基于LCOS拼接高精度动态星模拟器的关键技术研究

摘要

星敏感器是以恒星为参照目标，对姿态及位置进行测量的设备，由于精度高、自主性强且体积小，目前广泛应用于航天、制导及航海等领域中。鉴于星敏感器用途的重要性，需要进行大量的地面测试来保障其在轨工作性能，因而作为星敏感器地面测试设备的星模拟器尤为重要。依据对星敏感器检测的类别区分，星模拟器主要分为标定型的静态模拟器及功能检测型的动态模拟器。近年来，国内对动态星模拟器的相关技术研究不断深入，但显示器件的落后制约了其整体发展，像元尺寸大、像素间隙宽以及对比度差等因素都限制了动态星模拟器性能的进一步提升。
　　本文简要介绍了天体敏感器的种类，并对其中精度最高的星敏感器特点进行了概述，明确了星模拟器在检测中的具体需求。根据对动态星模拟器国内外发展现状的调研，分析出高精度、小型化及高动态是动态星模拟器的主要发展方向。反射式硅基液晶(liquid crystal on silicon，简称LCOS)的自身特性适应于动态星模拟器小型化及高动态的发展趋势，而采用光学拼接的方法可以有效提升星点位置精度，因此所研究的动态星模拟器采用基于LCOS拼接的方式进行设计。但作为一种新兴微显示部件，LCOS的应用技术尚未成熟，在拼接环境下所模拟星图的背景中存在大量杂散光，从而导致了星敏感器对星点质心的提取精度下降。本文以保障星点质心提取精度及提高星点位置模拟精度为目标，开展了LCOS拼接动态星模拟器杂散光抑制及星点位置修正的关键技术研究。
　　星模拟器的主要作用是在地面实现星光导航仿真，为了明确所模拟星体间的空间位置关系，对星光导航中的基本理论进行了总结及概述。文中根据动态星模拟器所需实现的功能，提出了基于LCOS拼接高精度动态星模拟器的总体设计方案，对结构布局进行了阐述，重点分析了头部在系统中承担的重要功能及存在的主要问题。基于星敏感器的测试需求，为动态星模拟器匹配了相应的星图模拟程序及测试调整机构，并分别对星图模拟程序所采用的分区检索算法及调整机构的主要设计参数进行了详细论述。
　　通过研究杂散光扰动对星敏感器星点提取精度的影响，得到了星点弥散斑受光学噪声影响导致质心偏移的结论，验证了LCOS拼接动态星模拟器杂散光抑制的必要性。文中对杂散光的产生机理进行了研究，分析出了偏振度对杂散光的影响，并建立了偏振度与入射角之间的数学模型。根据研究结论确定采用优化LCOS拼接光学引擎的方法进行杂散光抑制，具体的抑制方法为：优化光学拼接结构，将单块偏振分光棱镜（Polarized Beam Splitter，简称PBS）拆分为两块PBS与一块半反半透棱镜的多棱镜组合，从而提高拼接图像的一致性，并在光学系统中设置一片1/4波片以消除系统外部杂散光；优化照明方式，利用小视场角准直平行光源对LCOS拼接动态星模拟器进行照明， 提高照明光线的起偏效率，降低由偏振度不足所引起的杂散光干扰，从而保障星敏感器对星点提取时的质心模拟精度。为验证所采用抑制方法的可行性，对LCOS拼接动态星模拟器杂散光进行了性能评估，实验结果表明系统杂散光得到了有效抑制，相比于优化前的LCOS拼接动态星模拟器杂散光降低了2.93倍，同时基于杂散光的抑制效果，星敏感器在地面检测中对于星点的提取精度提高了2.46倍。
　　基于杂散光抑制理论，对LCOS光学引擎拼接系统光机结构及其照明光学系统进行了优化设计。在拼接系统的光机结构设计中，针对传统结构精度差，可靠性低的问题进行了相应优化，使LCOS拼接结构具备定向调节能力。具体的实现方法是：通过对拼接结构进行精度分析，得到系统在设计过程中各组件的公差范围，根据拼接系统所需要实现的调节维度，总结了对自由度的约束条件，并进行了相应设计，最终实现以自由度独立约束的方式提高两片LCOS相对位移及相对旋转的调整精度。文中对拼接所带来的误差进行了论述，分析出对准误差是拼接误差的主要来源，并最终得出采用叉丝对准方式可使拼接误差低于1/3个像素的结论。在对照明光学系统的优化设计中，重点阐述了小视场角照明光源的设计方法，具体为：通过复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator，简称CPC)对白光LED进行二次配光，根据激光扩束原理，利用望远系统对CPC发出的光线进行视场角的缩放及辐照面的扩大，为增加照明均匀性，在望远系统的焦面处设置了两片复眼透镜作为匀光器件。根据所设计光学元件的参数，采用Tracepro对照明光学系统进行仿真，仿真结果表明所设计光源的发散角不大于±5o，辐照面不均匀度低于7.3%，并最终通过实验验证了所生产光源符合仿真结果。
　　文中研究了准直光学系统的像差对LCOS拼接动态星模拟器星点位置精度的影响。详细分析了初始结构的选取原则，并根据LCOS拼接动态星模拟器的光学结构特点及所要求的像差特性，选择了具有长出瞳距，低畸变、消色差的埃尔弗目镜改进型结构作为初始结构。根据视场、相对孔径与像差间的关系，对准直光学系统的像差进行了预估，结合ZEMAX对光学系统进行了优化设计，最终设计出了视场角为Φ11.1o、焦距为79.2mm的目镜系统。依据所设计光学系统的像质评价曲线，主要的设计参数皆优于设计指标，且经测试真实MTF在v=60lp/mm时，MTF≥0.49，优于系统参数要求。为实现动态星模拟器对星点位置高精度模拟的要求，分析了影响星光出射精度的主要因素，研究了基于像差理论提高星光出射精度的方法，详细论述了像素补偿技术并建立了修正模型，通过测试结果分析出像素补偿技术对于星点位置精度提升了7.8″，并最终实现了星光出射精度优于±15″的设计目标。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题的来源及研究目的意义

1.2 研究背景

1.3 动态星模拟器的国内外发展现状

1.4 主要研究内容和关键技术

1.5 本章小结

第2章 基于LCOS拼接高精度动态星模拟器总体设计

2.1 星光导航基础理论

2.2 LCOS拼接动态星模拟器总体设计

2.3 本章小结

第3章 LCOS拼接动态星模拟器杂散光抑制方法理论研究

3.1 基于杂散光扰动的星点提取精度理论分析

3.2 LCOS拼接动态星模拟器的杂散光产生机理分析

3.3 LCOS拼接动态星模拟器杂散光抑制方法研究

3.4 LCOS拼接动态星模拟器杂散光抑制性能评估

3.5 本章小结

第4章 基于LCOS拼接动态星模拟器的光学引擎优化设计

4.1 LCOS光学引擎拼接系统光机结构优化设计

4.2 LCOS拼接光学引擎照明光学系统优化设计

4.3 本章小结

第5章 基于像素补偿技术的高精度准直光学系统研究

5.1 准直光学系统设计

5.2 准直光学系统主要参数标定及检测

5.3 基于像差理论的像素补偿技术研究

5.4 星光出射精度误差测试及分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 主要研究总结

6.2 主要创新工作

6.3 前景展望

致谢

参考文献

攻读博士期间的学术成果和参与科研情况