文章快速检索  
  高级检索
星敏感器杂散光抑制方法及仿真分析
李洋 , 廖志波 , 穆生博 , 张庭成     
北京空间机电研究所, 北京 100094
摘要: 星敏感器的探测目标是深黑空间中的恒星,属于暗目标探测系统,对杂散光的干扰非常敏感,因此,星敏感器杂散光抑制能力是其观测能力的重要影响因素。以点源透过率(PST)为评价指标,计算观测目标7.5等星时星敏感器需要达到的杂散光抑制指标,并以此为基础,提出一种有效的杂散光抑制方法,包括外遮光罩设计、消杂散光光阑设计,以及内部机械结构的关键表面的消杂散光处理。采用Lighttools软件对设计结果进行仿真,设计与分析结果表明,该杂散光抑制方法能够有效抑制星敏感器的杂散光,实现观测7.5等星的目标。
关键词: 星敏感器     杂散光     遮光罩     光阑     点源透过率(PST)    
Stray light suppressing technique and simulation for star sensor
LI Yang , LIAO Zhibo , MU Shengbo , ZHANG Tingcheng     
Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China
Received: 2015-12-02; Accepted: 2016-03-04; Published online: 2016-04-12 14:26
Foundation item: Assembly Advance Research Foundation Project (9140A21010114HT05063)
Corresponding author. LI Yang, Tel.:010-68114646, E-mail:lyshelly@sina.cn
Abstract: Star sensor used for deep space stars exploration is a faint signal detector. Star sensor is sensitive to slender stray light, and therefore, the stray light suppressing ability is a key influencing factor of the exploration ability. Through the point source transmittance (PST), the suppression indicators of the star sensor are calculated by the standard of the target brightness which is detected 7m.5 stars. Based on the standard evaluation, an effective suppressing technique is proposed, which includes the design of baffle, stop and special artificial processes for critical objects. In the end, the simulation results are analyzed and calculated with Lighttools software. The results indicate that the stray light suppressing technique is effective, and the results can meet the needs of detecting 7m.5 stars.
Key words: star sensor     stray light     baffle     stop     point source transmittance (PST)    

星敏感器的探测目标是深黑空间中的恒星,属于暗目标探测系统,其杂散光来源主要是太阳光、月亮光和地气光等视场外强光,它们与7.5等星相比,强度都在1013以上[1],因此,星敏感器对杂散光的影响非常敏感,杂散光的抑制设计是星敏感器研制的关键技术之一,是影响其观测能力的重要因素[2-4]

目前,国内外针对星敏感器外遮光罩的设计,应用较广泛且抑制能力较好的有两节型及优化的两节型外遮光罩、三节型外遮光罩,可满足观测5等星的目标[2, 5]。但对于7等星及以上更暗的观测目标,所设计的外遮光罩往往结构体积过于庞大,不能满足卫星平台对于结构尺寸的要求,国内外对此研究的也较少。本文提出星敏感器杂散光抑制指标(点源透过率(PST))的计算方法,计算观测7.5等星时星敏感器所需的PST指标要求,并以此为基础,提出一种基于两节吸收型外遮光罩,光学系统内部设计消杂散光光阑、关键表面采用特殊工艺处理的方法,将星敏感器的杂散光抑制能力提高到观测7.5等星的目标。

1 星敏感器杂散光抑制指标分析

星敏感器的主要杂散光源为太阳光、月亮光和地气光等强杂散辐射源,由于太阳光的能量远远高于月亮、地气等杂散光,本文计算的星敏感器杂散光抑制指标主要考虑太阳杂散光。因此,需计算星敏感器对太阳光的衰减能力[6-7]。PST表征光学系统本身对外部杂散光的衰减能力,且其与杂散光源的辐射强度无关。因此,星敏感器一般选择PST作为杂散光抑制指标。根据太阳光的辐射能量及星敏感器自身结构参数即可计算系统的杂散光指标(PST)要求。

PST定义为光学系统视场外视场角为θ的点源目标的辐射,经过光学系统后,在像面产生的辐射照度与输入的辐射照度的比值[8],即

(1)

式中:Ed(θ)为探测器上接收的辐射照度;Ei(θ)为入射光的辐射照度。

根据探测器的光谱响应,星敏感器工作谱段一般为可见光及近红外,并且具有较大视场角,很容易引进杂散光。

m等星在地球大气外的照度Hm[9]

(2)

CCD上接收到的恒星星光照度Hc

(3)

式中:k为光学系统透过率;S0为通光孔的面积;S1为星像点的面积。

CCD上接收到的杂散光照度Hs

(4)

式中:H为太阳光在可见光及近红外谱段范围内照度。

根据CCD的特性及信噪比,杂散光能量小于成像能量的5%时[10],成像就可清晰辨认,故以CCD上接收到的杂散光能量小于成像能量的5%为指标,可认定杂散光抑制达到标准。

(5)

计算出在太阳光抑制角为35°时,观测7.5等星时,星敏感器的PST应满足:

(6)
2 杂散光抑制方法 2.1 外遮光罩设计

对于微弱信号暗目标成像系统,本文星敏感器的外遮光罩采用两节吸收型结构。两节吸收型外遮光罩的设计原则应遵循:①视场内成像光线不能被遮挡;②视场外入射强光不能直接进入Ⅰ级遮光罩;③视场外杂散光至少经过Ⅱ级遮光罩2次及以上的散射进入光学系统[11]。两节吸收型外遮光罩的设计原理及计算模型如图 1图 2所示。图 2中:L为遮光罩长度;d为通光口径;ψ为杂散光抑制角。式(7)~式(9)给出了两节吸收型外遮光罩的计算公式。

图 1 外遮光罩设计原理 Fig. 1 Design principles of baffle
图 2 外遮光罩计算模型 Fig. 2 Calculation model of baffle
(7)
(8)
(9)

式中:L1为第1节遮光罩长度;L2为第2节遮光罩长度;D为遮光罩最外端开口直径。

本节结合具体的星敏感器,设计优化了两节吸收型外遮光罩及挡光环的基本结构形式及其改进结构,在外遮光罩长度相等时,设计了4种不同结构形式的外遮光罩,并在下文针对每种结构的杂散光抑制能力开展仿真分析,选取最优设计方案,同时,总结星敏感器外遮光罩的设计原则。某星敏感器外遮光罩设计指标要求如表 1所示,外遮光罩设计结果如表 2所示。设计的4种结构分别如图 3(a)~图 3(d)所示,其中,结构Ⅰ为两节圆柱型,挡光环垂直筒壁,挡光环端面无刃边;结构Ⅱ为两节圆柱型,挡光环垂直筒壁,挡光环端面有刃边;结构Ⅲ为两节圆柱型,挡光环与筒壁倾斜一定角度,挡光环端面有刃边;结构Ⅳ为圆锥状遮光罩,挡光环与筒壁倾斜一定角度,挡光环端面有刃边[12-13]

表 1 外遮光罩设计指标要求 Table 1 Design index requirements of baffle
指标 ψ/(°) θ/(°) d/mm PST
数值 35 ±9.3 50 8.76×10-9

表 2 外遮光罩设计结果 Table 2 Design results of baffle
参数 长度/mm 最大口径/mm
数值 260 150

图 3 外遮光罩结构 Fig. 3 Structure of baffle
2.2 消杂散光光阑设计

光阑是透射式光学系统杂散光抑制的重要手段,其一般分为孔径光阑、视场光阑和消杂散光光阑。一般来说,孔径光阑能够直接影响到杂散光路的形成,孔径光阑越靠近像面,杂散光抑制的效果越好,相反,孔径光阑越远离像面,杂散光抑制能力越差;视场光阑通常放置在光学系统一次像或者像面位置,限制“关键表面”的数量,减少其传递的能量[14]。本文星敏感器光学系统的孔径光阑位于第3片透镜前表面,孔径光阑位置较靠近光学系统前方,不利于杂散光抑制,且光学系统不存在中间像,成像视场为面阵,无法在中间像或像面位置设计视场光阑,因此,系统内部第3片透镜前表面以后的光机结构均属于“关键表面”,数量较多,“关键表面”能够直接将入射光线反射到像面形成杂散光,非常不利于光学系统消杂散光。因此,本文通过分析光学系统结构和软件光线追迹结果,在光学系统内部通光口径最小的位置,设计消杂散光光阑(第5片透镜前),如图 4所示,由于其通光口径小,能够最大限度地阻挡视场外杂散光,同时,在第5片透镜前增加消杂光光阑后,“关键表面”为消杂光光阑后方(第5片透镜)的透镜及机械结构表面,减少了系统“关键表面”数量,限制能够到达像面的视场外杂散光,均有利于光学系统杂散光的抑制。其中,“关键表面”定义为从光学系统像空间能够直接被看到的表面。

图 4 消杂散光光阑 Fig. 4 Stray light elimination stop
2.3 关键表面处理

消杂散光光阑后面的机械结构表面均能够被像面看到,即“关键表面”,到达“关键表面”的入射光线能够直接被反射到像面形成杂散光,影响成像。因此,需通过对“关键表面”的机械结构表面进行工艺处理,如增加粗糙度等[15],同时喷涂高吸收率的消杂散光黑漆,使其表面吸收率增加到0.9以上,减少机械结构表面散射引起的杂散光。

3 仿真分析

本文采用Lighttools软件对星敏感器进行建模仿真分析,软件中对各个表面的表面特性进行设置。其中,光学透镜设置为透镜表面,其透过率设置为0.98,反射率设置为0.01,吸收率设置为0.01;外遮光罩设置为漫反射结构表面,其吸收率设置为0.9, 漫反射率设置为0.1;光机系统内关键结构表面吸收率设置为0.9,漫反射率设置为0.1;其余机械结构表面按照软件自带结构材料表面参数数据库进行设置。完成上述设置后,Lighttools软件光线追迹数量为1亿条以上,能够满足软件计算精度要求。计算太阳光在杂散光抑制角外,以不同角度入射时,星敏感器的杂散光抑制(PST)能力。表 3给出了外遮光罩及挡光环采用第2.1节中4种不同设计结构时不同离轴角度的星敏感器的PST计算结果。

表 3 4种结构PST计算结果 Table 3 PST calculation results of four structures
结构 PST
35° 40° 45° 50° 55° 60° 65° 70°
9.95×10-8 9.67×10-8 8.88×10-8 8.26×10-8 8.03×10-8 7.49×10-8 7.21×10-8 6.34×10-8
1.16×10-8 2.65×10-8 2.69×10-8 2.60×10-8 2.53×10-8 2.46×10-8 2.01×10-8 6.26×10-9
8.57×10-9 8.20×10-9 7.63×10-9 6.85×10-9 6.64×10-9 6.42×10-9 5.34×10-9 1.25×10-9
7.69×10-9 7.44×10-9 6.82×10-9 6.51×10-9 5.76×10-9 6.03×10-9 5.11×10-9 1.07×10-9

由Lighttools软件光线追迹结果可知,星敏感器的光机系统中没有经过遮光罩内壁一次反射到达像面的一级杂散光,到达像面的杂散光主要路径是入射光线经过挡光环多次反射到达像面形成的杂散光。由表 3仿真计算结果可知,结构Ⅱ优化了挡光环边缘的刃边,减小了挡光环端面的散射,其设计结果优于结构Ⅰ挡光环无刃边的结构;结构Ⅲ、结构Ⅳ优化了挡光环的倾斜角度,减少了挡光环间多次反射到达像面形成的杂散光,其设计结果明显优于结构Ⅰ、结构Ⅱ挡光环垂直的结构,杂散光抑制能力能够提高1个量级。分析结果显示,在太阳光入射角大于杂散光抑制角35°以后,采用结构Ⅲ、结构Ⅳ,星敏感器的杂散光抑制指标PST降低到10-9量级。因此,结构Ⅲ、结构Ⅳ均能够满足观测7.5等星的指标要求。

根据以上分析结果,总结出星敏感器杂散光抑制的主要技术措施,主要体现在以下几点:

1)  对于轴外大角度入射的光线,挡光环自身设计一定的倾角能够减少挡光环间多次反射产生的杂散光,提高系统杂散光抑制能力。

2)  挡光环边缘刃边设计一定倾角,能够减小挡光环的端面散射,提高杂散光抑制能力,该倾角一般取30°~45°。

3) 星敏感器内部光阑的设计及关键表面的处理也是提高杂散光抑制能力的关键因素,一般通过在恰当的位置设计视场光阑、消杂散光光阑、关键表面进行工艺以及发黑处理等手段,能够提高2个量级的杂散光抑制能力。

4)  遮光罩表面的散射特性也是提高杂散光抑制能力的关键因素,若观测7.5等以上的恒星,其表面吸收率要达到0.9以上。

4 结论

通过对星敏感器外遮光罩的仿真分析,本文结论如下:

1)  本文详细分析了星敏感器评价指标(PST)的计算方法。

2) 讨论了某星敏感器的杂散光抑制方法,给出了两节吸收型遮光罩的设计方法、消杂散光光阑的设计方法及关键表面采取的工艺措施等。

3) 总结了星敏感器杂散光抑制的主要技术措施。

4) 采用Lighttools软件对设计结果进行仿真分析,选择最佳设计方案。

仿真计算结果表明星敏感器在杂散光抑制角外的PST能够达到10-9以上,所提出杂散光抑制方法,能够满足观测7.5等星的使用需求。

参考文献
[1] 姚亚萍. 天文知识[M]. 苏州: 苏州大学出版社, 1999 : 21 -28. YAO Y P. Astronomy[M]. Suzhou: Suzhou University Press, 1999 : 21 -28. (in Chinese)
[2] 廖志波, 伏瑞敏, 宗肖颖. 星敏感器反射式遮光罩设计[J]. 红外与激光工程, 2011, 40 (1) : 66 –69. LIAO Z B, FU R M, ZONG X Y. Design of specular baffle of star sensor[J]. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40 (1) : 66 –69. (in Chinese)
[3] KAWANO H, SHIMOJI H, YOSHIKAWA S, et al.Suppression of sun interference in the star sensor baffling stray light by total internal reflection[C]//Optical Systems Design 2005, 2005:59621R-1-59621R-10.
[4] 何灵娜, 崔维鑫, 裴云天. CMOS星敏感器光学系统的设计[J]. 光学技术, 2007, 33 (S1) : 195 –198. HE L N, CUI W X, PEI Y T. Optical design of CMOS star sensor[J]. Optical Technique, 2007, 33 (S1) : 195 –198. (in Chinese)
[5] 廖志波, 伏瑞敏, 宗肖颖. 星敏感器遮光罩的优化设计[J]. 中国激光, 2010, 37 (4) : 987 –990. LIAO Z B, FU R M, ZONG X Y. Optimal design of baffle of star sensor[J]. Chinese Journal of Laser, 2010, 37 (4) : 987 –990. DOI:10.3788/CJL (in Chinese)
[6] 张春明, 解永春, 王立, 等. 地球反照对星敏感器的影响分析[J]. 激光与红外, 2012, 42 (9) : 1011 –1015. ZHANG C M, XIE Y C, WANG L, et al. Analysis of influence of earth albedo on star tracker[J]. Laser & Infrared, 2012, 42 (9) : 1011 –1015. (in Chinese)
[7] 陈世平. 景物和成像条件对遥感图像品质的影响[J]. 航天返回与遥感, 2010, 31 (1) : 1 –7. CHEN S P. The effects on romote sensing image quality from scenes and imaging condition[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2010, 31 (1) : 1 –7. (in Chinese)
[8] 张新宇, 郝云彩. 星敏感器星点能量分布数学模型及其对精度的影响分析[J]. 空间控制技术与应用, 2013, 39 (3) : 14 –18. ZHANG X Y, HAO Y C. Analysis of the star image energy distribution mathematical model and its effect on the accuracy for a star tracker[J]. Aerospace Control and Application, 2013, 39 (3) : 14 –18. (in Chinese)
[9] 陈博洋, 李欣耀, 郭强, 等. FY-2E卫星杂散光评价与分析[J]. 红外技术, 2010, 32 (11) : 636 –644. CHEN B Y, LI X Y, GUO Q, et al. Estimate and analysis for stray light of FY-2E satellite[J]. Infrared Technology, 2010, 32 (11) : 636 –644. (in Chinese)
[10] 李芸, 相里斌, 李立波. 一种新型空间相机遮光罩的设计与仿真[J]. 光电工程, 2010, 37 (7) : 41 –44. LI Y, XIANG L B, LI L B. Design and simulation of the baffle of a new type space camera[J]. Opto-Electronic Engineering, 2010, 37 (7) : 41 –44. (in Chinese)
[11] 卢卫, 李展, 张建荣, 等. 星敏感器中遮光罩设计及结果模拟[J]. 光电工程, 2001, 28 (3) : 12 –15. LU W, LI Z, ZHANG J R, et al. Design of lens hood for star sensor and result simulation[J]. Opto-Electronic Engineering, 2001, 28 (3) : 12 –15. (in Chinese)
[12] KAWANO H, SATO Y, MITANI K, et al.New light shielding technique for shortening the baffle length of a star sensor[C]//Conference on Current Developments in Lens Design and Optical Engineering Ⅲ.Bellingham, WA:SPIE, 2002, 4767:62-69.
[13] PETERS P J.Aperture shaping-A technique for the control of the spatial distribution of diffracted energy[C]//Conference on Stray Light Problems in Optical Systems.Bellingham, WA:SPIE, 1977, 107:63-70.
[14] 赵阳.新型反射式星敏感器光学系统设计[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2007:48-56. ZHAO Y.New type reflective optical system design for a star sensor[D].Harbin:Harbin Institute of Technology, 2007:48-56(in Chinese).
[15] 吴厚翠.我国星船消杂光功能应用表面处理概况[C]//北京电镀行业清洁生产研讨会, 2002:144-146. WU H C.Development of surface treatment for eliminating parasitic light in satellite manufacturing industry[C]//Beijing Electroplating Industry Clean Production Workshop, 2002:144-146(in Chinese).
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0793
北京航空航天大学主办。
0

文章信息

李洋, 廖志波, 穆生博, 张庭成
LI Yang, LIAO Zhibo, MU Shengbo, ZHANG Tingcheng
星敏感器杂散光抑制方法及仿真分析
Stray light suppressing technique and simulation for star sensor
北京航空航天大学学报, 2016, 42(12): 2620-2624
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2016, 42(12): 2620-2624
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0793

文章历史

收稿日期: 2015-12-02
录用日期: 2016-03-04
网络出版时间: 2016-04-12 14:26

相关文章

工作空间