星敏感器雜散光抑制方法及仿真分析

星敏感器的探測目標(biāo)是深黑空間中的恒星，屬于暗目標(biāo)探測系統(tǒng)，其雜散光來源主要是太陽光、月亮光和地氣光等視場外強(qiáng)光，它們與7.5等星相比，強(qiáng)度都在，因此，星敏感器對雜散光的影響非常敏感，雜散光的抑制設(shè)計是星敏感器研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，是影響其觀測能力的重要因素。

圖1.外遮光罩設(shè)計原理

目前，國內(nèi)外針對星敏感器外遮光罩的設(shè)計，應(yīng)用較廣泛且抑制能力較好的有兩節(jié)型及優(yōu)化的兩節(jié)型外遮光罩、三節(jié)型外遮光罩，可滿足觀測5等星的目標(biāo)。但對于7等星及以上更暗的觀測目標(biāo)，所設(shè)計的外遮光罩往往結(jié)構(gòu)體積過于龐大，不能滿足衛(wèi)星平臺對于結(jié)構(gòu)尺寸的要求，國內(nèi)外對此研究的也較少。本文提出星敏感器雜散光抑制指標(biāo)( 點(diǎn)源透過率( PST) ) 的計算方法，計算觀測 7.5 等星時星敏感器所需的 PST 指標(biāo)要求，并以此為基礎(chǔ)，提出一種基于兩節(jié)吸收型外遮光罩，光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計消雜散光光闌、關(guān)鍵表面采用特殊工藝處理的方法，將星敏感器的雜散光抑制能力提高到觀測 7.5 等星的目標(biāo)。

1 星敏感器雜散光抑制指標(biāo)分析

星敏感器的主要雜散光源為太陽光、月亮光和地氣光等強(qiáng)雜散輻射源，由于太陽光的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于月亮、地氣等雜散光，本文計算的星敏感器雜散光抑制指標(biāo)主要考慮太陽雜散光。因此，需計算星敏感器對太陽光的衰減能力。PST 表征光學(xué)系統(tǒng)本身對外部雜散光的衰減能力，且其與雜散光源的輻射強(qiáng)度無關(guān)。因此，星敏感器一般選擇PST作為雜散光抑制指標(biāo)。根據(jù)太陽光的輻射能量及星敏感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)即可計算系統(tǒng)的雜散光指標(biāo)( PST) 要求。

圖2.外遮光罩計算模型

PST定義為光學(xué)系統(tǒng)視場外視場角為θ的點(diǎn)源目標(biāo)的輻射，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，在像面產(chǎn)生的輻射照度與輸入的輻射照度的比值，即

PST( θ) =Ed( θ)/Ei( θ)          (1)

式中: Ed( θ) 為探測器上接收的輻射照度；Ei( θ)為入射光的輻射照度。

根據(jù)探測器的光譜響應(yīng)，星敏感器工作譜段一般為可見光及近紅外，并且具有較大視場角，很容易引進(jìn)雜散光。

圖3.外遮光罩結(jié)構(gòu)

3 仿真分析

本文采用 Lighttools 軟件對星敏感器進(jìn)行建模仿真分析，軟件中對各個表面的表面特性進(jìn)行設(shè)置。其中，光學(xué)透鏡設(shè)置為透鏡表面，其透過率設(shè)置為0.98，反射率設(shè)置為0.01，吸收率設(shè)置為0.01；外遮光罩設(shè)置為漫反射結(jié)構(gòu)表面，其吸收率設(shè)置為0.9，漫反射率設(shè)置為0.1；光機(jī)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)表面吸收率設(shè)置為0.9，漫反射率設(shè)置為0.1；其余機(jī)械結(jié)構(gòu)表面按照軟件自帶結(jié)構(gòu)材料表面參數(shù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)置。完成上述設(shè)置后，Lighttools軟件光線追跡數(shù)量為1億條以上，能夠滿足軟件計算精度要求。計算太陽光在雜散光抑制角外，以不同角度入射時，星敏感器的雜散光抑制( PST) 能力。表3給出了外遮光罩及擋光環(huán)采用第 2.1節(jié)中4種不同設(shè)計結(jié)構(gòu)時不同離軸角度的星敏感器的PST計算結(jié)果。

圖4.消雜散光光闌

4 結(jié)論

通過對星敏感器外遮光罩的仿真分析，本文結(jié)論如下:

1) 本文詳細(xì)分析了星敏感器評價指標(biāo)( PST) 的計算方法。

2) 討論了某星敏感器的雜散光抑制方法，給出了兩節(jié)吸收型遮光罩的設(shè)計方法、消雜散光光闌的設(shè)計方法及關(guān)鍵表面采取的工藝措施等。

3) 總結(jié)了星敏感器雜散光抑制的主要技術(shù)措施。

4) 采用Lighttools軟件對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行仿真分析，選擇最佳設(shè)計方案。

仿真計算結(jié)果表明星敏感器在雜散光抑制角外的 PST 能夠達(dá)到10^-9以上，所提出雜散光抑制方法，能夠滿足觀測7.5等星的使用需求。

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