基于LCOS拼接的高精度高动态星模拟器设计

引用本文

孟遥, 张国玉, 刘石, 孙高飞. 基于LCOS拼接的高精度高动态星模拟器设计.吉林大学学报:工学版, 2016, 46(2): 621-626
MENG Yao, ZHANG Guo-yu, LIU Shi, SUN Gao-fei. Design of high-precision and high-dynamics star simulators based on LCoS splicing. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2016, 46(2): 621-626 复制到剪切板

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基于LCOS拼接的高精度高动态星模拟器设计

孟遥¹, 张国玉^1,², 刘石¹, 孙高飞^1,²

1.长春理工大学光电工程学院, 长春 130022

2.吉林省光电测控仪器工程技术研究中心,长春 130022

通讯作者:张国玉(1962-),男,教授,博士生导师.研究方向:空间科学与技术,光学仪器与检测技术.E-mail:zh_guoyu@163.com

作者简介:孟遥 (1987-),男,博士研究生.研究方向:航天器地面模拟测试与标定技术.E-mail:505418584@qq.com

基金:"863"国家高技术研究发展计划项目(2008AA12A203)

摘要

为了满足基于硅基液晶(LCOS)拼接的动态星模拟高精度与高动态的要求,对传统的拼接方法及修正方法进行了提升与优化.提出了将拼接系统的一块偏振分光棱镜(PBS)拆分为三块PBS的方法进行光学拼接.针对新的拼接结构,设计了长出瞳距,低畸变,消色差目镜系统,并进行了像质评价.重点阐述了像差对动态星模拟器星点位置的影响,详细论述了一种基于星模拟器光学系统位置像差的修正方法.结果表明:光学系统在12°×12°的视场范围内,相对畸变小于0.035%,且在奈奎斯特频率为 v=60 lp/mm时,全视场的MTF不小于0.8.新的拼接结构提高了两片LCOS显示对比度的一致性,加强了动态星模拟器在星敏感器动态测试中的可识别率.新的修正方法提高了星图的显示精度,经测试其星间角距误差小于7″,符合设计要求.

关键词: LCOS拼接结构; 星间角距误差修正方法; 光学设计

中图分类号:V524.7 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2016)02-0621-06

Design of high-precision and high-dynamics star simulators based on LCoS splicing

MENG Yao¹, ZHANG Guo-yu^1,², LIU Shi¹, SUN Gao-fei^1,²

1.College of Opto-Electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022, China

2.Jilin Engineering Research Center of Photoelectric Measurement and Control Instruments, Changchun 130022, China

Abstract

In order to meet the design requirements of high-precision and high-dynamics star simulators based on Liquid Crystal on Silicon (LCoS) splicing, the traditional splicing method and correction method were improved and optimized. A method of splitting a polarizing beam into three components was proposed to perform optical splicing. Based on the new splicing structure, a system with large papillary distance, low distortion, and an achromatic lens was designed, and the image quality was evaluated. The impact of aberration on the star position in dynamic star simulator was elaborated. A method to correct the position aberration based on the star simulator optical system was presented in details. Results show that, when an optical system is within a 12°×12° field of view, the relative distortion is less than 0.035%. In addition, when the Nyquist frequency is v= 60 lp/mm, the full field of MTF is no less than 0.8. The new splicing structure can improve the consistency of the contrast ratio between the two pieces of LCoS, and enhance the recognition rate of dynamic star simulator in a dynamic test of the star sensor. The new correction method can improve the accuracy of a star map display. The angular distance error is less than 7? after testing, which is in good agreement with the design requirements.

Keyword: LCOS splicing structure; correction method of star angular distance error; optical design

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星模拟器是一种在地面上模拟星空, 以便对星敏感器的星图识别算法进行功能测试的检测设备^[1], 按工作方式不同可分为标定型星模拟器和功能检测型星模拟器^[2], 其中动态星模拟器为功能检测型星模拟器, 目的是在地面进行星图模拟^[3].

随着飞行器导航与制导技术的发展以及飞行器任务不断变更, 星敏感器的性能要求越来越高, 这主要体现在需要提供更高的姿态精度, 更高的更新率以及更高的动态性能^[4], 因而对作为其地面检测设备的动态星模拟器的要求也就随之提高.针对星敏感器的模拟需求, 高精度, 高动态是动态星模拟器的主要发展方向.目前对于动态星模拟器发展的主要制约在于其星图的显示器件, 现有的动态星模拟器主要采用薄膜晶体管液晶显示屏(TFT-LCD), 数字微镜器件(DMD)^[5]及反射式硅基液晶(LCOS)这三种空间光调制器作为显示星图的器件.其中, LCOS以其单像元尺寸小, 对比度高, 刷新率高的优势逐渐成为主流.但是, 由于国内大显示器件生产技术和价格限制^[6], LCOS所能购买的器件分辨率不高, 且显示区域为矩形, 限制了星图显示的范围, 因而采用两片LCOS进行光学拼接的方式扩大其显示范围, 增加分辨率.

虽然LCOS拼接从理论上解决了显示器件的问题, 但是在样机的研制测试过程中依然存在两片LCOS的对比度不一致以及星间角距误差过大的问题, 这些问题将降低星模拟器的精度及动态性能.本文针对这些问题, 设计了一种新的拼接方式, 并提出一种新的修正方法, 以实现动态星模拟器高精度, 高动态的要求.

1 动态星模拟器主要原理

1.1 工作原理及拼接原理

动态星模拟器工作原理为:星模拟器控制计算机接收来自姿态与轨道控制动力学仿真计算机提供的星敏感器坐标轴在惯性坐标系下的指向, 结合星表数据计算出当前时刻星敏感器视场内的星图, 通过接口及驱动电路送到空间光调制器上产生模拟星点.光源通过匀光系统均匀照明到空间光调制器上.空间光调制器置于准直光学系统的焦面上, 经空间光调制器调制后的光线通过准直光学系统后, 在被测星敏感器光学系统入瞳处产生无穷远平行光, 以模拟无穷远处恒星的星图^[7].而LCOS拼接动态星模拟器的主要特点在于其利用光学拼接手段弥补了器件本身尺寸上的不足, 拼接原理如图1所示, 一束均匀的平行光经过PBS起偏形成线偏振光, 得到透射光为P波, 反射光为S波, 分别经LCOS反射调制, 如果LCOS经外部信号调制处于显示亮态时, 调制后线偏振光的光矢量方向有π /2的改变, 调制后光线经过PBS会分别透射和反射至镜头内; 当调制信号为暗态时, 经其调制后线偏振光的光矢量方向没有改变, 经PBS反射和透射至入射光方向.

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	图1 基于LCOS拼接的动态星模拟器拼接原理图Fig.1 Splicing principle diagram of dynamic star simulator based on LCOS splicing technology

1.2 主要技术指标

动态星模拟器主要技术指标如下:视场为12° × 12° ; 出瞳直径≥ 20 mm; 出瞳距≥ 35 mm; 光谱范围为500~800 nm; 光学传递函数为MTF≥ 0.7, v=60 lp/mm; 相对畸变≤ 0.05%; 星间角距误差≤ 12″.

2 动态星模拟器的设计

2.1 改进型拼接结构

由于LCOS对于照明光线的偏振度有着严苛的要求, 拼接后的真实情况并非理想的工作状态.根据菲涅耳公式可以得到:当入射角为鲁斯特角时反射光中只有S波, 为线偏振光; 而透射光不管入射角是否为布鲁斯特角, 永远为部分偏振光^[8].因此, 同一光源的光线以布鲁斯特角对两片LCOS同时照明时, 透射与反射光的起偏效率不相同, P波及S波能量并不相等, 且偏振度也不相同, 造成两片LCOS的对比度及能量都有区别.

为了避免上述问题, 本文将采用多棱镜拼接的方式, 即将原一个PBS拆分为三块PBS结合半波片组成新的LCOS拼接系统, 并且用一块半反半透镜作为光源的分光器件, 其中半波片可以使光振动方向有 $\begin{matrix} λ / 2 \end{matrix}$ 改变, 达到大于PBS的反射要求, 如图2所示.这种结构使用反射光作为LCOS的照明光, 可以同时满足入射角以接近布鲁斯特角的入射角入射, 既提高了偏振度, 又使两片LCOS起偏后的能量达到一致.

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	图2 改进型拼接结构原理图Fig.2 Principle diagram of improved splicing structure

2.2 准直光学系统设计

2.2.1 准直光学系统设计分析

星模拟器可以模拟恒星所发出的平行光, 其成像光学系统为准直光学系统, 也就是将显示器件置于光学系统的焦面处, 模拟无穷远处所发出的光.由于星模拟器的作用是为星敏感器做地面检测, 其出瞳需要与星敏感器的入瞳重合, 因此星模拟器需要采用出瞳外置的目镜系统作为初始结构.

星模拟器对星点位置模拟的精度是星敏感器能否对星图识别的重要因素, 因此影响光学系统成像位置的像差需要在设计中作为主要的优化操作数.

在光学设计阶段主要需要考虑的像差有3种:① 畸变是横向的位置, 其对位置精度有最直接的影响, 因此应综合技术指标有针对性地选取初始结构.② 场曲作为轴向的位置像差, 从理论上在理想像面上的像差仅为按比例放大的弥散斑, 质心位置不变, 但是如果其最大像差量在焦深范围内, 即通过测试设备无法分辨其轴外点的离焦, 轴向像差将转化为横向像差且对星点位置精度造成一定程度的影响, 在设计过程中需要对场曲做针对性的校正.③ 像点中心偏移指的是主光线与实际像面交点的位置和点扩散函数(Ponit spread function, PSF)中心位置的偏差, 造成像点中心偏移的主要原因是成像光学系统存在彗差和倍率色差等垂轴像差, 在设计中对这些非轴对称的垂轴像差要进行相应的校正^[9].

2.2.2 准直光学系统设计结果

光学系统的焦距由LCOS有效显示区域尺寸 $\begin{matrix} h \times h \end{matrix}$ 与视场 $\begin{matrix} 2 ω \end{matrix}$ 决定, 其中 $\begin{matrix} h' = \frac{1920 \times 0.008}{2} = 7.68 mm, 2 ω = 12 °, \end{matrix}$ 可以得到系统焦距 $\begin{matrix} f = \frac{h'}{tanω} = 73.07 mm 。 \end{matrix}$ LCOS有效尺寸为确定值, 在实际设计中焦距应小于设计值, 获得大于所需要视场角的光学系统, 保证有效显示范围内的像质在实际装调过程中可以达到或者接近设计值.最终经优化后光学系统设计视场为 $\begin{matrix} 2 ω' = 13.2 °, \end{matrix}$ 焦距为f=70.001 mm.

由于动态星模拟器的出瞳外置, 有较长的出瞳距, 且设计结构需要考虑畸变及场曲, 因而光学系统的初始结构选择埃尔弗目镜结构^[10], 其主要特点是出瞳距离长, 负的场镜可以校正场曲, 畸变与无畸变目镜相同.在这种结构基础上, 对其进行透镜分离增加优化自由度, 加入重钡冕玻璃进行消色差, 优化后的结构图如图3所示.

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	图3 光学系统结构图Fig.3 Layout of optical system

2.2.3 准直光学系统像差评价

星模拟器的像差主要从两个方面评价, 一是成像质量, 二是成像位置.优化后的系统的像差曲线图如图4所示.图4(a)的MTF曲线表明, 当奈奎斯特频率为v=60 lp/mm时, 全视场的MTF不小于0.8; 通过图4(b)的点列图可以看到大部分是视场内, 像面内弥散斑直径小于艾里斑; 图4(c)为场曲及相对畸变图, 系统的畸变小于0.035%; 图4(d)为系统像面处全视场的点扩散函数(PSF)图, 因为PSF包含所有影响像质的像差, 因而可以得出结论:系统所成像点的能量中心与质心基本一致, 不过全是场内有一定量的场曲.

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	图4 光学系统像差图Fig.4 Aberration image of optical system

2.3 星间角距误差修正

动态星模拟器的精度取决于星间角距误差, 而影响星间角距误差的主要原因为星点位置误差.

2.3.1 像差对星点位置的影响

对于光学系统影响星点位置的主要像差为畸变, 不过光学系统在定焦的过程中, 不可避免地将产生离焦, 理论上仅影响系统成像的像质而不影响精度, 但是如果离焦量小于系统的焦深, 那么定焦时所确定的焦面无法确定是最佳焦面, 而其存在的离焦量将转化为焦距的误差最终带入系统的星间角距误差中.如图5所示, 图中AA'为最佳焦面, BB'为在焦深范围内的实际像面, 且AA'=BB'=h, 则实际视场角小于理论视场角, 误差角为γ .场曲所带来的横向误差与离焦类似, 场曲等价于随视场变化的离焦, 因而其在焦深范围内也会带来同样的问题, 且对星间角距的影响将会是非线性的.

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	图5 离焦造成的星间角距误差Fig.5 Angular distance between star error by defocus

2.3.2 星点位置修正方法

在修正星间角距的过程中, 为了尽量避免光学系统像差对于星点位置的影响, 需要根据设计值拟合出光学系统在理论像面上横向偏移量的变化曲线, 即畸变与场曲分别随视场变化所引起的星点位置偏移量.

畸变的横向位移表达式^[11]为:

$\begin{matrix} T_{D} = - (\frac{R}{r}) (\frac{d W_{D}}{dρ}) = - 2 (f / #) [W_{311} (u, ω) {\bar{H}}^{3}] \end{matrix}$ (1)

式中: $\begin{matrix} R \end{matrix}$ 为出瞳距; $\begin{matrix} r \end{matrix}$ 为出瞳直径; 如果物位于无穷远, 有 $\begin{matrix} R \to f, R / r \to f / (D / 2) \to 2 f / #; W_{D} \end{matrix}$ 为畸变波像差的赛德多项式形式; $\begin{matrix} ρ \end{matrix}$ 为相对出瞳半径; $\begin{matrix} \bar{H^{3}} \end{matrix}$ 为相对像高; $\begin{matrix} f / # \end{matrix}$ 为光圈数; $\begin{matrix} W_{311} (u, ω) \end{matrix}$ 为畸变的波像差系数, 其为随孔径角及视场角变化的函数, 整套光学系统为全孔径成像, 因而畸变波像差系数为视场变化的函数 $\begin{matrix} W_{311} (ω), \end{matrix}$ 可以根据在不同视场下的畸变波像差系数拟合得到.

场曲的横向像差表达式为:

$\begin{matrix} \begin{matrix} T_{FC} = (sa g_{\max} - sag) \frac{y}{l_{e}} = [\frac{H^{2}}{2 R} - \frac{{(\bar{H} h)}^{2}}{2 R}] (\frac{\bar{H} h}{l_{e}}) \end{matrix} \end{matrix}$ (2)

式中: $\begin{matrix} y \end{matrix}$ 为像高; $\begin{matrix} l_{e} \end{matrix}$ 为出瞳距; $\begin{matrix} h \end{matrix}$ 为像面高度; $\begin{matrix} H \end{matrix}$ 为全视场的像面高度; $\begin{matrix} sag \end{matrix}$ 为场曲曲面的挠度; $\begin{matrix} R \end{matrix}$ 为匹兹万场曲半径.

根据不同的视场可以得到由场曲及畸变引起的横向像差(即主要的位移变化量), 表达式为:

$\begin{matrix} T = T_{D} (\bar{H}) + T_{FC} (\bar{H}) \end{matrix}$ (3)

将其作为修正曲线输入星点修正程序中, 所得到的星点位置的偏差可近似为由剩余像差及离焦引起.

剩余像差及离焦的横向像差表达式为:

$\begin{matrix} T_{d} = ε_{d} \frac{\bar{H} h}{l_{e}} + γ \end{matrix}$ (4)

式中: $\begin{matrix} ε_{d} \end{matrix}$ 为离焦量; $\begin{matrix} γ \end{matrix}$ 为剩余像差所引起的横向位移量.

对修正后星点位置进行测试, 利用Matlab通过最小二乘法拟合得到星间角距误差关于像高的曲线:

$\begin{matrix} Δθ = f (\bar{H}) + b \end{matrix}$ (5)

且 $\begin{matrix} T_{d} \approx f \times \tan \frac{Δθ}{3600}, \end{matrix}$ 根据式(5)得出:

$\begin{matrix} tanΔθ = a \bar{H} + c \end{matrix}$ (6)

因此离焦量为:

$\begin{matrix} ε_{d} = \frac{l_{e} \times f \times a}{3600 h} \end{matrix}$ (7)

对系统离焦量进行修正后, 再次修正横向像差即可得到最终星点位置.

3 测试结果

3.1 改进拼接结构测试结果

采集了动态星模拟器改进前, 后的图样, 改进前的测试图如图6(a)所示, 改进后的图样如图6(b)所示.虽然所测试图像并不相同, 但是通过比对两张采集图可以看到, 改进后LCOS1和LCOS2背景与测试图像的对比度与改进前相比有大幅度提高, 基本达到一致, 星敏感器采集图像时的杂散光大幅度降低, 动态性能得以提升.

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	图6 测试图象采集图Fig.6 Text image

3.2 星间角距误差测试结果

通过对畸变波像差系数进行拟合, 可以得到其关于相对像高的函数表达式:

$\begin{matrix} W_{311} (ω) = - 0.13436 {\bar{H}}^{2} + 0.05174 \bar{H} - 0.00348 \end{matrix}$

将动态星模拟器光学系统设计的参数及波像差系数代入式(3)可以得到:

$\begin{matrix} \begin{matrix} T = T_{D} (\bar{H}) + T_{FC} (\bar{H}) = \\ - 2 (f / #) (W_{311} (u, ω) {\bar{H}}^{3}) + \\ [\frac{H^{2}}{2 R} - \frac{{(\bar{H} h)}^{2}}{2 R}] (\frac{\bar{H} h}{l_{e}}) = \\ 0.552 {\bar{H}}^{5} - 0.2156 {\bar{H}}^{4} + 5.3383 {\bar{H}}^{3} - 5.324 \bar{H} \end{matrix} \end{matrix}$

将此函数作为修正曲线输入星模拟器修正程序, 用来修正星点位置.

通过莱卡5100A经纬仪进行实际测量可以计算出星间角距误差, 将其拟合为关于相对像高的一次曲线, 根据式(6)可以得到:

$\begin{matrix} tanΔθ = a \bar{H} + b = 0.171 \bar{H} - 0.004 \end{matrix}$

根据式(7)可以求得离焦量为:

$\begin{matrix} \begin{matrix} ε_{d} = \frac{l_{e} \times f \times a}{3600 h} = \\ \frac{76.2774 \times 70.0014 \times 0.171}{3600 \times 7.68} = 0.033 mm \end{matrix} \end{matrix}$

修正完成后对整幅图像用经纬仪进行测试, 选取相对于中心点的星间角距误差较大的方向绘制成随视场的变化曲线, 如图7所示, 所测量的星间角距误差均小于7″, 满足设计要求.

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	图7 星间角距误差随视场变化曲线Fig.7 Variation curve of the angular distance between star error with field of view

4 结束语

从影响LCOS拼接动态星模拟器性能的问题出发, 通过改变拼接结构提高了两片LCOS对比度的一致性, 从而加强了动态星模拟器在星敏感器进行动态测试过程中的可识别率.结合设计的光学系统, 提出了一种基于位置像差的星间角距修正方法, 并且在实际测试中验证了对精度的要求, 实现了星敏感器对于所识别星图高精度的需求.

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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Design of a dynamic display system for star map in small-sized star simulator

小型星模拟器中星图动态显示系统的设计

Zhang Wen-ming , Lin Ling , Hao Yong-jie

张文明, 林玲, 郝永杰

阐述了星图动态显示系统的工作原理和系统要求,讨论了TFT-LCD在星图动态显示系统中的应用方法,提出了TFT-LCD的电路实现方案,对星图动态主要软件的设计进行了分析和研究.

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. 2011, 19(8):1730-1734 DOI:doi:10.3788/OPE.20111908.1730

Design of very high accuracy star simulator

甚高精度星模拟器设计

Sun Gao-fei , Zhang Guo-yu , Jiang Hui-lin

孙高飞, 张国玉, 姜会林

A very high accuracy star simulator system with the simulation accuracy less than 0.2″was developed to implement the ground calibration and accuracy testing for an Optical Sensor of Autonomous Navigation (OSAN). The simulator utilizes a high-precision and large size star array target to simulate a star map on the focal plane,and takes a luminescence controllable LED array as the illumination system of the target. Furthermore,it uses a long focal length and large FOV collimator as the projection optical system to control the star map on the target to be alterable and to project from the collimator exit pupil in parallel. Finally, the very high accuracy star map is simulated successfully. A testing method of light projection accuracy is proposed, by which the accuracy level of theory analysis is better than 0.14″. Obtained result indicates that the star simulator can satisfy the requirements of ground calibration and accuracy testing of the OSAN.

研制了一套星间角距精度优于0.2″的甚高精度星模拟器系统对深空光学导航敏感器进行地面标定和精度测试。采用高精度大口径静态可变目标标准源作为甚高精度星模拟器的核心显示器件模拟星图,同时研制了一种单点可控星图模拟矩阵式LED照明系统为其提供光源,并设计了长焦距大视场投影光学系统使模拟星图成平行光出射,在光学系统出瞳处产生星图,从而完成小天体全视场甚高精度星图的模拟。最后,提出甚高精度星光出射精度的检验方法,理论分析其测量精度为0.14″。结果表明该模拟器可用于对光学导航敏感器的地面标定和精度测试。

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. 2015, 35(3):356-361 DOI:doi:10.11728/cjss2015.03.356

Study on high precise and high dynamic star simulator

高精度高动态星模拟器研究

Wang Ling-yun , Wang Bo , Zhang Guo-yu

王凌云, 王博, 张国玉

The composition and overall structure of high precise and high dynamic star simulator system is presented, and a new method is put forward based on sub-pixel display technology to improve the dynamic star simulator to display the star point more precisely, which can reduce the position deviations of both geometric center and the energy center of the star point. Meanwhile, a new method for fast and accurate retrieval of the navigational star in the entire celestial sphere is presented by partitioning the SAO (Smithsonian Astrophysical Observatory) star catalogue, analyzing the four elements of the spacecraft attitude to determine where the visual axis points to, eliminating the search and match of navigational stars far from the visual axis so as to reduce the search area, hence decreasing the time that the whole celestial stars traversal required. Through simulation testing, results show that the speed of this quick search method to select the celestial navigational star has been increased by nearly 10 times.

给出了高精度高动态星模拟器系统组成和总体结构, 提出一种基于亚像素显示技术提高动态星模拟器星点位置显示精度从而减小星点几何中心与能量中心位置偏差的新方法. 针对动态星模拟器高动态性要求, 提出一种快速精确检索全天球导航星的新方法, 将已知SAO (Smithsonian Astrophysical Observatory) 星表进行分区, 计算当前姿态四元数并分析航天器视轴所在区域, 对于距离视轴较远区域停止搜索和匹配, 很大程度上缩小了导航星搜索范围, 进而缩短了全天球恒星遍历所需时间. 软件测试结果表明, 此快速检索法可使全天球导航星的选取速度提高近10倍.

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Key techniques of star sensors for celestial navigation

天文导航中的星敏感器技术

Li Bao-hua , Liu Guo-liang , Liu Rui

李葆华, 刘国良, 刘睿

Star sensors may work in star tracking cases and predictive centroiding algorithm cases when it has sufficient attitude knowledge, which not only can increase the update rates of star sensors, but also can improve recognition performance. A novel star tracking algorithm for a star sensor with a large angle manoeuver is presented to avoid disadvantages of classic star tracking algorithms. In order to decrease noise errors of the star sensor, the filtering algorithms for star images and star locations are presented. The experimental results show that the star locations are obtained in the threshold scan window 10 pixel×10 pixel in the star image and the attitude accuracy of the star sensor is improved by 5″ in the star image filtered by C-L wavelet, when the spacecrafts are rolled with a angle velocity of 2.25°/s. These algorithms are tested at night sky experiments in 2007 and in 2008 and will be used in the attitude control system of a satellite in 2009.

由于星敏感器仅仅工作在全天球的识别模式下远不能满足当前飞行器任务的需要,提出了当星敏感器有足够的先验信息情况下,可在星跟踪模式或者预测星像模式下工作,来提高星敏感器的数据更新率,降低由全天球识别带来误匹配的可能性。本文提出了一种新的星跟踪算法来克服飞行器在大角速度飞行情况下传统星跟踪算法处理时间过长等不足;为了消除由于系统噪声带来的误差,还提出了星图滤波和星像滤波的方法。实验结果表明,当飞行器在2.25°/s的角速度下飞行时,星敏感器能在10 pixel×10 pixel的范围内从星图中正确提取星像,星图经去噪后,星敏感器输出精度提高了近5″,从而使星敏器可在飞行器高动态飞行情况下实现高精度、高更新率的姿态输出。文中描述的所有方法已在2007年和2008年进行了地面观星测试,并于2009年即将应用于某些卫星的姿控系统中。

... 随着飞行器导航与制导技术的发展以及飞行器任务不断变更,星敏感器的性能要求越来越高,这主要体现在需要提供更高的姿态精度,更高的更新率以及更高的动态性能^[4],因而对作为其地面检测设备的动态星模拟器的要求也就随之提高 ...

2014

0.0

. 2014, 41(7):0716003-

Optical system design of LCOS-based and high precision dynamic star simulator

高精度LCOS动态星模拟器的光学系统设计

Chen Qi-meng , Zhang Guo-yu , Sun Xiang-yang

陈启梦, 张国玉, 孙向阳

摘　要：针对高精度星敏感器对其功能测试设备精确模拟星点位置和星等的实际要求,设计了一种硅基液晶（LCOS）型高精度动态星模拟器的光学系统。分析星模拟器准直与照明光学系统的任务需求并给出了设计方案。为提高模拟器的成像精度,提出了LCOS的光学拼接方法,详细设计了大视场、大相对孔径、大出瞳距离的准直光学系统并进行了像质评价;为同时满足显示器件的照明条件和-1-7等星的准确模拟,对照明光学系统进行了详细设计并给出了仿真结果。提出了一种动态星模拟器星点位置修正方法,通过实验测试,动态星模拟器的星间角距误差优于12″,精确模拟-1-7等星,满足当前对高精度星敏感器的检测需要。

... 目前对于动态星模拟器发展的主要制约在于其星图的显示器件,现有的动态星模拟器主要采用薄膜晶体管液晶显示屏(TFT-LCD),数字微镜器件(DMD)^[5]及反射式硅基液晶(LCOS)这三种空间光调制器作为显示星图的器件 ...

2012

0.0

. 2012, 33(9):2144-2150 DOI:doi:doi:10.3969/j.issn.0254-3087.2012.09.032

Optical system design of dynamic star simulator based on LCOS splicing technology

基于LCOS拼接技术的动态星模拟器光学系统设计

Zheng Ru , Zhang Guo-yu , Gao Yue

郑茹, 张国玉, 高越

摘　要：为了满足动态星模拟器大视场、高精度的技术要求，针对传统星模拟器光学系统的技术特点，提出了一种基于硅基液晶（1iquid crystal on silicon，LCOS）光学拼接技术的动态星模拟器光学系统设计方案。结合动态星模拟器的技术指标，使用LCOS作为星图显示的核心器件，通过 LCOS光学拼接技术来实现星图显示覆盖全视场并满足拼接误差≤10”的拼接结果。根据动态星模拟器的工作原理，设计小畸变、平场复消色差的准直光学系统以实现动态星模拟器实时准确模拟星点，其设计结果表明：在10．2。视场角内准直光学系统相对畸变≤O．025％，调制传递函数（modulation transfer function，MTF）在60lp／mm达到0．7。通过经纬仪实际测量，其星对角距误差≤25＂，单像元等效张角误差≤6＂，满足设计指标中的要求。

... 但是,由于国内大显示器件生产技术和价格限制^[6],LCOS所能购买的器件分辨率不高,且显示区域为矩形,限制了星图显示的范围,因而采用两片LCOS进行光学拼接的方式扩大其显示范围,增加分辨率 ...

2007

0.0

. 2007, 15(11):1698-1703 DOI:doi:10.3321/j.issn:1004-924x.2007.11.011

Design of a mini star simulator based on digital optical processing

基于数字光处理技术的小型星模拟器设计

Gong Yan , Hu Yi-ning , Zhao Yang.

巩岩, 胡宜宁, 赵阳

The technical scheme of a star simulator based on Digital Light Processing (DLP) technology is proposed in order to meet the demands of a star sensor in spacecraft engineering. The general optical structure is confirmed according to the technical indexes of a star sensor. Then, the optical system parameters of the simulator are calculated by the specification of a Digital Micro-mirror Device (DMD). Finally, a dynamic display algorithm for the star map is introduced. The simulating results indicate that field of view of 10.5°×7.5°, star magnitude simulated of 2.0~8.0 and the single-star field angle of less than 40″ are obtained, and the sampling period is controlled within several milliseconds. The experimental result can satisfy the system requirements of big field of view, wide magnitude range and short sampling period.

提出了基于数字光处理(DLP)技术的星模拟器系统的技术方案。根据星模拟器技术指标,确定了总体光学结构;在确定数字微镜元件(DMD)芯片规格的基础上,计算出星模拟器光学系统的焦距、单星张角、相对孔径等光学系统参数;最后,介绍了星图模拟软件的设计方法。计算及模拟结果表明,设计的小型星模拟器实现了星图视场为10.5°×7.5°,模拟星等为2.0~8.0等星,单星张角优于40″;将采样周期控制在毫秒量级,能为星敏感器提供任一时刻、任一惯性坐标系下指向的模拟星图,可满足航天工程中对小型星模拟器的动态性、大视场、宽星等范围、短采样周期等需求。

... 空间光调制器置于准直光学系统的焦面上,经空间光调制器调制后的光线通过准直光学系统后,在被测星敏感器光学系统入瞳处产生无穷远平行光,以模拟无穷远处恒星的星图^[7] ...

2008

0.0

... 而透射光不管入射角是否为布鲁斯特角,永远为部分偏振光^[8] ...

2010

0.0

. 2010, :-

Study on mini-dynamic star simulator technologies

小型动态星模拟器技术研究[D]

Hu Yi-ning.

胡宜宁

随着航天事业的迅猛发展,天文导航设备日益受到重视,其中,测量精度高且无时间漂移的星敏感器备受青睐。由于航天实验的特殊性,无法把星敏感器送入太空中进行检测,因此有必要在地面上模拟实时星图以对星敏感器进行测试。本文以小型动态星模拟器为研究对象,分析星模拟器的工作原理,确定基于数字光处理技术的小型动态星模拟器总体方案,设计光学系统,编写动态星图软件,提出并实现星光颜色模拟方案,研制出小型动态星模拟器原理样机并设计实验进行测试。根据星敏感器的工作原理和工作方式,提出基于数字光处理的小型动态星模拟器总体技术方案,并确定了小型动态星模拟器的主要技术指标。星模拟器光学系统,包括非成像的照明光学系统和成像的准直物镜系统两部分。为了达到小型化的星模拟器技术要求,设计基于白光发光二极管的照明光学系统,并对光阀处的光斑均匀性进行优化与仿真分析,照明不均匀度达到3%;针对星模拟器准直物镜系统的特点,设计了复杂化匹兹万结构的光学系统,并对像差进行了优化分析,最终结果为绝对畸变小于光阀像元尺寸,相对畸变控制在1‰以下,达到星模拟器成像光学系统要求。编写了动态星图软件,采用快速检索算法,把理论运算量缩减为1/72,支持2~6.5等星的实时动态模拟。设计地基星图软件,通过与商业电子星图的对比, 验证了星图显示算法的正确性。根据星模拟器的未来发展方向,首次提出星光颜色模拟方案。分析天文测光系统各参数,以亮星星表为基准,推导出恒星的色温,由普朗克辐射定律,参照CIE标准色度学系统,确定恒星的色度坐标和星光颜色三刺激值,实现了对恒星的星光颜色模拟。最后对研制的小型动态星模拟器原理样机进行测试实验,测试结果达到小型动态星模拟器技术要求。本文的主要创新点在于:一、采用数字光处理技术作为小型动态星模拟器的显示核心,提高显示图像的响应速度和光能利用率,国内外未见相关文献报道;二、探索性地开展星光颜色模拟的研究,为进一步开展恒星的近似光谱模拟提供了一条途径。

... 像点中心偏移指的是主光线与实际像面交点的位置和点扩散函数(Ponit spread function,PSF)中心位置的偏差,造成像点中心偏移的主要原因是成像光学系统存在彗差和倍率色差等垂轴像差,在设计中对这些非轴对称的垂轴像差要进行相应的校正^[9] ...

2011

0.0

... 由于动态星模拟器的出瞳外置,有较长的出瞳距,且设计结构需要考虑畸变及场曲,因而光学系统的初始结构选择埃尔弗目镜结构^[10],其主要特点是出瞳距离长,负的场镜可以校正场曲,畸变与无畸变目镜相同 ...

2013

0.0

... 畸变的横向位移表达式^[11]为: ...