星敏感器杂散光抑制方法及仿真分析

星敏感器的探测目标是深黑空间中的恒星，属于暗目标探测系统，其杂散光来源主要是太阳光、月亮光和地气光等视场外强光，它们与7.5等星相比，强度都在，因此，星敏感器对杂散光的影响非常敏感，杂散光的抑制设计是星敏感器研制的关键技术之一，是影响其观测能力的重要因素。

图1.外遮光罩设计原理

目前，国内外针对星敏感器外遮光罩的设计，应用较广泛且抑制能力较好的有两节型及优化的两节型外遮光罩、三节型外遮光罩，可满足观测5等星的目标。但对于7等星及以上更暗的观测目标，所设计的外遮光罩往往结构体积过于庞大，不能满足卫星平台对于结构尺寸的要求，国内外对此研究的也较少。本文提出星敏感器杂散光抑制指标( 点源透过率( PST) ) 的计算方法，计算观测 7.5 等星时星敏感器所需的 PST 指标要求，并以此为基础，提出一种基于两节吸收型外遮光罩，光学系统内部设计消杂散光光阑、关键表面采用特殊工艺处理的方法，将星敏感器的杂散光抑制能力提高到观测 7.5 等星的目标。

1 星敏感器杂散光抑制指标分析

星敏感器的主要杂散光源为太阳光、月亮光和地气光等强杂散辐射源，由于太阳光的能量远远高于月亮、地气等杂散光，本文计算的星敏感器杂散光抑制指标主要考虑太阳杂散光。因此，需计算星敏感器对太阳光的衰减能力。PST 表征光学系统本身对外部杂散光的衰减能力，且其与杂散光源的辐射强度无关。因此，星敏感器一般选择PST作为杂散光抑制指标。根据太阳光的辐射能量及星敏感器自身结构参数即可计算系统的杂散光指标( PST) 要求。

图2.外遮光罩计算模型

PST定义为光学系统视场外视场角为θ的点源目标的辐射，经过光学系统后，在像面产生的辐射照度与输入的辐射照度的比值，即

PST( θ) =Ed( θ)/Ei( θ)          (1)

式中: Ed( θ) 为探测器上接收的辐射照度；Ei( θ)为入射光的辐射照度。

根据探测器的光谱响应，星敏感器工作谱段一般为可见光及近红外，并且具有较大视场角，很容易引进杂散光。

图3.外遮光罩结构

3 仿真分析

本文采用 Lighttools 软件对星敏感器进行建模仿真分析，软件中对各个表面的表面特性进行设置。其中，光学透镜设置为透镜表面，其透过率设置为0.98，反射率设置为0.01，吸收率设置为0.01；外遮光罩设置为漫反射结构表面，其吸收率设置为0.9，漫反射率设置为0.1；光机系统内关键结构表面吸收率设置为0.9，漫反射率设置为0.1；其余机械结构表面按照软件自带结构材料表面参数数据库进行设置。完成上述设置后，Lighttools软件光线追迹数量为1亿条以上，能够满足软件计算精度要求。计算太阳光在杂散光抑制角外，以不同角度入射时，星敏感器的杂散光抑制( PST) 能力。表3给出了外遮光罩及挡光环采用第 2.1节中4种不同设计结构时不同离轴角度的星敏感器的PST计算结果。

图4.消杂散光光阑

4 结论

通过对星敏感器外遮光罩的仿真分析，本文结论如下:

1) 本文详细分析了星敏感器评价指标( PST) 的计算方法。

2) 讨论了某星敏感器的杂散光抑制方法，给出了两节吸收型遮光罩的设计方法、消杂散光光阑的设计方法及关键表面采取的工艺措施等。

3) 总结了星敏感器杂散光抑制的主要技术措施。

4) 采用Lighttools软件对设计结果进行仿真分析，选择最佳设计方案。

仿真计算结果表明星敏感器在杂散光抑制角外的 PST 能够达到10^-9以上，所提出杂散光抑制方法，能够满足观测7.5等星的使用需求。

相关产品：http://www.hgoan.com/show/339.html     http://www.hgoan.com/show/338.html