本文關(guān)鍵詞：光學(xué)像差對星敏感器亞像元質(zhì)心定位精度的影響研究

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【摘要】：星敏感器是實(shí)現(xiàn)飛行器慣性空間三軸姿態(tài)高精度測量的設(shè)備,具備高可靠性、輕小型化、低功耗等特點(diǎn),已經(jīng)成為天文導(dǎo)航中姿態(tài)測量精度最高的儀器,其精度水平的提升對我國空間技術(shù)水平的發(fā)展有著重要意義。在秒級甚至亞秒級高精度星敏感器系統(tǒng)中,通常采用亞像元質(zhì)摘心定位技術(shù)完成星點(diǎn)提取過程,以使單星星點(diǎn)質(zhì)心定位精度達(dá)到亞像元甚至更高的精度級別,決定了星敏感器系統(tǒng)姿態(tài)測量精度的極限。在亞像元質(zhì)心定位技術(shù)中,影響其星點(diǎn)質(zhì)心定位精度的誤差源之一是星點(diǎn)彌散斑模型的選取。傳統(tǒng)的方法采用高斯函數(shù)描述星點(diǎn)彌散斑的分布,忽略光學(xué)像差的影響,已經(jīng)無法滿足實(shí)現(xiàn)甚高精度星敏感器的要求。作為決定星敏感器工作性能的第一要素,星敏感器光學(xué)系統(tǒng)對探測口徑和視場有較高的訴求,光學(xué)像差的客觀存在性與復(fù)雜多樣性,將導(dǎo)致星點(diǎn)彌散斑分布的差異性,從而進(jìn)一步改變星點(diǎn)質(zhì)心定位誤差分布。所以,本文針對甚高精度星敏感器的實(shí)際需求,將理論分析與數(shù)值仿真有機(jī)結(jié)合,重點(diǎn)研究了光學(xué)像差對亞像元質(zhì)心定位精度的影響機(jī)理與分布規(guī)律,并完成大視場、無熱化、高精度星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),具體工作內(nèi)容包括:1.對亞像元質(zhì)心定位技術(shù)進(jìn)行了研究,包括應(yīng)用機(jī)理、部分細(xì)分算法、噪聲源等方面。探討了亞像元質(zhì)心定位技術(shù)對星敏感器探測能力與測量精度的影響,采用解析推導(dǎo)與數(shù)值分析結(jié)合的方式,證明傳統(tǒng)星點(diǎn)高斯彌散斑模型已不能滿足星敏感器秒級甚至亞秒級精度的要求,研究光學(xué)像差對亞像元質(zhì)心定位技術(shù)的影響是追求甚高精度星敏感器的必然選擇;2.基于光學(xué)像差理論,借助夫瑯禾費(fèi)衍射理論、Zernike像差多項(xiàng)式分析像差光學(xué)系統(tǒng)中星點(diǎn)彌散斑分布的空間特性,并輔以光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax完成了驗(yàn)證;3.采用數(shù)值分析與程序編寫相結(jié)合的方法,揭示各類光學(xué)像差對亞像元質(zhì)心定位精度的影響機(jī)理和分布規(guī)律,推導(dǎo)出光學(xué)像差與質(zhì)心定位誤差的函數(shù)關(guān)系,為抑制或消除光學(xué)像差對亞像元質(zhì)心定位精度的影響提供理論依據(jù);4.綜合各類光學(xué)像差對亞像元質(zhì)心定位精度影響程度的差異性,提出了星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的像差控制準(zhǔn)則,用于指導(dǎo)高精度的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì);5.采用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CODE V,依據(jù)像差控制準(zhǔn)則及其他星敏感器光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的要求完成了大視場、無熱化、高精度星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),為F/1.5、FOV/26°的折射式復(fù)雜雙高斯系統(tǒng),并對系統(tǒng)進(jìn)行了像質(zhì)評價(jià)、光譜分析、熱適應(yīng)分析與質(zhì)心定位精度分析。
【關(guān)鍵詞】：星敏感器 光學(xué)像差 質(zhì)心定位 高精度 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 緒論13-25
• 1.1 課題研究背景與意義13-15
• 1.1.1 課題研究背景13-14
• 1.1.2 課題研究意義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 星敏感器的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢16-21
• 1.3 星點(diǎn)提取過程概述21-22
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容22-25
• 第2章 亞像元質(zhì)心定位技術(shù)及其精度分析25-37
• 2.1 亞像元質(zhì)心定位技術(shù)機(jī)理25-27
• 2.2 亞像元質(zhì)心定位技術(shù)細(xì)分算法27-29
• 2.2.1 灰度加權(quán)質(zhì)心法27-28
• 2.2.2 高斯擬和質(zhì)心法28-29
• 2.2.3 相關(guān)質(zhì)心算法29
• 2.3 亞像元質(zhì)心定位技術(shù)精度分析29-36
• 2.3.1 電子學(xué)噪聲誤差29-32
• 2.3.2 細(xì)分算法誤差32-34
• 2.3.3 星點(diǎn)彌散斑模型誤差34-36
• 2.4 本章小結(jié)36-37
• 第3章 光學(xué)像差對亞像元質(zhì)心定位精度的影響分析37-53
• 3.1 星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模分析37-42
• 3.1.1 光學(xué)系統(tǒng)成像過程建模37-38
• 3.1.2 衍射受限光學(xué)系統(tǒng)理論模型分析38-40
• 3.1.3 像差光學(xué)系統(tǒng)理論模型分析40-42
• 3.2 非像差光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)心定位精度分析42-45
• 3.2.1 基于高斯彌散斑模型理想光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)心定位精度分析42-43
• 3.2.2 基于Airy斑模型衍射受限光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)心定位精度分析43-45
• 3.3 像差光學(xué)系統(tǒng)中星點(diǎn)質(zhì)心定位精度分析45-51
• 3.3.1 光學(xué)系統(tǒng)像差分析45-47
• 3.3.2 基于點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的像差光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)心定位精度分析47-51
• 3.4 本章小結(jié)51-53
• 第4章 高精度星敏感器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)53-65
• 4.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選型53-57
• 4.1.1 折射式系統(tǒng)53-54
• 4.1.2 反射式系統(tǒng)54-55
• 4.1.3 折反射式系統(tǒng)55-56
• 4.1.4 折衍射式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)56-57
• 4.1.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的確定57
• 4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定57-61
• 4.2.1 材料的選擇依據(jù)57-59
• 4.2.2 波長及權(quán)重的選擇59-60
• 4.2.3 視場的確定60-61
• 4.2.4 像差的控制61
• 4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)61-63
• 4.4 本章小結(jié)63-65
• 第5章 高精度星敏感器光學(xué)系統(tǒng)評價(jià)65-83
• 5.1 系統(tǒng)的像質(zhì)評價(jià)65-70
• 5.1.1 系統(tǒng)的點(diǎn)列圖65-66
• 5.1.2 系統(tǒng)的畸變66-68
• 5.1.3 系統(tǒng)的垂軸色差68
• 5.1.4 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)68-69
• 5.1.5 系統(tǒng)的能量集中度曲線69-70
• 5.2 系統(tǒng)的光譜響應(yīng)分析70-73
• 5.3 系統(tǒng)的熱適應(yīng)性分析73-78
• 5.4 系統(tǒng)的質(zhì)心定位精度分析78-80
• 5.5 本章小結(jié)80-83
• 第6章 總結(jié)與展望83-85
• 6.1 論文的成果與研究工作83-84
• 6.2 展望84-85
• 參考文獻(xiàn)85-91
• 在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況91-93
• 指導(dǎo)教師及作者簡介93-95
• 致謝95-96

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