[發明專利]一種星敏感器遮光罩設計方法及星敏感器

有效

• 申請號: 201810506540.5
• 申請日: 2018-05-24
• 公開（公告）號: CN109000637B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 邢飛;王賡;尤政
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01C21/02
• 分類號: G01C21/02
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩;吳歡燕

本發明提供一種星敏感器遮光罩設計方法和星敏感器，包括：確定星敏感器的地氣光抑制角，并通過星敏感器鏡頭對大于鏡頭半視場角的不同入射角度平行光成像，對成像灰度值進行分析得到星敏感器鏡頭的鏡頭雜散光抑制角；基于實際圖像探測器參數、所述鏡頭雜散光抑制角和所述地氣光抑制角得到遮光罩半視場角，并基于星敏感器鏡頭通光口徑、遮光罩半視場角和地氣光抑制角得到遮光罩長度和遮光罩入光端通光口徑。可以有效解決由于不合理的遮光罩設計引起的星敏感器圖像探測器部分成像區域高亮影響星點提取這一問題，同時為星敏感器遮光罩視場角設計提供充分依據。

技術領域

本發明涉及高對比度光學成像系統雜散光抑制領域，更具體地，涉及一種星敏感器遮光罩設計方法和星敏感器。

背景技術

星敏感器作為一種高精度、高可靠性姿態敏感測量器件，在當前航天飛行器中得到了廣泛應用。星敏感器主要原理是：利用恒星位置相對于慣性空間基本不動的規律，通過對一個天區的恒星光電成像獲取星圖，再對星圖進行處理和識別得到測量敏感器光軸在慣性空間指向，經過星敏感器在航天器安裝坐標系與航天器姿態坐標系的轉換即可得到航天器的三軸姿態；與其它姿態敏感器相比，星敏感器以恒星作為姿態測量參考基準，可以輸出極高精度的絕對姿態信息并廣泛應用于空間飛行器。然而，在軌運行工作中，星敏感器除了能接收到目標星的能量外，還會受到地球大氣層反射光、太陽光以及各種星體發出的光等雜散輻射的干擾。雜散光進入星敏感器視場，使得背景噪聲提高，嚴重時甚至會使目標圖像或信號完全被雜光噪聲所淹沒，對星敏感器星點提取的準確性與可靠性帶來較大的影響。而且，由于空間飛行器任務多樣化及空間雜散光分布相對復雜，星敏感器微弱星光成像易受來自空間及自身等強雜散光的影響，使其成像質量下降、信噪比降低，甚至使星敏感器失效。

對于星敏感器而言，由于其所需探測的星光極其微弱，大約為太陽光照度的1/10⁹，因此，來自空間的非成像光源，如太陽光、地氣光以及航天器本身反照光會嚴重影響其成像質量。為抑制雜散光對星敏感器的影響，有許多方法被提出并得到廣泛應用，如采用多級光闌遮光罩使雜散光經多次散射后到達成像面，涂覆高吸光率黑色材料于結構表面降低進入系統的雜散光能量，優化星點提取算法，優化星敏感器安裝指向等方法等。在遮光罩設計方面，為提高其雜散光抑制率，同樣有許多方法被提出并得到應用，如采用二級或三級遮光罩、優化光闌傾角以及光闌尖端倒角、對于特殊軌道特定應用采用非對稱遮光罩、程序化遮光罩及光闌設計等。但未涉及與光學系統一體化設計，即在設計星敏感器遮光罩時，需分析星敏感器鏡頭雜散光抑制性能、圖像探測器參數與遮光罩設計之間的關系。由于星敏感器遮光罩結構參數設計不僅與鏡頭口徑、視場角以及雜散光抑制角等參數有關，同時與光學鏡頭雜散光抑制性能、圖像探測器緊密相關，在未考慮上述條件的情況下，不合理的遮光罩設計將會導致圖像探測器部分區域高亮成像，嚴重影響星敏感器星點提取質量。

發明內容

本發明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種星敏感器遮光罩設計方法和星敏感器，在分析星敏感器鏡頭雜散光抑制性能及圖像探測器參數的基礎上，解決了現有技術中沒有涉及星敏感器遮光罩與光學系統一體化設計，導致圖像探測器部分區域高亮成像，嚴重影響星敏感器星點提取質量的問題。

根據本發明的一個方面，提供一種星敏感器遮光罩設計方法，包括：

確定星敏感器的地氣光抑制角，并通過星敏感器鏡頭對大于鏡頭半視場角的不同入射角度平行光成像，對成像灰度值進行分析得到星敏感器鏡頭的鏡頭雜散光抑制角；

基于圖像探測器參數、所述鏡頭雜散光抑制角和所述地氣光抑制角得到遮光罩半視場角，并基于星敏感器鏡頭通光口徑、遮光罩半視場角和地氣光抑制角得到遮光罩長度和遮光罩入光端通光口徑。

作為優選的，通過星敏感器鏡頭對大于鏡頭半視場角的不同入射角度平行光成像，具體包括：

將未裝配遮光罩的星敏感器安裝在轉臺上，采用平行光管在大于星敏感器鏡頭半視場角下向星敏感器發出不同角度的平行光，進行星敏感器成像。