發(fā)布時間：2020-07-11 15:49

【摘要】：作為常用的姿態(tài)傳感器,星敏感器具有測量精度高,自主導航定位等優(yōu)點,廣泛應用于軍事、民用、航海等各個領域。光學系統(tǒng)是星敏感器的核心部件,光學系統(tǒng)的設計質量決定了接收星像點的好壞,影響系統(tǒng)的后續(xù)處理過程速度以及定位的準確度。光學系統(tǒng)的裝調是保證成像質量的重要環(huán)節(jié)。因此,開展星敏感器鏡頭設計及裝調技術的研究具有重要研究意義。為了提高系統(tǒng)的相對孔徑,拓寬探測的光譜范圍,得到性能優(yōu)良、符合實際加工生產水平的星敏感器光學系統(tǒng),基于衛(wèi)星平臺的功能需求,本文系統(tǒng)地調研和分析了國內外星敏感器的光學系統(tǒng),通過相關參數(shù)計算以及傳感器靈敏度模型的建立,確定了星敏感器光學系統(tǒng)的設計參數(shù)。根據確定的參數(shù),設計了一款星敏感器光學系統(tǒng),該光學系統(tǒng)由1片保護玻璃、7片球面透鏡和一片濾光片組成,光譜范圍為500~800 nm,焦距為50 mm,相對孔徑為1/1.25,視場角為8.45°×8.45°(對角線視場角為11.96°),總長為83.33 mm。系統(tǒng)采用像方遠心光路,減小了因像面離焦及其他因素引起的測量誤差。優(yōu)化后的系統(tǒng)畸變小于0.5%,質心色偏差控制在±2μm范圍內,能量集中度(3×3像元內)大于80%,最大倍率色差為-0.073μm,軸外視場的彌散斑能量集中度和軸上視場基本一致。對比不同溫度下的光學系統(tǒng),焦距變化量很小,驗證了無熱化設計原則,鏡頭的成像質量良好。裝調技術影響著光學系統(tǒng)成像性能的好壞,對于本文設計的星敏感器光學系統(tǒng),本文研究了針對此類型的折射式光學系統(tǒng)常用的裝調方法,主要包括:直接裝調法、定心車削裝調法、定心調整裝調法,并重點分析了適用于星敏感器光學系統(tǒng)的裝調方法。在此基礎上,研究了一種新型的自動定心裝調技術,并搭建相關實驗。結果表明,此種技術的測量精度可以達到微米量級,可應用于未來的星敏感器光學系統(tǒng)及其他高精度光學系統(tǒng)的裝調,降低了裝調難度,提高了光學系統(tǒng)的裝調精度。
【學位授予單位】：長春理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V448.22;O43;TP212
【圖文】：

它為測量系統(tǒng)提供的天體基準，晝夜均可使用，精密度已經超過了太陽敏器。1964年7月，法蘭德光學公司和斯佩里陀螺儀器公司聯(lián)合開發(fā)了FAST星跟蹤器。將其安裝在大西洋測量船“阿諾德將軍”上，具體參數(shù)為：光學孔徑可達到400毫，夜間可以觀察到+7.0等星。并且于1968年，該敏感器又在此被安裝在法國“亨利.加勒”測距船上[7]。第二階段的發(fā)展源于20世紀70年代早期CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器的出現(xiàn)[8]。CCD電荷耦合器件最初由美國貝爾電話實驗室的W.S.Boyle和G. E.Smith出。由于它的體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等特點，因此適合空間應用[9]。過后期研究，其應用迅速發(fā)展，掀起了CCD星敏感器發(fā)展的熱潮。1989年，法國的SODERN公司開發(fā)出該公司首款CCD星敏感器，型號為SED 12，用在蘇聯(lián)GRANAT上，使用壽命為10年；1997年又研制了可以用于地球觀察、深空測、地球同步軌道等多種任務的SED 16；后將SED 16升級為SED 26，可以全自主供三周姿態(tài)和載體運動角速度；該公司還專門為M51彈道導彈設計了SEND 20[10]。圖1.1所示，圖a)和b)分別為SEND 20和SEND 26星敏感器的實物圖。

意大利Gelileo avionica公司開發(fā)的A-STR星敏感器和德國Jean-Optronik公司ASTRO-APS星敏感器都是基于CMOS APS圖像傳感器的星敏感器。如圖1.2所示，為這兩個公司開發(fā)的產品，這兩款具有典型代表意義[12]。a) b)圖1.2 基于CMOS的星敏感器結構示意圖a) A-STR星敏感器 b) ASTRO-APS星敏感器我國對星敏感器相關內容的研究相對較晚，對星跟蹤器的研制始于20世紀80年代，但是發(fā)展還比較迅速[13]。20世紀90年代，北京航空航天大學開始研究小型高精度星敏感器技術，目前在星敏感器光學成像系統(tǒng)、星圖處理專用芯片裝置、質心跟隨成像系統(tǒng)等諸多方面取得了進展，并于2008年憑借研究成果“小型高精度天體敏感器技術”獲得國家技術發(fā)明一等獎[12]。20世紀90年代初，航天五院502所研究了利用星光折射間接敏感地平進行自主天文定位導航的技術

等[15]在2011年設計的星敏感器光學系統(tǒng)，焦距為50 mm，視場角為.25，總長為101 mm，波段范圍為450~900 nm。設計好的鏡頭畸變小度在25 μm內大于90%，點列斑在全視場處最大為14.11 μm，并且點列斑的變化小于1 μm。這款鏡頭屬于雙高斯類型，由10片透鏡Silica材質的保護玻璃，其具體結構如圖1.3所示。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 何建新;何航;康永;;天文導航技術與機載應用研究概述[J];現(xiàn)代導航;2015年03期

2 郭彥池;徐熙平;喬楊;米士隆;杜玉楠;;大視場寬譜段星敏感器光學系統(tǒng)設計[J];紅外與激光工程;2014年12期

3 張歡;吳玲玲;;星敏感器光學系統(tǒng)設計[J];國外電子測量技術;2014年12期

4 佟帥;李輝;王安國;;船用星敏感器探測靈敏度計算及分析[J];光學學報;2014年10期

5 鞏盾;田鐵印;王紅;;含有非球面的寬波段大相對孔徑星敏感器光學系統(tǒng)設計[J];光學學報;2013年08期

6 劉偉民;;天體物理中的星等概念比較[J];商丘師范學院學報;2011年09期

7 盧棟;;空間目標白天光電探測能力分析[J];現(xiàn)代電子技術;2011年16期

8 湯天瑾;;無熱化大相對孔徑星敏感器光學系統(tǒng)設計[J];航天返回與遙感;2011年03期

9 劉健;郝云彩;常軍;王涌天;;無熱化星敏感器光學系統(tǒng)設計[J];北京理工大學學報;2010年02期

10 劉壘;張路;鄭辛;余凱;葛升民;;星敏感器技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J];紅外與激光工程;2007年S2期

相關會議論文 前1條

1 季必達;;國外天文導航發(fā)展概況與發(fā)展趨勢分析[A];全國飛機與船舶通信導航學術研討會論文集（上）[C];2000年

相關碩士學位論文 前2條

1 孫小玲;無熱化電視導引頭變焦光學系統(tǒng)設計研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2012年

2 趙陽;新型反射式星敏感器光學系統(tǒng)設計[D];哈爾濱工業(yè)大學;2007年

本文編號：2750608