CN112945270B - 一种基于星对角距平均测量误差的星敏感器辐射损伤外场评估方法 - Google Patents
一种基于星对角距平均测量误差的星敏感器辐射损伤外场评估方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于星对角距平均测量误差的星敏感器辐射损伤外场评估方法，该方法涉及装置由样品测试板、互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品、成像镜头、直流电源、计算机和转台组成，调整转台拍摄非天顶方向星区，采取星图进行星点提取、星图匹配，再调整转台的回转角和俯仰角，使外壳结构件上的固定成像镜头能够对准天顶方向天区，得到转台在方位俯仰都是相对0度时对应的星点坐标位置，再计算出非天顶方向星图中匹配成功的任意两颗恒星对应的星敏感器测量坐标系下的方向向量，并计算其夹角，得到测量星对焦距；再计算每幅星图匹配成功的任意两颗恒星在地心赤道惯性坐标系下的夹角，得到理论星对焦距。最后计算星对角距理论值和测量值均值的差值，即为星对焦距平均测量误差。本发明可以在外场条件下快速评估星敏感器在不同累积辐射剂量下辐射损伤，方法简单，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种基于星对角距平均测量误差的星敏感器辐射损伤外场评估方法。
背景技术
星敏感器是一种以恒星为参照系，以星空为工作对象的高精度的空间姿态测量装置，其因精度高、可靠性强及自主性好等优势在各类航天飞行器、卫星中得到广泛应用。星敏感器一般由光学系统、成像系统、数据处理系统和数据交换系统组成。其中成像系统是星敏感器的重要组成部分，它的性能决定了星敏感器探测能力。
星敏感器的成像系统主要由互补金属氧化物半导体有源像素传感器组成，其在空间应用必然面临天然空间辐射环境的威胁，空间辐射环境中的高能带电粒子作用于器件可产生累积辐射效应(电离总剂量效应、位移损伤效应)和单粒子效应，导致器件的暗电流、暗信号非均匀性噪声、光响应非均匀性噪声等性能参数退化，甚至功能失效。国内外研究发现，互补金属氧化物半导体有源像素传感器的空间辐射损伤又会导致星敏感器在太空工作经辐照后出现星点质心定位精度降低、星等探测灵敏度降低等性能退化现象，影响到星敏感器的工作精度和有效寿命，从而严重威胁星敏感器乃至卫星的安全可靠运行。然而国内外研究机构还未研究互补金属氧化物半导体有源像素传感器辐射损伤敏感参数的变化是如何传递到星敏感器系统输出端从而导致系统性能参数退化的机制，也就无法定量评估星敏感器系统辐射损伤。
星对角距是指在地心赤道惯性坐标系下，两颗恒星所在的方向之间的夹角。设有两颗恒星A和B，其赤经、赤纬分别为(αA，δA)和(αB，δB)，恒星矢量分别为：
则这两颗恒星之间的夹角，即星对角距为：θ＝acos(VA·VB)
本发明是在外场利用星敏感器成像系统实际拍摄猎户座天区，通过采取星图、星点提取星图匹配计算出猎户座天区中两颗恒星对应的星敏感器测量坐标系下的方向向量，并计算其夹角，得到测量星对焦距。再计算每幅星图匹配成功的任意两颗恒星在地心赤道惯性坐标系下的夹角，得到理论星对焦距。然后计算测量每幅星图星对焦距和理论星对焦距，分别求出星对角距理论值和测量值的均值，最后将星对角距测量值和星对角距理论值的均值作差值，即为星对焦距平均测量误差。
发明内容
本发明的目的在于，从互补金属氧化物半导体有源像素传感器辐射损伤敏感参数的变化分析推倒出星敏感器系统性能参数的退化，提供一种基于星对角距平均测量误差的星敏感器辐射损伤外场评估方法，该方法中涉及装置是由样品测试板、外壳结构件、互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品、成像镜头、直流电源、计算机和转台组成，该方法首先调整转台拍摄非天顶方向星区，调节光学镜头，使星点成像清晰，采取星图进行星点提取、星图匹配，再调整转台的回转角和俯仰角，使外壳结构件上的固定成像镜头能够对准天顶方向天区，通过采取星图、星点提取、星图匹配得到转台在方位俯仰都是相对0度时对应的星点坐标位置，然后计算出非天顶方向星图中匹配成功的任意两颗恒星对应的星敏感器测量坐标系下的方向向量，并计算其夹角，得到测量星对焦距；再计算每幅星图匹配成功的任意两颗恒星在地心赤道惯性坐标系下的夹角，得到理论星对焦距。最后计算星对角距理论值和测量值均值的差值，即为星对焦距平均测量误差。本发明可以在外场条件下快速评估星敏感器在不同累积辐射剂量下辐射损伤，方法简单，实用性强。
本发明所述的一种基于星对角距平均测量误差的星敏感器辐射损伤外场评估方法，其特征在于，该方法中涉及装置是由样品测试板(1)、外壳结构件(2)、互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(3)、成像镜头(4)、直流电源(5)、计算机(6)和转台(7)组成，将样品测试板(1)固定在外壳结构件(2)内，在样品测试板(1)上放置互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(3)，在样品测试板(1)上固定成像镜头(4)，样品测试板(1)与直流电源(5)和计算机(6)连接，具体操作按下列步骤进行：
a、将经过辐照后的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(3)固定在样品测试板(1)上，将样品测试板(1)固定在外壳结构件(2)内，在样品测试板(1)上固定成像镜头(4)，再将样品测试板(1)分别与直流电源(5)和计算机(6)相连，将外壳结构件(2)放置到转台(7)上，开始进行外场测试，外场测试时需关闭设备周围所有照明光源；
b、调整转台(7)的回转角和俯仰角，使外壳结构件(2)上的固定成像镜头(4)能够对准目标天区，使天区成像于镜头中心，同时调节光学镜头，使天区中各星点成像清晰；
c、计算机(6)分别以三组不同积分时间进行数据采集，每组积分时间采集50幅星图；
d、将步骤c中每组积分时间采集的50幅星图中任意抽样10幅星图进行处理，利用星图匹配软件，输入初始光轴指向，确定大致天区，依次读入需处理星图，输入星敏感器在实验室标定出的理论焦距f，进行星点提取，根据提取出的星点坐标，找出目标星图上不少于3颗恒星，反算最佳焦距f1，重新输入最佳焦距，再次进行星点提取；
e、调整转台(7)的回转角和俯仰角，使外壳结构件(2)上的固定成像镜头(4)能够对准天顶方向天区，重复步骤c和步骤d，得到转台(7)在方位俯仰都是相对0度时对应的星点坐标位置x0，y0，即实验过程中标定出的主点位置；
f、任意选定步骤d中非天顶方向天区匹配成功的两颗恒星，计算星图中选定的两颗恒星惯性方向之间的夹角，作为星对角距的理论值θ；
g、求出步骤f中选定的两颗恒星在星敏感器探测器面阵上的星点位置坐标为x1,y1和x2,y2，结合步骤e中得到的主点位置x0,y0，计算出选定的两颗恒星对应的星敏感器测量坐标系下的方向向量V1、V2，最后计算出星对角距的测量值θc；
h、重复步骤f和步骤g,依次求出抽样10幅星图中的星对角距理论值和测量值，并分别求出星对角距理论值和测量值的均值；
i、将步骤h计算出的星对角距测量值和星对角距理论值的均值作差值，即得到星对角距平均测量误差。
本发明所述的一种基于星对角距平均测量误差的星敏感器辐射损伤外场评估方法，该方法中使用的采图软件是由中国电子科技集团公司第四十四研究所提供；外场数据处理专用的星图匹配软件时由中国科学院光电技术研究所提供；星图匹配软件功能：(1)读取raw星图；(2)提取读入星图的星点坐标；(3)完成星图匹配功能，并输出星点坐标、匹配成功的恒星赤经、赤纬；(4)反算光轴指向天区，验证匹配正确性。
通过星图匹配软件进行数据处理步骤及方法介绍如下。
星图匹配：
给定初始指向：利用星图匹配软件，输入初始光轴指向，确定大致天区，以便进行局部天区匹配；
读取星图、星点提取、星图匹配：读入需处理星图，输入探测器在实验室标定出的理论焦距f，进行星点提取，其中，星点提取的背景是整幅星图的灰度均值，软件自动计算并填入，无需改变。星点提取阈值可以更改；
由于焦距存在误差，虽然提取星数较多，但匹配易失败，因此，需进行人工匹配，解算最佳焦距f1；具体方法：根据提取出的星点坐标，找出目标星图上不少于3颗恒星(赤经、赤纬已知)，据此信息反算最佳焦距；
重新输入最佳焦距、尝试修改星点提取阈值再次进行星点提取和星图匹配，软件可自动完成星图匹配功能，然后导出匹配成功的星点位置坐标、对应的导航星表中的恒星赤经、赤纬信息；
通过天顶方向天区采集星图进行星点提取和星图匹配，得到转台(7)在方位俯仰都是相对0度时对应的星点坐标位置x0，y0，即实验过程中标定出的主点位置；
通过非天顶方向天区采集星图进行星点提取和星图匹配，从非天顶方向星图中选定的两颗恒星在星敏感器探测器面阵上的星点位置坐标为(x1,y1)和(x2,y2)，根据公式(1)、(2)换算成星点的方向矢量V1、V2；
其中(x0,y0)是实验过程中标定出的主点位置，即转台(7)在方位俯仰都是相对0度时对应的星点坐标位置,(x1,y1)和(x2,y2)是星图中匹配成功的任意两颗恒星在星敏感器探测器面阵上的星点位置坐标位置，f是星敏感器在实验室标定出的焦距，即为理论焦距；
利用换算出的星点的方向矢量V1、V2根据公式(4)计算出星对角距的测量值θc；
θc＝acos(V1·V2) (4)
本发明所述的一种基于星对角距平均测量误差的星敏感器辐射损伤外场评估方法，该方法中涉及装置是由样品测试板、外壳结构件、互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品、成像镜头、直流电源、计算机和转台组成，该方法首先调整转台拍摄非天顶方向星区，调节光学镜头，使星点成像清晰，采取星图进行星点提取、星图匹配，再调整转台的回转角和俯仰角，使外壳结构件上的固定成像镜头能够对准天顶方向天区，通过采取星图、星点提取、星图匹配得到转台在方位俯仰都是相对0度时对应的星点坐标位置，然后计算出非天顶方向星图中匹配成功的任意两颗恒星对应的星敏感器测量坐标系下的方向向量，并计算其夹角，得到测量星对焦距。再计算每幅星图匹配成功的任意两颗恒星在地心赤道惯性坐标系下的夹角，得到理论星对焦距。最后计算星对角距理论值和测量值均值的差值，即为星对焦距平均测量误差。本发明可以在外场条件下快速评估星敏感器在不同累积辐射剂量下辐射损伤，方法简单，实用性强。更可以为星敏感器在轨姿态测量误差预测和修正技术的研究奠定一定的基础，同时可以为高精度星敏感器的设计提供一定的理论依据。
本发明所述的一种基于星对角距平均测量误差的星敏感器辐射损伤外场评估方法，适用于成像系统是任意型号互补金属氧化物半导体有源像素传感器的星敏感器系统。
本发明适用于需要预估或者掌握星敏感器辐射损伤程度的星敏感器研制单位、科研院所和航天载荷单位使用。
附图说明
图1为本发明测试系统示意图；
图2为本发明计算机采集到的一幅星图，其中图中圆圈为选定的部分星点位置；
图3为本发明星图匹配软件星图匹配结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例
本发明所述的一种基于星对角距平均测量误差的星敏感器辐射损伤外场评估方法，该方法中涉及装置是由样品测试板、外壳结构件、互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品、成像镜头、直流电源、计算机和转台组成，将经过辐照后的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品3固定在样品测试板1上，将样品测试板1固定在外壳结构件2内，在样品测试板1上固定成像镜头4，再将样品测试板1分别与直流电源5和计算机6相连，将外壳结构件2放置到转台7上；具体操作按下列步骤进行：
a、将经过辐照后的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品3固定在样品测试板1上，将样品测试板1固定在外壳结构件2内，在样品测试板1上固定成像镜头4，再将样品测试板1分别与直流电源5和计算机6相连，将外壳结构件2放置到转台7上，该实施例中互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品3是经过γ辐照，累积剂量为7.5krad(Si),剂量率是50krad(Si)/s，星敏感器所用的互补金属氧化物半导体有源像素传感器型号为CMV4000，其分辨率为2048×2048，像素结构为8T-APS，直流电源5设置为5V，限流1A；
b、调整转台7的回转角和俯仰角，使外壳结构件2上的固定成像镜头4能够对准猎户座，使猎户座成像于镜头中心，同时调节光学镜头，使猎户座中各星点成像清晰；
c、开始进行外场测试，外场测试时需关闭设备周围所有照明光源，设定探测器，另计算机6分别以95.6ms、143.4ms和525.6ms的积分时间进行数据采集，每个积分时间采集50幅星图，计算机6采图软件由中国电子科技集团公司第四十四研究所提供的；
d、将步骤c每组积分时间采集的50幅星图中任意抽样10幅星图进行处理，利用星图匹配软件，输入赤经84度，赤纬-1度进行初始光轴指向，确定大致天区，依次读入需处理星图，输入星敏感器在实验室标定出的理论焦距f＝24mm，进行星点提取，根据提取出的星点坐标，找出目标星图上不少于3颗恒星(赤经、赤纬已知)，反算最佳焦距，重新输入最佳焦距f1＝23.962mm，修改星点提取阈值为60，设置背景参数为53，再次进行星点提取，得到背景均值为53.813(积分时间参数为95.6ms)、53.817(积分时间参数为143.4ms)、54.137(积分时间参数为525.6ms)，背景起伏值分别为5.612(积分时间参数为95.6ms)、5.57(积分时间参数为143.4ms)、5.604(积分时间参数为525.6ms)；
e、调整转台7的回转角和俯仰角，使外壳结构件2上的固定成像镜头4能够对准天顶方向天区，重复步骤c和步骤d，得到转台7在方位俯仰都是相对0度时对应的星点坐标位置x0，y0，(x0＝705.982，y0＝1265.83)即实验过程中标定出的主点位置；
f、任意选定步骤d中非天顶方向天区匹配成功的两颗恒星，导出匹配成功的星点位置坐标、对应的导航星表中的恒星赤经、赤纬信息，计算星图中选定的两颗恒星惯性方向之间的夹角，作为星对角距的理论值θ；
g、求出步骤f中选定的两颗恒星在星敏感器探测器面阵上的星点位置坐标为(x1，y1)和(x2，y2)，结合步骤e中得到的主点位置(x0,y0)，根据公式(1)(2)计算出选定的两颗恒星对应的星敏感器测量坐标系下的方向向量V1、V2，
其中(x0,y0)是实验过程中标定出的主点位置，即转台7在方位俯仰都是相对0度时对应的星点坐标位置,(x1,y1)和(x2,y2)是星图中匹配成功的任意两颗恒星在星敏感器探测器面阵上的星点位置坐标位置，f是星敏感器在实验室标定出的焦距，即为理论焦距；
利用换算出的星点的方向矢量V1、V2根据公式(4)计算出星对角距的测量值θc；
θc＝acos(V1·V2)
最后计算出星对角距的测量值θc；
h、重复步骤f和步骤g,依次求出抽样10幅星图中的星对角距理论值和测量值，并分别求出星对角距理论值和测量值的均值；
i、将步骤h计算出的星对角距测量值和星对角距理论值的均值作差值，即得到星对角距平均测量误差，分别为18.631角秒(积分时间参数为95.6ms)、23.059角秒(积分时间参数为143.4ms)、9.414角秒(积分时间参数为525.6ms)。
如果想计算辐照累积剂量为不同大小的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品3所对应的星对角距平均测量误差，可以将步骤a中的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品3更换成不同辐照累积剂量后的样品，重复步骤b到步骤i,即可得到结果。
以上所述，仅为本发明提供的一种星对角距平均测量误差的星敏感器辐射损伤外场评估方法的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (1)
1.一种基于星对角距平均测量误差的星敏感器辐射损伤外场评估方法，其特征在于，该方法中涉及装置是由样品测试板(1)、外壳结构件(2)、互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(3)、成像镜头(4)、直流电源(5)、计算机(6)和转台(7)组成，将样品测试板(1)固定在外壳结构件(2)内，在样品测试板(1)上放置互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(3)，在样品测试板(1)上固定成像镜头(4)，样品测试板(1)与直流电源(5)和计算机(6)连接，具体操作按下列步骤进行：
a、将经过辐照后的互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品(3)固定在样品测试板(1)上，将外壳结构件(2)放置到转台(7)上，开始进行外场测试，外场测试时需关闭设备周围所有照明光源；
b、调整转台(7)的回转角和俯仰角，使外壳结构件(2)上的固定成像镜头(4)能够对准目标天区，使天区成像于镜头中心，同时调节光学镜头，使天区中各星点成像清晰；
c、计算机(6)分别以三组不同积分时间进行数据采集，每组积分时间采集50幅星图；
d、将步骤c中每组积分时间采集的50幅星图中任意抽样10幅星图进行处理，利用星图匹配软件，输入初始光轴指向，确定大致天区，依次读入需处理星图，输入星敏感器在实验室标定出的理论焦距f，进行星点提取，根据提取出的星点坐标，找出目标星图上不少于3颗恒星，反算最佳焦距f1，重新输入最佳焦距，再次进行星点提取；
e、调整转台(7)的回转角和俯仰角，使外壳结构件(2)上的固定成像镜头(4)能够对准天顶方向天区，重复步骤c和步骤d，得到转台(7)在方位俯仰都是相对0度时对应的星点坐标位置x0，y0，即实验过程中标定出的主点位置；
f、任意选定步骤d中非天顶方向天区匹配成功的两颗恒星，计算星图中选定的两颗恒星惯性方向之间的夹角，作为星对角距的理论值θ；
g、求出步骤f中选定的两颗恒星在星敏感器探测器面阵上的星点位置坐标为(x1，y1)和(x2，y2)，结合步骤e中得到的主点位置(x0,y0)，根据公式(1)(2)计算出选定的两颗恒星对应的星敏感器测量坐标系下的方向向量V1、V2，
其中(x0,y0)是实验过程中标定出的主点位置，即转台7在方位俯仰都是相对0度时对应的星点坐标位置,(x1,y1)和(x2,y2)是星图中匹配成功的任意两颗恒星在星敏感器探测器面阵上的星点位置坐标位置，f是星敏感器在实验室标定出的焦距，即为理论焦距；
利用换算出的星点的方向矢量V1、V2根据公式(4)计算出星对角距的测量值θc；
θc＝acos(V1·V2) (4)
最后计算出星对角距的测量值θc；
h、重复步骤f和步骤g,依次求出抽样10幅星图中的星对角距理论值和测量值，并分别求出星对角距理论值和测量值的均值；
i、将步骤h计算出的星对角距测量值和星对角距理论值的均值作差值，即得到星对角距平均测量误差。
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-
2021
- 2021-01-27 CN CN202110108151.9A patent/CN112945270B/zh active Active
Patent Citations (8)
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