基于zemax的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于zemax的星敏感器光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0星敏感器光學(xué)系統(tǒng)星敏感器是一種測量系統(tǒng)，通常安裝在飛機(jī)上，用于測量飛機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)。星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的視場角應(yīng)滿足局部天區(qū)星圖識別捕獲3顆以上導(dǎo)航星或全天識別捕獲五顆以上導(dǎo)航星的概率接近100%。增大星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的視場角和光譜范圍有利于提高視場中出現(xiàn)的導(dǎo)航星的數(shù)量,從而提高星圖識別的成功率和星敏感器的測量精度。一般而言,當(dāng)星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的視場角為2ω=17°時(shí),捕獲3顆導(dǎo)航星的概率為99.71%。當(dāng)視場角達(dá)到2ω=23°時(shí),捕獲3顆導(dǎo)航星的概率為100%。文中提出了一種視場角達(dá)2ω=23°,光譜范圍達(dá)500~850nm的星敏感器光學(xué)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)100%捕獲3顆導(dǎo)航星的概率。同時(shí),對畸變、倍率色差、像散等像差進(jìn)行了校正,成像質(zhì)量良好。1光譜區(qū)域的角星敏感器光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)主要包括系統(tǒng)焦距、通光孔徑、視場角、光譜范圍、中心波長、后工作距等。這些參數(shù)由CCD的特性參數(shù)、需要探測的星等、在視場內(nèi)出現(xiàn)的恒星數(shù)目、恒星的光譜分布規(guī)律以及后續(xù)算法對像質(zhì)的要求等因素綜合決定。1.1系統(tǒng)的視場范圍文中設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)已給定焦距為50mm,采用型號為TH7888A的CCD探測器。探測器原件尺寸為14.334mm,像元尺寸為14μm。根據(jù)公式(1)可求得系統(tǒng)視場角2ω=23°。式中:a為探測器原件尺寸的長;b為探測器原件尺寸的寬;ω為系統(tǒng)半視場;f′為焦距。1.2光學(xué)系統(tǒng)的光譜及波長光學(xué)系統(tǒng)的光譜范圍和中心波長取決于所采用的光電探測器和恒星的發(fā)光光譜特性。圖1為TH7888A的光譜特性響應(yīng)曲線。根據(jù)恒星的峰值波長統(tǒng)計(jì),恒星的發(fā)光光譜在紫外、可見光及紅外等波段均有分布。其中,波長在0.4~0.6μm處的恒星最為集中。由于探測器對0.4~0.5μm波長響應(yīng)度低,而波長在0.85μm以上的恒星數(shù)量相對并不集中,所以將光學(xué)系統(tǒng)的光譜范圍確定為0.5~0.85μm。由于CCD對0.68μm波長的光波有較高的靈敏度,所以將中心波長定位為0.68μm。1.3星像光斑的探測視星等為Mν等的恒星點(diǎn)光源每秒鐘發(fā)射到星敏感器光學(xué)系統(tǒng)入瞳上的光子數(shù)為:式中:A為入瞳面積,m2。假設(shè)光學(xué)系統(tǒng)透過率為τopt,探測器的量子效率為QE,像元填充系數(shù)為FF,星像光斑在探測器上所占據(jù)的像元數(shù)為nspread,曝光時(shí)間為t(單位:s),則探測器產(chǎn)生的電子數(shù)為:為了正確提取像素內(nèi)的信號能量,星敏感器的探測率應(yīng)大于99%,同時(shí)為了降低假信號的影響,虛警率應(yīng)小于1%,滿足這兩個條件的信噪比閾值為5。此光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑為1/1.8,最后得到的信噪比為5.6。由此得出光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo),如表1所示。2光充膠合材料的選擇根據(jù)星敏感器的工作特性,星敏感器光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)具有大視場、大相對孔徑、較寬光譜等特點(diǎn)。這一類系統(tǒng)由于其譜段較寬,色差的校正比較困難。由像差理論可知,對稱型結(jié)構(gòu)可以有效消減彗差、畸變和倍率色差幾種垂軸像差。此外,選擇合適的光闌位置可以校正像散。典型的雙高斯結(jié)構(gòu)是關(guān)于光闌對稱的結(jié)構(gòu),相對孔徑為1/2~1/1.7,視場角可達(dá)到40°。復(fù)雜化后的結(jié)構(gòu)仍然基本保持對稱性,這使得垂軸像差能得到較好的校正。設(shè)計(jì)時(shí),只需考慮球差、色差、場曲、像散的校正。經(jīng)過以上分析,選擇6片式雙高斯結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)。在材料選擇方面,采用高折射率的材料能夠使軸上光束和軸外光束的入射角迅速減小,提高相對孔徑及增大視場。同時(shí)有利于增大玻璃的曲率半徑,從而減小高級像差。火石與冕牌玻璃組合有利于消色差。設(shè)計(jì)中使用了H-ZF62等高折射率的玻璃。另外,在膠合組中,采用阿貝數(shù)很大的H-FK61玻璃與重火石玻璃配合。最后得到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。得到的設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示。3敏感器光學(xué)系統(tǒng)評價(jià)由于工作特性的不同,星敏感器對其光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)有特殊的要求。星敏感器光學(xué)系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)主要包括彌散斑尺寸、能量集中度、畸變、倍率色差等。文中進(jìn)行評價(jià)分析時(shí),視場取0、0.5、0.707和1這4個視場,波長取0.5μm,0.68μm和0.85μm這3個波長。3.1星敏感器光學(xué)系統(tǒng)星敏感器并不希望光斑越小越好,而應(yīng)具有一定的彌散半徑,以便計(jì)算光斑的質(zhì)心,所以星敏感器光學(xué)系統(tǒng)各個視場的彌散斑應(yīng)盡量圓且均勻一致,以覆蓋2~3個像元為宜。系統(tǒng)點(diǎn)列圖如圖3所示。各視場的RMS直徑如表3所示。各個視場的光斑圓度很好,并且大小均勻,滿足光斑覆蓋2~3個像元的要求。3.2系統(tǒng)能量集中度能量集中度應(yīng)接近正態(tài)分布,而在兩個像元之內(nèi),能量集中度應(yīng)達(dá)到80%以上。系統(tǒng)能量集中度如圖4所示。圖4中,橫坐標(biāo)為到質(zhì)心的半徑,μm,縱坐標(biāo)為橫坐標(biāo)所確定范圍內(nèi)的能量占所有能量的百分比。由圖可見,能量分布接近正態(tài)分布,在直徑為28μm的范圍內(nèi)集中95%以上的能量。3.3更新時(shí)間的更新過大的畸變會加大后續(xù)處理的計(jì)算量,延長數(shù)據(jù)更新的時(shí)間。另外,減小畸變有助于提高成像質(zhì)量。文中要求畸變小于1%。該系統(tǒng)畸變曲線如圖5所示。最大畸變?yōu)?.3%,滿足設(shè)計(jì)要求。3.4最大倍率統(tǒng)一數(shù)字空間視場的確定恒星發(fā)光光譜從藍(lán)光到紅光均有分布,為了準(zhǔn)確計(jì)算不同光譜的恒星的成像質(zhì)心,光學(xué)系統(tǒng)理論上應(yīng)全消倍率色差。文中要求最大倍率色差小于1.2μm。系統(tǒng)倍率色差如圖6所示。橫坐標(biāo)為倍率色差值,縱坐標(biāo)為視場。文中設(shè)計(jì)的光學(xué)結(jié)構(gòu)具有很小的倍率色差,最大處不到0.087μm。4星敏感器測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種適用于星敏感器的光學(xué)系統(tǒng)。其焦距為50mm,相對孔徑1/1.8,視場角可達(dá)2ω=23°,光譜范圍500~850nm,中心波長650nm。點(diǎn)列圖、能量集中度、畸變均符合星敏感器的特殊要求。倍率色差得到了很好的校正,僅為0.087μ