观测口；5为光学有效载荷B；6为入射光学有效载荷A定标视场内的太阳光线；7为经光学有效载荷B表面散射后入射光学有效载荷A定标视场内的太阳光线，即杂散光；8为有角度倾斜的阶梯面；坐标系中Z方为卫星对地观测方向，X向为卫星在轨飞行方向。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法，包括以下步骤：
步骤一，建立卫星初步模型，卫星初步模型通过卫星真实产品的平台各分系统及载荷单位提供设计模型，卫星平台及各光学载荷的轮廓与真实产品状态一致；
步骤二，将已建好的卫星初步模型导入光线追迹软件，其中光线追迹软件为TracePro软件；
步骤三，设置星表材料的特性参数，建立外部辐射源特性，其中，外部辐射源特性是通过STK软件及MORTRAN软件仿真获取的太阳或地气光辐射角度及能量，所述外部辐射源特性包括方向矢量、辐射亮度。
步骤四，完成光线追迹，获取进入光学有效载荷内部的杂散光传输路径、杂散光传递面；
步骤五，计算光学有效载荷观测视场角范围；
步骤六，根据杂散光在传递面的入射角度，在杂散光传递面上建立有角度倾斜的阶梯面，将杂散光全部反射到光学有效载荷观测视场角范围外，其中阶梯面的表面材料具备镜面反射的特性，角度倾斜的阶梯面的倾斜角度为最小散射角与最小入射角差值的二分之一；
步骤七，重复步骤一至步骤六，经多次迭代，直到杂散光全部反射到光学有效载荷观测视场角范围外。
下面结合附图，对本实施例进一步描述，本实施例实现从根源消除了光线经卫星表面反射或散射引入杂散光的可能。
如图2(a)与图2(b)所示，在星上定标过程中，因季节不同，太阳光线与Z向(卫星对地观测方向)的夹角也不同，假设夹角的范围为θ～α(θ<α)，相应的散射角范围为
将已建好的卫星初步模型导入TracePro软件，其中，卫星初步模型通过卫星真实产品的平台各分系统及载荷单位提供设计模型，确保卫星初步模型的准确性。
在软件中设置星表材料的特性参数，根据卫星实际运行轨道参数，通过STK软件、MORTRAN软件仿真获取太阳光线及地气光等外部辐射源特性，其中外部辐射源特性包括方向矢量、辐亮度等数据，并在TracePro软件中建立外部辐射源。
在TracePro软件完成光线追迹，筛选出进入光学有效载荷定标遮光罩3内的杂散光及传输路径，如图3所示，杂散光在光学有效载荷B表面散射的区域L为杂散光传递面。
如图4(a)所示，假设一束杂散光(入射角的范围为θ～α)入射区域L内某点Li后散射并进入光学有效载荷定标遮光罩内，散射角范围为
在区域L内建立有角度倾斜的阶梯面，其中阶梯面表面材料应具备镜面反射、反照率低等特性，即在Li处建立有角度倾斜的阶梯面，使其倾斜角度为(β-θ)/2，即可改变杂散光的传输路径，无法进入光学有效载荷定标遮光罩内，如图4(b)所示。
对于整个区域L内布满倾斜角度为(β-θ)/2的阶梯面，完成第一轮光学有效载荷外部杂散光抑制工作，然后更新卫星初步模型，再次进行光线追迹，验证原有的杂散光是否消除。若因阶梯面引入新的杂散光，可根据上述方法进行阶梯面倾斜角度调整，直到杂散光全部消除为止，如图5所示。
本发明涉及杂散光抑制领域，特别涉及基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法，提供了一种光学有效载荷外部杂散光抑制的简易方法，从根源消除了光线经卫星表面反射或散射引入杂散光的可能；通过光线追迹理论，根据卫星在轨实际运行环境情况分析、计算得到较为真实的杂散光传输路径，确保杂散光抑制方法的合理、有效性。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

Claims (6)

1.一种基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，建立卫星初步模型，卫星平台及各光学载荷的轮廓与真实产品状态一致；
步骤二，将已建好的卫星初步模型导入光线追迹软件；
步骤三，设置星表材料的特性参数，建立外部辐射源特性；
步骤四，完成光线追迹，获取进入光学有效载荷内部的杂散光传输路径、杂散光传递面；
步骤五，计算光学有效载荷观测视场角范围；
步骤六，根据杂散光在传递面的入射角度，在杂散光传递面上建立有角度倾斜的阶梯面，将杂散光全部反射到光学有效载荷观测视场角范围外；
步骤七，重复步骤一至步骤六，经多次迭代，直到杂散光全部反射到光学有效载荷观测视场角范围外。
2.根据权利要求1所述的基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法，其特征在于，所述步骤二中光线追迹软件为TracePro软件。
3.根据权利要求1所述的基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法，其特征在于，所述步骤三中的外部辐射源特性是通过STK软件及MORTRAN软件仿真获取的太阳或地气光辐射角度及能量。
4.根据权利要求3所述的基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法，其特征在于，所述外部辐射源特性包括方向矢量、辐射亮度。
5.根据权利要求1所述的基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法，其特征在于，所述步骤六中的阶梯面的表面材料具备镜面反射的特性。
6.根据权利要求1所述的基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法，其特征在于，所述步骤六中角度倾斜的阶梯面的倾斜角度为最小散射角与最小入射角差值的二分之一。
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