梁士通，鐘紅軍，劉 婧

(北京控制工程研究所，北京100190)

一種高精度星敏感器用遮光罩

梁士通，鐘紅軍，劉 婧

(北京控制工程研究所，北京100190)

分析星敏感器在軌所受到的雜光的特點(diǎn)，對(duì)星敏感器常用的遮光罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和對(duì)比說明.給出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積和重量較小的一級(jí)遮光罩，使用TracePro對(duì)其雜光抑制性能進(jìn)行分析，給出其PST曲線及30°太陽入射角時(shí)的雜光在像面上的照度分布圖.對(duì)該遮光罩進(jìn)行了雜光實(shí)驗(yàn)，給出像面上A、B、C三區(qū)的雜光均值隨太陽入射角的變化曲線.仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該遮光罩雜光抑制能力較好，可以滿足星敏感器的雜光抑制要求.

航天器;星敏感器;遮光罩;雜光

0 引 言

星敏感器具有精度高、體積小、自主性強(qiáng)和無積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，通過對(duì)天球中的恒星進(jìn)行成像，進(jìn)而求得航天器的姿態(tài)數(shù)據(jù)［1-2］.恒星光能量微弱，而航天器在軌所處的光學(xué)環(huán)境卻比較復(fù)雜和惡劣，如太陽、地球以及航天器表面散射光等，這些雜光源具有光輻射強(qiáng)度高、輻射光譜寬等特點(diǎn)，且雜光光源與星敏感器的夾角隨著航天器的在軌運(yùn)行而發(fā)生變化，會(huì)對(duì)星敏感器的正常工作帶來干擾，嚴(yán)重時(shí)雜光可能淹沒恒星像點(diǎn)，導(dǎo)致星敏感器無法工作［1］.因此必須對(duì)星敏感器所受雜光進(jìn)行抑制.本文對(duì)現(xiàn)有的常用的星敏感器雜光抑制技術(shù)進(jìn)行了梳理，設(shè)計(jì)了一種星敏感器用改進(jìn)型遮光罩，對(duì)其性能進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)，對(duì)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì).

1 星敏感器遮光罩基本結(jié)構(gòu)形式

現(xiàn)有的星敏感器基本上均配置有遮光罩結(jié)構(gòu)，遮光罩主要用于抑制空間環(huán)境雜光.星敏感器遮光罩類型較多，按照消光原理可以分為吸收型遮光罩和反射型遮光罩等［3-5］.吸收型遮光罩歷史較長，設(shè)計(jì)方法成熟，為包括星敏感器在內(nèi)的多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)所采用，如圖1所示.

圖1 兩種星敏感器及其遮光罩Fig.1 Two kinds of star sensors and their baffles

吸收型遮光罩內(nèi)部噴涂高吸收率黑漆對(duì)入射的視場(chǎng)外雜光進(jìn)行抑制，內(nèi)部一般再設(shè)置若干擋光環(huán)，以有效抑制進(jìn)入遮光罩的雜散光.根據(jù)遮光罩形式，帶擋光環(huán)的遮光罩又可分為一級(jí)遮光罩和二級(jí)遮光罩.

二級(jí)遮光罩可以認(rèn)為由兩個(gè)一級(jí)遮光罩組成.通過二級(jí)遮光罩，雜光會(huì)經(jīng)過至少3次以上散射才能到達(dá)光學(xué)系統(tǒng)表面，使遮光罩的雜光抑制能力增強(qiáng)，但整個(gè)遮光罩的尺寸、口徑和重量將增大.在雜光環(huán)境惡劣且對(duì)遮光罩外形尺寸要求不太嚴(yán)格的情況下，一般選用二級(jí)遮光罩的形式.

與二級(jí)遮光罩相比，雜光經(jīng)過一級(jí)遮光罩后通過2次散射就可到達(dá)光學(xué)系統(tǒng)表面，因此一級(jí)遮光罩雜光抑制能力較二級(jí)遮光罩低.但一級(jí)遮光罩體積小，重量輕，當(dāng)對(duì)遮光罩外形尺寸要求嚴(yán)格時(shí)，則只能選取一級(jí)遮光罩.星敏感器的小型化已成為星敏感器的發(fā)展趨勢(shì)，因此星敏感器更多的采用了一級(jí)遮光罩，以降低系統(tǒng)的體積和重量.

2 遮光罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一級(jí)遮光罩一般采用直立式擋光環(huán)，各擋光環(huán)垂直于光學(xué)系統(tǒng)光軸，豎直式擋光環(huán)只能利用各擋光環(huán)的高度和位置等設(shè)計(jì)自由度，而這兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)在遮光罩外形尺寸確定后，由作圖法即可完全確定，因此其設(shè)計(jì)自由度相對(duì)較小.采用垂直擋光環(huán)結(jié)構(gòu)，遮光罩的設(shè)計(jì)結(jié)果和雜光抑制能力相當(dāng)固定，無法調(diào)整像面處的雜光均勻性等指標(biāo).

為了提高設(shè)計(jì)自由度，對(duì)垂直式擋光環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)調(diào)整為傾斜式擋光環(huán)結(jié)構(gòu).通過設(shè)置各擋光環(huán)的傾角，可以對(duì)進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)后的雜光在像面的照度分布進(jìn)行調(diào)整，使得探測(cè)器上的照度分布發(fā)生變化，從而有可能得到一種雜光均勻的遮光罩結(jié)構(gòu)，有利于星敏感器雜光抑制能力的提高.

為了分析不同傾斜角度時(shí)像面均勻性的影響，對(duì)多種傾角時(shí)的遮光罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析.通過分析對(duì)比，以下幾個(gè)方面的調(diào)整可以改進(jìn)像面照度的均勻性:1)擋光環(huán)傾斜應(yīng)避免一次散射光直接進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng);2)擋光環(huán)傾角較小時(shí)對(duì)改進(jìn)像面均勻性貢獻(xiàn)有限;3)擋光環(huán)傾角應(yīng)根據(jù)內(nèi)部使用黑漆的散射主方向進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)盡量使散射主方向遠(yuǎn)離光學(xué)系統(tǒng);4)傾斜擋光環(huán)刃口朝向應(yīng)避免產(chǎn)生一次散射光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng);5)增大擋光環(huán)高度有利于提高像面雜光分布均勻性;6)最后一個(gè)擋光環(huán)盡量設(shè)計(jì)為后傾斜方式.

經(jīng)過對(duì)各設(shè)計(jì)結(jié)果的對(duì)比，給出了一種星敏感器用遮光罩，雜光抑制角30°，總長267mm，入口直徑202mm.該遮光罩采用了4片傾斜式擋光環(huán)，各擋光環(huán)傾角不完全相同.遮光罩結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 遮光罩二維結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of the improved baffle

圖2中心虛線為光學(xué)系統(tǒng)光軸，傾斜虛線為光學(xué)系統(tǒng)邊緣視場(chǎng)線，遮光罩設(shè)計(jì)中各擋光環(huán)不能進(jìn)入兩邊緣視場(chǎng)線內(nèi)部，以免對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像造成遮擋.各擋光環(huán)刃口位置由遮光罩設(shè)計(jì)中的作圖法確定，保證無一次散射光直接進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部，通過對(duì)各擋光環(huán)傾斜方向的調(diào)整改變像面照度的均勻性.遮光罩二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，即可對(duì)其進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行雜光抑制性能仿真.

3 遮光罩性能仿真分析

遮光罩性能仿真是星敏感器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵步驟，通過性能仿真得到遮光罩自身的雜光抑制性能，在早期發(fā)現(xiàn)遮光罩設(shè)計(jì)中的不足.

遮光罩性能評(píng)價(jià)一般采用點(diǎn)源透射比(point source transition，PST)，MPST定義為像面平均照度與入射雜光的照度之比，入射雜光采用與光軸成某角度的平行光束［6］.

式中，Eima為探測(cè)器上的平均照度，Ein為光源在遮光罩入口處的照度.

MPST體現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)本身對(duì)點(diǎn)源雜光的抑制能力，而與雜光輻射強(qiáng)度無關(guān).MPST越小則表示系統(tǒng)的雜光抑制能力越強(qiáng).PST是雜光入射角的函數(shù)，當(dāng)雜光與光學(xué)系統(tǒng)夾角變化時(shí)，MPST也發(fā)生變化.

由于遮光罩消光涂層對(duì)入射光線的吸收，光線經(jīng)遮光罩散射后能量下降較大，為使到達(dá)像面的光線數(shù)增大，在模型中設(shè)置重點(diǎn)采樣區(qū).在光學(xué)系統(tǒng)入口處設(shè)置重點(diǎn)采樣區(qū)，其入射光線區(qū)為遮光罩擋光環(huán)后表面.光學(xué)系統(tǒng)像面處設(shè)置重點(diǎn)采樣區(qū)，其入射光線區(qū)為光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面.

由于遮光罩對(duì)不同入射角度的雜光的抑制能力不同，因此需對(duì)不同角度入射時(shí)的抑制能力進(jìn)行分析.

遮光罩內(nèi)部噴漆太陽吸收率為0.95，雙向散射分布函數(shù)(BRDF)數(shù)據(jù)使用黑漆實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).光學(xué)系統(tǒng)非工作面設(shè)置為吸收率為0.85的朗伯散射體.在模型外建立能發(fā)射平行光束的光源模型，雜光光源光線數(shù)設(shè)置為 500萬根，光線閾值設(shè)置為 1× 10－9W.

圖3為太陽入射角30°時(shí)的分析模型.雜光入射到遮光罩內(nèi)壁后，經(jīng)遮光罩內(nèi)壁多次散射后進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，并最終散射在像面上，對(duì)星敏感器造成雜光干擾.

通過對(duì)不同角度的入射雜光進(jìn)行分析，可以得到遮光罩與光學(xué)系統(tǒng)的MPST曲線.下圖為遮光罩的MPST仿真曲線，在雜光以小角度入射時(shí)，MPST值較大，在1×10－6量級(jí)，隨著雜光入射角的增大，MPST曲線呈下降趨勢(shì).在70°時(shí)可以達(dá)到1×10－8量級(jí).

圖3 遮光罩及光學(xué)系統(tǒng)仿真Fig.3 The simulation results of the baffle

圖4 MPST仿真分析曲線Fig.4 TheMPSTcurve of the baffle

雜散光在像面上分布的均勻性對(duì)星敏感器的在軌使用影響較大.在提高遮光罩雜光抑制能力的同時(shí)應(yīng)盡可能提高像面雜光分布的均勻性.

像面雜光分布的均勻性表示為

式中，EAve為像面平均照度，Ei是像面單個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的照度，n為像面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目.

由于到達(dá)光學(xué)系統(tǒng)像面處的雜光數(shù)量一般較少.特別是雜光入射角度較大時(shí)，光線數(shù)量更少，因此n的數(shù)量一般不宜過大，在此將像面劃分為50× 50的網(wǎng)格區(qū)，則n為2 500.

由圖5可以看出，像面上的雜光分布均勻性曲線隨雜光入射角度的增大先增大后減小，在50°時(shí)達(dá)到最大，約為5×10－4.

圖5 像面照度均勻性隨雜光入射角度的變化曲線Fig.5 The non-uniform characteristic varying with the angle of the stray light

4 遮光罩性能測(cè)試及在軌應(yīng)用

為了對(duì)遮光罩性能進(jìn)行確認(rèn)，保證星敏感器在軌正常工作，對(duì)該遮光罩及星敏感器進(jìn)行了雜光試驗(yàn).試驗(yàn)采用0.5個(gè)太陽常數(shù)的太陽模擬器以不同角度照射星敏感器，采集各角度時(shí)像面上的雜光圖像，將雜光圖像轉(zhuǎn)換為1個(gè)太陽常數(shù)后計(jì)算像面上各區(qū)的平均灰度值.

星敏感器探測(cè)器尺寸為 15.98mm × 15.98mm，將探測(cè)器沿水平方向按照1∶3∶1的比例將探測(cè)器像面均分為A、B和C三區(qū).星敏感器算法處理時(shí)分別計(jì)算三區(qū)的雜光背景均值，并進(jìn)行濾波處理.三區(qū)雜光均值的接近程度可以反映像面雜光分布的均勻性.三區(qū)的雜光照度均勻性越接近一致，越有利于星敏感器算法的正常工作.試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 不同雜光入射角時(shí)像面各區(qū)的平均灰度值Fig.6 The average gray level on the image plan varying with the angle of the stray light

圖6中3條曲線分別為在不同雜光入射角度時(shí)，圖像探測(cè)器上A、B和C三區(qū)的圖像各區(qū)灰度平均值，反映了雜光對(duì)產(chǎn)品探測(cè)器不同區(qū)域的干擾情況.從上圖可以看出，隨著雜光入射角度的不斷增大，星敏感器像面上雜光照度逐漸降低，在90°時(shí)的雜光強(qiáng)度為0.雜光照度整體下降趨勢(shì)與MPST仿真曲線接近.三區(qū)平均灰度值在不同雜光入射角時(shí)的灰度值均小于45，遮光罩的雜光抑制能力較好;三區(qū)均值在同一雜光入射角時(shí)差別較小，該值在雜光以54°入射時(shí)最大，灰度值為6，表明雜光在像面上照度分布比較均勻.

從對(duì)雜光實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析結(jié)果來看，仿真結(jié)果與雜光實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，兩者均表明該遮光罩可以達(dá)到較好的雜光抑制效果.

5 結(jié) 論

遮光罩是星敏感器進(jìn)行雜光抑制的關(guān)鍵部件，隨著星敏感器探測(cè)星等逐漸下降，靈敏不斷提高，對(duì)星敏感器遮光罩的雜光抑制能力也提出了更高的要求.文中給出了一種傾斜式擋光環(huán)的一級(jí)遮光罩，并從仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩方面對(duì)該遮光罩的性能進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明:該遮光罩可以達(dá)到較好的雜光抑制效果，可以滿足星敏感器的雜光抑制要求.

［1］屠善澄.衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制(3)［M］.北京:中國宇航出版社，2009.

［2］SIDI M J.Spacecraft dynamics and control:a practical engineering approach［M］.Cambridge:Cambridge University Press，1997.

［3］ROEL V B，DANIEL S，PHIL B，et al.Flight performance of the spitzer space telescope ast-301 autonomous star tracker［C］//The 28thAnnual AAS Rocky Mountain Guidance and Control Conference-Guidance and Control.Washington D.C.:AIAA，2005，447-466.

［4］SCHMIDT U.Autonomous star tracker based on active pixel sensors(APS)［J］.Proceedings of the 5thInternational Conference on Space Optics，2004，554(6): 355-358.

［5］ZEH T，GAL C，KAISER S，et al.Mertis-reflective baffle design and manufacturing［J］.Infrared Remote Sensing and InstrumentationⅩⅧ，2010，808:1-8.

［6］BASS.Handbook of optics Vol.2［M］.NewYork: McGraw Hill Press，2010.

Improved Baffle Used for Star Sensor

LIANG Shitong，ZHONG Hongjun，LIU Jing
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190)

The characteristic of the stray light is analyzed.An improved baffle with four angled vanes is given.The configuration of the baffle is simple and its weight is light.The TracePro software is used to analyze the light-shielding ability.The PST curve is analyzed.The stray light distribution on the detector when the sun is at 30 degree is given to illuminate the stray-light uniformity.The results of stray-light experiment are given and the curves of the average intensity on the detector’s three regions are analyzed.The simulated result and the experimental result show that the light-shielding ability of the improved baffle is good and can meet the light-shielding requirement of the star sensor.

spacecraft;star sensor;baffle;stray light

V44

:A

:1674-1579(2016)02-0053-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.02.010

梁士通(1984—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣鈱W(xué)敏感器光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作;鐘紅軍(1978—)，男，研究員，研究方向?yàn)锳PS星敏感器研制工作;劉 婧(1985—)，女，工程師，研究方向?yàn)楣鈱W(xué)敏感器光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61174004).

2015-11-15