星敏感器镜头设计与装调技术研究

发布时间：2020-07-11 15:49

【摘要】：作为常用的姿态传感器,星敏感器具有测量精度高,自主导航定位等优点,广泛应用于军事、民用、航海等各个领域。光学系统是星敏感器的核心部件,光学系统的设计质量决定了接收星像点的好坏,影响系统的后续处理过程速度以及定位的准确度。光学系统的装调是保证成像质量的重要环节。因此,开展星敏感器镜头设计及装调技术的研究具有重要研究意义。为了提高系统的相对孔径,拓宽探测的光谱范围,得到性能优良、符合实际加工生产水平的星敏感器光学系统,基于卫星平台的功能需求,本文系统地调研和分析了国内外星敏感器的光学系统,通过相关参数计算以及传感器灵敏度模型的建立,确定了星敏感器光学系统的设计参数。根据确定的参数,设计了一款星敏感器光学系统,该光学系统由1片保护玻璃、7片球面透镜和一片滤光片组成,光谱范围为500~800 nm,焦距为50 mm,相对孔径为1/1.25,视场角为8.45°×8.45°(对角线视场角为11.96°),总长为83.33 mm。系统采用像方远心光路,减小了因像面离焦及其他因素引起的测量误差。优化后的系统畸变小于0.5%,质心色偏差控制在±2μm范围内,能量集中度(3×3像元内)大于80%,最大倍率色差为-0.073μm,轴外视场的弥散斑能量集中度和轴上视场基本一致。对比不同温度下的光学系统,焦距变化量很小,验证了无热化设计原则,镜头的成像质量良好。装调技术影响着光学系统成像性能的好坏,对于本文设计的星敏感器光学系统,本文研究了针对此类型的折射式光学系统常用的装调方法,主要包括:直接装调法、定心车削装调法、定心调整装调法,并重点分析了适用于星敏感器光学系统的装调方法。在此基础上,研究了一种新型的自动定心装调技术,并搭建相关实验。结果表明,此种技术的测量精度可以达到微米量级,可应用于未来的星敏感器光学系统及其他高精度光学系统的装调,降低了装调难度,提高了光学系统的装调精度。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.22;O43;TP212
【图文】：

它为测量系统提供的天体基准，昼夜均可使用，精密度已经超过了太阳敏器。1964年7月，法兰德光学公司和斯佩里陀螺仪器公司联合开发了FAST星跟踪器。将其安装在大西洋测量船“阿诺德将军”上，具体参数为：光学孔径可达到400毫，夜间可以观察到+7.0等星。并且于1968年，该敏感器又在此被安装在法国“亨利.加勒”测距船上[7]。第二阶段的发展源于20世纪70年代早期CCD(Charge Coupled Devices)电荷耦合器的出现[8]。CCD电荷耦合器件最初由美国贝尔电话实验室的W.S.Boyle和G. E.Smith出。由于它的体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等特点，因此适合空间应用[9]。过后期研究，其应用迅速发展，掀起了CCD星敏感器发展的热潮。1989年，法国的SODERN公司开发出该公司首款CCD星敏感器，型号为SED 12，用在苏联GRANAT上，使用寿命为10年；1997年又研制了可以用于地球观察、深空测、地球同步轨道等多种任务的SED 16；后将SED 16升级为SED 26，可以全自主供三周姿态和载体运动角速度；该公司还专门为M51弹道导弹设计了SEND 20[10]。图1.1所示，图a)和b)分别为SEND 20和SEND 26星敏感器的实物图。

意大利Gelileo avionica公司开发的A-STR星敏感器和德国Jean-Optronik公司ASTRO-APS星敏感器都是基于CMOS APS图像传感器的星敏感器。如图1.2所示，为这两个公司开发的产品，这两款具有典型代表意义[12]。a) b)图1.2 基于CMOS的星敏感器结构示意图a) A-STR星敏感器 b) ASTRO-APS星敏感器我国对星敏感器相关内容的研究相对较晚，对星跟踪器的研制始于20世纪80年代，但是发展还比较迅速[13]。20世纪90年代，北京航空航天大学开始研究小型高精度星敏感器技术，目前在星敏感器光学成像系统、星图处理专用芯片装置、质心跟随成像系统等诸多方面取得了进展，并于2008年凭借研究成果“小型高精度天体敏感器技术”获得国家技术发明一等奖[12]。20世纪90年代初，航天五院502所研究了利用星光折射间接敏感地平进行自主天文定位导航的技术

等[15]在2011年设计的星敏感器光学系统，焦距为50 mm，视场角为.25，总长为101 mm，波段范围为450~900 nm。设计好的镜头畸变小度在25 μm内大于90%，点列斑在全视场处最大为14.11 μm，并且点列斑的变化小于1 μm。这款镜头属于双高斯类型，由10片透镜Silica材质的保护玻璃，其具体结构如图1.3所示。

【参考文献】

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本文编号：2750608