【摘 要】
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空间目标主要是指离地球表面100km以外空间（外层空间）的所有在轨工作航天器和空间碎片。随着航天发射活动的日益频繁,空间目标种类和数量急剧增加,空间环境变得更为复杂,因此对空间目标进行实时广域监视显得尤为重要。阵列相机早期主要应用于全景成像领域,近年来开始在空间目标探测领域中得到应用,其广域探测能力可实时提供多目标丰富的运动轨迹和光度变化信息,且建设周期较短,研制成本较低,与传统的大口径空间目标光
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
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空间目标主要是指离地球表面100km以外空间（外层空间）的所有在轨工作航天器和空间碎片。随着航天发射活动的日益频繁,空间目标种类和数量急剧增加,空间环境变得更为复杂,因此对空间目标进行实时广域监视显得尤为重要。阵列相机早期主要应用于全景成像领域,近年来开始在空间目标探测领域中得到应用,其广域探测能力可实时提供多目标丰富的运动轨迹和光度变化信息,且建设周期较短,研制成本较低,与传统的大口径空间目标光学探测系统能够形成优势互补。实现广域探测的核心在于大视场高灵敏度高探测精度阵列光学系统的设计与实现。本文围绕这一问题开展了相关关键技术研究,主要研究内容概括如下:论文完成了空间目标广域探测系统排布设计和阵列单元探测性能需求设计。首先基于空间目标地基光电探测原理构建了探测能力计算模型,为阵列光学系统的设计与分析建立了理论基础。然后针对阵列单元的高效经济布局问题,提出了一种基于经纬线的矩形视场阵列单元球面排布方法,实现了83个视场为13.7°×13.7°的阵列单元无缝拼接成像,能够覆盖地平线20°以上天区范围。在此基础上,根据系统设计要求及探测能力影响因素灵敏度模型,确定了阵列单元镜头设计要求及畸变标定要求。为解决阵列单元镜头视场范围与探测灵敏度相矛盾的问题,深入研究了大视场高灵敏度阵列单元镜头的设计与像差补偿。首先选择了合理的初始结构,较好的优化了各类像差,完成了全球面方案的设计。在此基础上,针对设计的阵列单元镜头,开展了基于MTF灵敏度的像差补偿,并由此提出了一种新的计算机辅助装调方法,即基于MTF灵敏度的非线性最小二乘法。该方法考虑了补偿元件MTF灵敏度的非线性特点,可以实现较好的像差补偿,并通过一个仿真实例进行了验证,经过补偿后,镜头边缘视场MTF值由原来的低于0.1@20lp/mm提升到优于0.55@20lp/mm,为后续实际镜头的装调奠定了基础。阵列单元镜头视场范围扩大所引入的非线性畸变将影响探测精度和视场拼接精度。为解决这一难点问题,论文深入研究了阵列单元非线性畸变的高精度标定。提出采用基于照相天体测量的镜头非线性畸变标定方法,利用高精度Gaia DR2星表参考星理想坐标和量度坐标之间的映射关系解析出畸变信息,从而实现镜头成像畸变的地面外场定标。针对大视场镜头天文观测畸变标定在星图匹配和底片模型解算方面存在困难的问题,提出了一种新的复合标定算法,首先利用自标定法对畸变进行初标定,然后利用天体测量法进行精标定,可以提升大视场畸变的标定精度,有效拓展基于天体测量的高精度畸变标定方法的适用范围。在自标定法实现大视场畸变初标定方面,提出了一种基于直线透视投影不变性的自标定算法。该算法只需拍摄一幅或多幅带有直线信息的图像,在单参数Division畸变模型下直线将成像为圆弧,利用三组以上圆弧参数即可解算出畸变系数。该算法采用了基于后向序列选择的特征筛选方法和基于LLS的畸变参数估计方法,实验表明其具有良好的鲁棒性和标定效率,能够用于大视场畸变的高效初步标定。最后为了验证阵列单元的探测能力以及畸变标定精度,开展了相关外场观星实验。首先利用单个镜头进行了探测能力验证实验,在1s积分时间下实现了14.10等星的探测,满足指标要求。然后利用两个镜头进行了拼接成像原理验证,畸变标定后参考星残差均方差优于4.36″,并对畸变校正后图像进行了拼接。基于不同实验的对比结果,考虑到进一步提高探测能力和降低畸变标定难度,提出了一个基于Q-type自由曲面的阵列单元镜头光学设计方案,实现了环围能量比优于80%@17μm,MTF优于0.81@20lp/mm,畸变优于0.06%。
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