星敏感器光学系统设计与检测研究

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1、星敏感器光学系统设计与检测研究王凡2015年1月中图分类号：UDC分类号：星敏感器光学系统设计与检测研究作者姓名王凡学院名称光电学院指导教师蒋玉蓉副教授答辩委员会主席李林教授申请学位工学硕士学科专业光学工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月TheresearchofstartrackeropticalsystemdesignandmeasurementCandidateName：FanWangSchoolorDepartment:SchoolofOptoelectronicsFacultyMentor:AssociateProf.YurongJiangChair，Thesi

2、sCommittee：Prof.LinLiDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：OpticalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在

3、学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要自首个星敏感器问世至今，星敏感器已经发展到第三代产品。高分辨率及超高分辨率遥感卫星、天文观测等任务对星敏感器星点提取精度提出了更高的要求，随着“高分专项”的深入，研究开发甚高精度星敏感器已经越来越紧要。甚高精度星敏感器具有亚角秒精度、高动态范围、小视场等特征，而同期国内的星敏感器与国际同类产品尚有差距，表现之一为星点提取精度依然不高，国际上同类产品星点提取精度已经可到达0.02pixel，可见，提高星点提取精度依然是必须解决的问题。本文首先围绕星敏感器的PSF建模论述了实现甚高精度星点提取的途径，主要讨论了两类星点提取算法，并

4、且指出两类算法共同存在的问题，即大都是以将高斯分布函数作为PSF为前提的星点提取算法，实际的PSF却是偏正态分布函数。为此分析了造成偏差的各种原因，分类为系统误差和随机偏差，同时讨论了对甚高精度星敏感器PSF进行建模的各种算法。然后，针对全天时星敏感器的特殊要求，详细分析了实现全天时的技术指标和技术方案，利用同轴三反型式完成了设计任务。其次，详细分析了甚高精度星敏感器光学系统的像差校正方法，利用了ZEMAX自带的扩展编程优化功能进行了设计，选用了摄远型式完成了抗离焦、环境适应力强的设计任务。再次，介绍了数理统计中偏离正态分布的离散数据处理理论，使用了偏正态分布来描述星敏感器星像能量分布。为

5、了验证模型的合理性，设计了仿真实验，然后进行了星像能量分布测量实验，对存在像差的星敏感器镜头的星像分布进行拟合，目标函数分别为高斯分布函数和偏正态分布函数，通过对比分析发现，偏正态分布能够更好的描述星敏感器星像能量分布。最后，研究了一种测量方法来高精度地测量实际星敏感器的星像能量分布函数，并以实例分析这种分布与高斯分布的相似度，以及这种差异对于算法的影响。根据技术指标，使用了一套高精度星敏感器星像分布测量装置，该装置的星点提取重复性精度优于1″，运用本文提出的算法，也可以高精度的检测甚高精度星敏感器PSF。关键词：甚高精度；全天时；星敏感器；光学设计；光学测量；点扩散函数IAbstract

6、Thethirdgenerationstartrackerhasbeendeveloped.Itisthehighestprecisioncomponentfortheattitudedeterminationofthesatellites.Ultra-highaccuratestartrackerisonecrucialtechnologyinthefieldofhigh-resolutionremotesensingsatelliteandastrometry.Sotheprecisionofcentroidingmustbeimprovedtodevelopit.Ultra-high

7、accuracystartrackerhasthecharacteristicsofsub-arcsecondaccuracy,highdynamicrange,andsmallfield.Therearestillgapsbetweendomesticproductsandtheforeignsimilarones,whichhasthedefectsintheperformanceofcentroidingaccur