光学像差对星敏感器亚像元质心定位精度的影响研究

发布时间：2017-09-02 18:40

  本文关键词：光学像差对星敏感器亚像元质心定位精度的影响研究

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【摘要】：星敏感器是实现飞行器惯性空间三轴姿态高精度测量的设备,具备高可靠性、轻小型化、低功耗等特点,已经成为天文导航中姿态测量精度最高的仪器,其精度水平的提升对我国空间技术水平的发展有着重要意义。在秒级甚至亚秒级高精度星敏感器系统中,通常采用亚像元质摘心定位技术完成星点提取过程,以使单星星点质心定位精度达到亚像元甚至更高的精度级别,决定了星敏感器系统姿态测量精度的极限。在亚像元质心定位技术中,影响其星点质心定位精度的误差源之一是星点弥散斑模型的选取。传统的方法采用高斯函数描述星点弥散斑的分布,忽略光学像差的影响,已经无法满足实现甚高精度星敏感器的要求。作为决定星敏感器工作性能的第一要素,星敏感器光学系统对探测口径和视场有较高的诉求,光学像差的客观存在性与复杂多样性,将导致星点弥散斑分布的差异性,从而进一步改变星点质心定位误差分布。所以,本文针对甚高精度星敏感器的实际需求,将理论分析与数值仿真有机结合,重点研究了光学像差对亚像元质心定位精度的影响机理与分布规律,并完成大视场、无热化、高精度星敏感器光学系统设计,具体工作内容包括:1.对亚像元质心定位技术进行了研究,包括应用机理、部分细分算法、噪声源等方面。探讨了亚像元质心定位技术对星敏感器探测能力与测量精度的影响,采用解析推导与数值分析结合的方式,证明传统星点高斯弥散斑模型已不能满足星敏感器秒级甚至亚秒级精度的要求,研究光学像差对亚像元质心定位技术的影响是追求甚高精度星敏感器的必然选择;2.基于光学像差理论,借助夫琅禾费衍射理论、Zernike像差多项式分析像差光学系统中星点弥散斑分布的空间特性,并辅以光学设计软件Zemax完成了验证;3.采用数值分析与程序编写相结合的方法,揭示各类光学像差对亚像元质心定位精度的影响机理和分布规律,推导出光学像差与质心定位误差的函数关系,为抑制或消除光学像差对亚像元质心定位精度的影响提供理论依据;4.综合各类光学像差对亚像元质心定位精度影响程度的差异性,提出了星敏感器光学系统设计时的像差控制准则,用于指导高精度的星敏感器光学系统设计;5.采用的光学设计软件CODE V,依据像差控制准则及其他星敏感器光学系统技术指标的要求完成了大视场、无热化、高精度星敏感器光学系统设计,为F/1.5、FOV/26°的折射式复杂双高斯系统,并对系统进行了像质评价、光谱分析、热适应分析与质心定位精度分析。
【关键词】：星敏感器 光学像差 质心定位 高精度 光学系统设计
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 课题研究背景与意义13-15
• 1.1.1 课题研究背景13-14
• 1.1.2 课题研究意义14-15
• 1.2 星敏感器概述15-21
• 1.2.1 星敏感器的工作原理15-16
• 1.2.2 星敏感器的发展现状与趋势16-21
• 1.3 星点提取过程概述21-22
• 1.4 本文主要研究内容22-25
• 第2章 亚像元质心定位技术及其精度分析25-37
• 2.1 亚像元质心定位技术机理25-27
• 2.2 亚像元质心定位技术细分算法27-29
• 2.2.1 灰度加权质心法27-28
• 2.2.2 高斯拟和质心法28-29
• 2.2.3 相关质心算法29
• 2.3 亚像元质心定位技术精度分析29-36
• 2.3.1 电子学噪声误差29-32
• 2.3.2 细分算法误差32-34
• 2.3.3 星点弥散斑模型误差34-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第3章 光学像差对亚像元质心定位精度的影响分析37-53
• 3.1 星敏感器光学系统的数学建模分析37-42
• 3.1.1 光学系统成像过程建模37-38
• 3.1.2 衍射受限光学系统理论模型分析38-40
• 3.1.3 像差光学系统理论模型分析40-42
• 3.2 非像差光学系统质心定位精度分析42-45
• 3.2.1 基于高斯弥散斑模型理想光学系统质心定位精度分析42-43
• 3.2.2 基于Airy斑模型衍射受限光学系统质心定位精度分析43-45
• 3.3 像差光学系统中星点质心定位精度分析45-51
• 3.3.1 光学系统像差分析45-47
• 3.3.2 基于点扩散函数的像差光学系统质心定位精度分析47-51
• 3.4 本章小结51-53
• 第4章 高精度星敏感器光学系统设计53-65
• 4.1 系统的结构选型53-57
• 4.1.1 折射式系统53-54
• 4.1.2 反射式系统54-55
• 4.1.3 折反射式系统55-56
• 4.1.4 折衍射式系统结构56-57
• 4.1.5 系统结构形式的确定57
• 4.2 系统设计指标的确定57-61
• 4.2.1 材料的选择依据57-59
• 4.2.2 波长及权重的选择59-60
• 4.2.3 视场的确定60-61
• 4.2.4 像差的控制61
• 4.3 系统设计61-63
• 4.4 本章小结63-65
• 第5章 高精度星敏感器光学系统评价65-83
• 5.1 系统的像质评价65-70
• 5.1.1 系统的点列图65-66
• 5.1.2 系统的畸变66-68
• 5.1.3 系统的垂轴色差68
• 5.1.4 系统的传递函数68-69
• 5.1.5 系统的能量集中度曲线69-70
• 5.2 系统的光谱响应分析70-73
• 5.3 系统的热适应性分析73-78
• 5.4 系统的质心定位精度分析78-80
• 5.5 本章小结80-83
• 第6章 总结与展望83-85
• 6.1 论文的成果与研究工作83-84
• 6.2 展望84-85
• 参考文献85-91
• 在学期间学术成果情况91-93
• 指导教师及作者简介93-95
• 致谢95-96

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本文编号：780267