空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法

摘要

空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，在微弱恒星和强杂光同时进入星敏遮光罩后，首先通过杂光的偏振特性进行初步杂光抑制；进而通过合适的AOE自适应光学组件对需求光线的方向进行自主选择；之后结合不同源光线的光谱特性差异进行调制选通，最终将感兴趣的光线引入到超大满阱CMOS图像探测器进行探测成像，得到强散射杂光环境下的高信噪比恒星目标。试验验证结果表明，相对于传统探测成像方式，本光线选择方法的恒星探测灵敏度提升2Mv，遮光罩尺寸减少60％，为产品在杂光条件下的指向测量精度的提升奠定基础。

说明书

技术领域

本发明涉及空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，尤其涉及强杂光干扰条件下的微弱恒星光线目标的光线选择及恒星目标高信噪比提取方法，属于光电测量、探测与成像技术领域。

背景技术

在不同阳光入射角(入射角≥杂光抑制角)下均需达到毫角秒级是决定指向测量精度的关键和难点。传统的杂光抑制方法是在单纯依靠恒星光线强度测试基础上，不断加大遮光罩尺寸，保持杂光条件下的恒星信噪比、保证杂光下的姿态测量精度。但对于毫角秒级指向测量精度需求而言，传统的在杂光噪声中单纯依靠光线强度测试已经无法满足需求，一方面，单纯依靠加大遮光罩尺寸无法满足设计指标要求；另一方面过大尺寸的遮光罩对毫角秒指向测量仪器的热变形影响较大，无法满足需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，在微弱恒星和强杂光同时进入星敏遮光罩后，首先通过杂光的偏振特性进行初步杂光抑制；进而通过合适的AOE自适应光学组件对需求光线的方向进行自主选择；之后结合不同源光线的光谱特性差异进行调制选通，最终将感兴趣的光线引入到超大满阱CMOS图像探测器进行探测成像，得到强散射杂光环境下的高信噪比恒星目标。试验验证结果表明，相对于传统探测成像方式，本光线选择方法的恒星探测灵敏度提升2Mv，遮光罩尺寸减少60％，为产品在杂光条件下的指向测量精度的提升奠定基础。采用本发明能有效提升在强杂光条件下的恒星探测信噪比，降低恒星目标位置误差，为产品在杂光条件下的毫角秒级指向测量精度提升奠定基础。该方法实现合理可行，可推广应用到近地空间全天时应用平台，进而满足更高、更复杂杂光环境下的姿态测量、指向测量需求。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，包括如下步骤：

S1、利用偏振转换器将杂散光转换为p偏振特性的光线；

S2、利用p偏振光方向敏感滤波器对p偏振特性的光线进行滤波；

S3、根据指向测量仪器的姿态信息，遍历全天球恒星分布数据，获得有效波段子集；

S4、根据有效波段子集，确定AOTF光谱选通器的带宽；S2中滤波后的光线经过AOTF光谱选通器后，再通过光学元件进行选择引导，利用光电探测器进行探测；

S5、根据探测结果，确定有效恒星星点，完成光线选择。

上述的空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，优选的，S2中，p偏振光方向敏感滤波器将光学视场外角度入射的p偏振杂散光进行反射。

上述的空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，优选的，S3中，通过遍历全天球恒星分布数据，获得指向测量仪器指向的天区内的恒星光谱信息；根据所述恒星光谱信息，获得有效波段子集。

上述的空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，优选的，S4中，根据有效波段子集，通过调节AOTF驱动射频信号频率，确定AOTF光谱选通器的带宽。

上述的空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，优选的，S4中，采用最优选星算法，辨识恒星光谱与杂散光光谱，优先使与杂散光光谱的区分度大于Δλ的恒星光谱选通。这里所述的Δλ需＞50nm。

上述的空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，优选的，S4中，所述光学元件为数字微镜阵列、MEMS快摆镜、PCDM中的一个。

上述的空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，优选的，S4中，所述光电探测器的电子满阱数大于1Me。

上述的空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，优选的，S4中，所述光学元件为快速运动数字控制反射镜。

上述的空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，优选的，S4中，所述光学元件通过闭环反馈运动信息实时摆动方向，在FPGA焦平面前进行光线汇聚。

上述的空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，优选的，S5中，确定有效恒星星点的方法为探测结果中的光斑同时满足如下三个条件：

1)星点像素为连通域状态；.

2)单个星点中像素总数不超过Npixel_max并多于Npixel_min。这里所述的Npixel_max取值范围是100～500，Npixel_min取值范围是4～9，此两个变量的实际取值需结合实际的光电总体参数设计和选定探测灵敏度范围而定。

3)(行跨度×列跨度)/像元总数小于Dratio，这里所述的Dratio取值范围是4.5～8，此变量的实际取值需结合实际的仪器动态角速度范围、光电总体参数的实际验证情况而定。

上述的空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，优选的，S5中，根据探测结果，进行星点目标提取，利用提取的星点目标，确定有效恒星星点。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)以往指向测量敏感器的杂光抑制方法，一般采用加大遮光罩尺寸的方式，抑制杂散光对微弱恒星目标光线的影响，并未从不同源光线的光学本质特性上寻找差异并加以区分和抑制。本发明方法从不同源光线的光学传输本质上厘清内在传输机理，根据光线在偏振、方向、光谱、强度四种模态差异，给出了强杂光条件下多模态自主调制的恒星光线选择方法。

(2)本发明依据强散射杂光在光学传输上的偏振态特性，设计通过偏振处理装置对强散射杂光进行一次筛选抑制，选通无偏振特性的恒星光线和部分非显著偏振态的杂光，能够有效抑制60％的杂光光线，有效降低了遮光罩设计压力，提供了毫角秒级指向测量产品杂光抑制的新方法。在强杂光条件下，本发明方法，分别通过不同源光线在偏振态、方向、光谱分布、辐射照度方面的差异进行自适应选择和筛选，能有效抑制杂光对微弱恒星光线的影响，使得产品恒星探测灵敏度提高2Mv，效果明显，是提升杂光抑制能力、杂光条件下的指向测量精度的新思路。

(3)本发明可以应用到空间指向测量仪器、近地空间全天时定姿定位仪器，提升产品的杂光抑制能力、强散射杂光环境下的指向测量精度和恒星的高信噪比探测能力。

(4)本发明能有效降低遮光罩设计压力，降低产品设计重量，提高宇航用指向测量仪器和近地空间用仪器的核心竞争力。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为空间指向测量敏感器光线方向选择设计示意图；

图3为AOE超精密运动控制逻辑示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，包括如下步骤：

S1、利用偏振转换器将杂散光转换为p偏振特性的光线；

S2、利用p偏振光方向敏感滤波器对p偏振特性的光线进行滤波；其中，p偏振光方向敏感滤波器将光学视场外角度入射的p偏振杂散光进行反射；

S3、根据指向测量仪器的姿态信息，遍历全天球恒星分布数据，获得有效波段子集；其中，通过遍历全天球恒星分布数据，获得指向测量仪器指向的天区内的恒星光谱信息；根据所述恒星光谱信息，获得有效波段子集；

S4、根据有效波段子集，确定AOTF光谱选通器的带宽；S2中滤波后的光线经过AOTF光谱选通器后，再通过光学元件进行选择引导，利用光电探测器进行探测；

S5、根据探测结果，确定有效恒星星点，完成光线选择。

作为本发明的一种优选方案，S4中，根据有效波段子集，通过调节AOTF驱动射频信号频率，确定AOTF光谱选通器的带宽。采用最优选星算法，辨识恒星光谱与杂散光光谱，优先使与杂散光光谱的区分度大于Δλ的恒星光谱选通。这里所述的Δλ＞50nm。

作为本发明的一种优选方案，S4中，所述光学元件为数字微镜阵列、MEMS快摆镜、PCDM中的一个。所述光电探测器的电子满阱数大于1Me。

作为本发明的一种优选方案，所述光学元件为快速运动数字控制反射镜。所述光学元件通过闭环反馈运动信息实时摆动方向，在FPGA焦平面前进行光线汇聚。

作为本发明的一种优选方案，S5中，确定有效恒星星点的方法为探测结果中的光斑同时满足如下三个条件：

1)星点像素为连通域状态。

2)单个星点中像素总数不超过Npixel_max并多于Npixel_min。这里所述的Npixel_max取值范围是100～500，Npixel_min取值范围是4～9，此两个变量的实际取值需结合实际的光电总体参数设计和选定探测灵敏度范围而定。

3)(行跨度×列跨度)/像元总数小于Dratio，这里所述的Dratio取值范围是4.5～8，此变量的实际取值需结合实际的仪器动态角速度范围、光电总体参数的实际验证情况而定。

作为本发明的一种优选方案，S5中，根据探测结果，进行星点目标提取，利用提取的星点目标，确定有效恒星星点。

实施例：

空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，根据传输光线在偏振、方向、光谱、强度四个方面的光学特点，提出基于多模态自主调制的恒星光线选择方法。首先，基于偏振光处理装置，将符合特定偏振特性的杂散光进行一次筛选抑制，之后通过合适的AOE自适应光学组件及超精密运动控制算法，将感兴趣的光线方向进行选择引导，进而通过光谱滤波装置将符合预期波段的光线进行自适应选通，最后在超大满阱CMOS图像探测器上进行最终的强度响应及探测成像，实现杂光条件下的高信噪比恒星探测，保证杂光条件下的毫角秒级指向测量。

如图1和2所示，空间极高精度指向测量仪器在杂光条件下的光线选择方法，包括如下步骤：

(1)太阳光经过遮光罩涂层散射或大气散射，将形成具有随机偏振态的杂散光，之后进入偏振转换器，将随机偏振态的杂散光转换为p偏振特性的光线；

(2)将p偏振特性的杂散光引导至p偏振光方向敏感滤波器，利用该方向敏感滤波器，将光学视场外角度入射的p偏振杂散光进行反射，将光学视场内角度入射的p偏振杂散光引入下一光路；

(3)利用先验计算出的姿态信息，快速遍历全天球恒星分布数据库，计算得到空间指向测量敏感器指向的天区内的恒星光谱信息，形成有效波段子集L{i}；

(4)以有效波段子集为输入，调节AOTF驱动射频信号频率f{i}，自适应选通AOTF光谱带宽，使能指向天区内的恒星光谱通过，采用基于单星位置误差权重分布的最优选星算法，辨识恒星光谱与杂散光光谱相近的波长带宽并禁止选通该区段，优先使能与杂散光光谱的区分度大于Δλ的恒星光谱选通，这里所述的Δλ需＞50nm；Δλ为预设步长差；

(5)利用数字微镜阵列、MEMS快摆镜或PCDM等自适应光学元件，通过微米级运动控制算法，将感兴趣的光线方向进行选择引导，在FPA焦平面前面进行光线方向的“汇聚”，用于补偿成像光斑拖尾的补偿，进一步提高恒星探测信噪比；

(6)利用电子满阱数大于1Me的超大满阱光电探测器，对到达探测器的恒星有效光斑以及部分从前端多级滤波器逃逸出的杂散光进行强度探测，当光线汇聚形成的光斑满足如下条件时，经证认为杂光条件下的有效恒星星点；

1)星点像素为连通域状态；

2)单个星点中像素总数不超过Npixel_max并多于Npixel_min。这里所述的Npixel_max取值范围是100～500，Npixel_min取值范围是4～9，此两个变量的实际取值需结合实际的光电总体参数设计和选定探测灵敏度范围而定。

3)(行跨度×列跨度)/像元总数小于Dratio，这里所述的Dratio取值范围是4.5～8，此变量的实际取值需结合实际的仪器动态角速度范围、光电总体参数的实际验证情况而定。

(7)完成杂光条件下的光线选择。

步骤(1)中，具有随机偏振态的杂散光进入偏振转换器，将随机偏振态的杂散光转换为p偏振特性的光线。所述的p偏振为光线特定的偏振态，所述的偏振转换器包括改变光线偏振态的超构散射表面材料。

步骤(2)中，将p偏振特性的杂散光引导至p偏振光方向敏感滤波器，该滤波器对偏振方向进行选通，将光学视场外角度入射的p偏振杂散光进行反射，对指向测量敏感器不再产生干扰；同时将光学视场内角度入射的p偏振杂散光引入指向测量敏感器的下一光路。

步骤(3)的实现过程为：利用先验计算出的姿态矩阵M，快速遍历全天球恒星分布数据库，即计算恒星数据库中的所有恒星惯性矢量与M(3，：)矢量的夹角，将夹角小于FOV/2角度的恒星纳入子集W(i)，并进一步通过数据库链表快速索引W(i)对应的恒星光谱类型子集S(i)；计算得到空间指向测量敏感器指向的天区内的恒星光谱信息，形成有效波段子集L{i}；所述的恒星惯性矢量定义为恒星在J2000日心惯性坐标系下的矢量坐标；这里所述的FOV为空间指向测量敏感器的光学视场大小；所述的恒星分布数据库包含恒星惯性矢量坐标、恒星光谱信息。

步骤(4)的实现过程为：以有效波段子集为输入，自适应调节AOTF驱动射频信号频率f{i}，动态选通AOTF光谱带宽，使能指向天区内的恒星光谱通过，采用最优选星算法，辨识恒星光谱与杂散光光谱相近的波长带宽并禁止选通该区段，优先使能与杂散光光谱的区分度大于Δλ的恒星光谱选通；所述的驱动射频信号频率定义为可连续、快速地改变AOTF衍射光束的波长λ，实现输入光线的光谱选通滤波；所述的最优选星算法为结合指向测量敏感器恒星亮度、位置、数量、单星定位误差等要素进行综合择优，求解出的与杂光光谱区分度优于Δλ的选通恒星光谱最优解。

步骤(5)的实现过程为：利用数字微镜阵列、MEMS快摆镜或PCDM等自适应光学元件，通过微米级运动控制算法，将感兴趣的光线方向进行选择引导，在FPA焦平面前面进行光线方向的“汇聚”，用于补偿成像光斑拖尾的补偿，进一步提高恒星探测信噪比；所述的数字微镜阵列、MEMS快摆镜或PCDM均为至少一维的快速运动数字控制反射镜，可通过闭环反馈运动信息实时摆动方向，进行光线方向操控，实现FPGA焦平面前面的光线汇聚；所述的精密运动控制算法如图3所示。即通过粗解算拖尾星点信息，推算星点在探测器二维平面的运动速度，进而反向补偿到AOE组件的逆向快速运动补偿中去，实现光线的方向选择。

步骤(6)的实现过程为：利用电子满阱数大于1Me的超大满阱光电探测器，对到达探测器的恒星有效光斑以及部分从前端多级滤波器逃逸出的杂散光进行星点目标提取，所述的星点目标提取的步骤定义为遍历曝光星图，提取出超过(μ+3σ)的连通域像素、辨识满足步骤(6)的条件后进行星点精密定心计算。这里所述的μ为曝光星图的背景均值，σ为曝光星图的标准差。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。