空间杂光对交会对接光学成像敏感器影响分析

赵春晖，龚德铸，刘 鲁，王晓燕，王艳宝，薛志鹏，侯丹佳

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空间智能控制技术重点实验室，北京100190)

学术研究

空间杂光对交会对接光学成像敏感器影响分析

赵春晖1，2，龚德铸1，2，刘 鲁1，2，王晓燕1，2，王艳宝1，2，薛志鹏1，2，侯丹佳1，2

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空间智能控制技术重点实验室，北京100190)

CCD光学成像敏感器是交会对接最后靠拢段的关键测量敏感器，其在轨工作时，太阳和地球杂光可能会进入相机视场，影响敏感器的正常测量.提出通过杂光建模分析和地面杂光试验验证相结合的方法，评估和验证空间杂光对光学成像敏感器测量的影响，确定相机遮光罩设计指标要求，给出理论分析、地面及飞行试验结果.

交会对接;光学成像敏感器;杂散光

交会对接光学成像敏感器是由安装在运输飞船上的交会测量相机和安装在目标飞行器上的目标标志器构成的光电测量子系统，用于交会对接最后靠拢到对接完成阶段的相对运动参数测量[1].光学成像敏感器在轨工作时，当太阳光、地球反照光等照射到相机或目标标志器上时，均会对敏感器的正常测量造成影响，尤其是当太阳光照射到目标飞行器表面的目标标志器附近区域时，其反射杂光在相机视场内，遮光罩无法发挥作用，反射干扰光与目标光源同时进入相机视场，造成图像背景复杂，严重时会导致敏感器无法正常工作.通过对敏感器在轨各杂光源进行分析，建立了杂光计算模型，进行了太阳照射地面试验和飞行试验验证，验证了杂光理论分析的合理性，试验结果表明敏感器在飞行试验中阳照区抗杂光干扰措施有效，工作稳定[2].

1 在轨杂光条件分析

根据交会对接轨道分析，太阳相对飞船入射角“可能的”变化范围如图1所示.为了讨论问题方便，图1给出太阳光入射方向相对于目标飞行器本体系+X轴夹角变化示意图.在飞船(或目标飞行器)对地定向时，地球边缘与星体+X向的夹角约为18.3°，如图2所示.下面以此为输入讨论太阳光对测量的影响.

杂光源对光学成像敏感器影响的示意图如图3所示.相对于轨道高度、地球直径，光学成像敏感器相机、目标标志器尺度非常小，因此均可以视为一个“公共点”进行分析，换言之，对该“公共点”的杂光分析结果，既适用于相机，也适用于目标标志器.由于当太阳光(或地球反照光)照射到目标飞行器表面的目标标志器附近区域时，其反射光可能会直接进入相机视场，遮光罩无法发挥作用，从而对光学成像敏感器工作造成严重干扰，因此重点对目标飞行器接收的太阳光、地球反照光进行了详细分析，该分析方法同样适用于太阳照射相机的情况，但对该情况，未进行详细叙述.

图1 太阳光照射示意图Fig.1 Incidence of sun light at different angles

图2 对地球张角示意图Fig.2 Field angle of sensor to earth surface

图3 在轨时太阳光照射目标飞行器示意图Fig.3 Irradiation of sun light on target spacecraft

太阳光照射目标飞行器前锥面时，太阳矢量绕目标飞行器本体系+X轴形成一个半锥角为α的圆锥，α约为0°～25°，图3中太阳光入射方向是为了讨论问题方便而画的示意图，以此为输入讨论太阳直接照射目标飞行器时对测量的影响.

图3同时也给出了当太阳照射地球时，地表反射太阳光到目标飞行器的情况.根据卫星轨道高度、地球半径可以计算目标飞行器能够“看到”的地球表面面积，可以用顶点为目标飞行器、半锥角为71.7°的圆锥所覆盖的地球表面来表示，圆锥母线即为与地球边缘的切线，其与目标飞行器飞行方向(+X向)的张角约为18.3°.由于在整个圆锥区域内，圆锥母线与+X面夹角最小，因此母线附近区域反射的太阳光到目标上的照度最强，为简化分析并考虑最坏情况，以该区域反射到目标飞行器前端面上的照度为输入条件进行分析.

地球反照光的强弱还与太阳照射地球的入射角有关，根据轨道光照分析，太阳矢量绕目标本体系+X轴形成一个半锥角为α的圆锥，其中α一年的变化约为0°～25°，太阳相对地球表面最小入射角为65°，此时地球表面接收到的太阳光能量最强，其反射太阳光能量也最强，以此为最坏情况进行分析.

如图3所示，CCD光学成像敏感器在轨工作时，主要有以下杂光源可能会对其测量造成影响:

1)太阳光、地球反照光以某一角度进入相机视场内;

2)太阳光、地球反照光被目标飞行器舱体表面反射进入相机视场内.

2 在轨杂光照度计算

已知CCD器件的光谱响应曲线如图4所示.相机工作谱段940±15nm，工作谱段透过率为0.7，CCD光谱响应度R940=3.5V/(μJ/cm2)，非工作谱段截止深度10-4，进入相机的非工作谱段能量很弱，可以忽略不计.

图4 CCD光谱响应曲线Fig.4 Spectrum response of CCD

太阳光的940nm处谱辐照度值如表1[3]所示.根据表1可以算出太阳光在工作谱段内总辐照度为

表1 太阳高度为90°时太阳辐射的光谱辐照度值Tab.1 Spectrum irradiation of sun light at elevation angle of 90°

式中，E940nm对应表1中的照度值，Δλ940nm为带宽.目标飞行器前锥段上分布着各单机部件、包敷材料、对接机构等，考虑到各单机部件大多被热控多层包敷，下面重点对反射面积较大的包敷材料、对接机构进行分析.假设目标飞行器前锥段包敷材料反射率为 ρbeta≤0.07，对接机构反射率为 ρdocking≤0.6，则包敷材料、对接机构受到太阳直射后的表面辐出射度分别为

由于地球表面物体不同，其表面反射率 ρearth一般在0.08～0.24范围内变化，设ρearth=0.25.考虑最坏情况，α取25°.根据前面分析，地球表面反射太阳光的辐出射度为

目标飞行器前锥段包敷材料、对接机构反射地球反照光的辐出射度:

目标飞行器前锥段表面材料(包敷材料、对接机构)被太阳光、地球反照光照射后，其反射特性从光学上呈混合反射(镜面与混合反射共存)特性，因而势必有某些方向的反射光进入相机视场，其在镜头上总的辐照度为

由下式可以得出目标飞行器前锥段表面反射光对交会测量相机的影响:

式中，ETarget-camera为照射到光学系统的辐照度，ECCD为CCD靶面上的辐照度.τρ为光学系统透过率，在工作谱段为0.7，在非工作谱段为0.0001.D为相机入瞳直径，f为相机距.根据式(6)可以算出当目标飞行器前锥段表面反射光进入相机视场后，在CCD靶面上的辐照度为

表2给出了目标飞行器前锥段表面(包敷材料、对接机构)反射太阳光和地球反照光在相机CCD上输出值的对比情况.可以看出，由于对接机构反射率高，其表面反射进入相机视场的杂光能量强，当远场积分时间较长时导致CCD出现饱和，近场虽然积分时间较短，但CCD输出也接近饱和.包敷材料由于其反射率比对接机构要低一个量级，因而其表面反射进入相机视场的杂光能量很弱，CCD输出也较弱.

3 相机遮光罩技术指标确定

上文已述及，相对于轨道高度、地球直径而言，光学成像敏感器相机、目标标志器尺度非常小，因此均可以视为一个“公共点”进行分析，因而对目标飞行器接收的太阳光、地球照度进行计算的结果，同样适用于太阳照射相机的情况.

当相机工作在最远工作距离时，目标成像最弱，也最易受到太阳杂光干扰的影响.下面就这种情况分析太阳杂光的影响.

当远场目标器位于最远工作距离(150m)和相机视场边缘时，可以算出远场目标灯在CCD的输出为

假设相机电路噪声为15mV，为了保证像点提取成功率，限定太阳杂光经过滤光片、遮光罩后进入成像敏感器在CCD上的杂光背景输出为10mV(均匀分布在整个视场)，此时对应的太阳杂光能量可由下式算出:

式中:A′CCD为CCD敏感面外接圆面积(161.28mm2);R为CCD光谱响应度;tmax为积分时间;τ为总透过率.

由式(1)和式(3)可知，在工作波长范围内(940± 30nm)太阳和地球反照光照射相机总的辐照度为27.57 (W·m-2)，如果没有采用遮光罩，可以计算得到太阳和地球反照光进入成像敏感器的总能量为

可以算出为了保证成像敏感器不受轨道杂光影响，正常工作所需遮光罩消杂光比为

为了保证设计裕量，对遮光罩消杂光比指标要求提高一个数量级，取为η=5×105.基于以上分析，考虑成像敏感器与运输飞船舱体间的结构限制，遮光罩的设计指标要求如下:

1)遮光罩消杂光比:η≥5×105;

2)遮光罩外形尺寸:直径:≤200mm;长度:≤220mm;

3)太阳光抑制角:≥25°.

需要说明以下几点:

1)杂光抑制角是指进入遮光罩的杂光矢量与光轴的夹角;

2)光学系统杂光系数一般为10-2左右，具有一定的杂光抑制能力，考虑到天地差异，作为裕量保留，认为光学系统没有杂光抑制能力.

4 地面及飞行试验验证

4.1 遮光罩太阳抑制能力试验

为验证遮光罩设计的合理性，分别进行了地面和在轨太阳照射试验.地面试验时，采用太阳模拟器为光源，照射相机遮光罩.在CCD光学成像敏感器在轨飞行时，进行了太阳照射相机试验，试验拍图如图5所示，当太阳照射角为18°时，由于遮光罩(和镜头)的衰减作用，图像背景已比较均匀，相机能够稳定工作，试验结果验证了遮光罩太阳抑制角满足设计要求.

图5 地面及在轨太阳照射相机试验拍图Fig.5 Picture of camera irradiated by sun light on ground and on orbit

4.2 目标飞行器反射太阳光干扰验证

为验证杂光理论分析的合理性，以及光学成像敏感器抗目标飞行器反射太阳光的干扰能力，在地面进行了外场目标飞行器模拟舱太阳照射试验，并进行了飞行试验验证，图6给出了地面试验拍图.地面和飞行试验结果表明，试验结果与在轨杂光照度理论分析结果一致，光学成像敏感器在目标飞行器反射阳光的干扰下能够正常工作.

图6 目标飞行器反射太阳光干扰试验拍图Fig.6 Picture of target spacecraft reflected by sun light

5 结束语

空间杂光干扰是影响CCD光学成像敏感器在轨工作的重要因素之一.由于天地之间光照环境条件差异较大，在地面进行全面的杂光干扰试验存在困难，提出了通过杂光建模分析和地面杂光试验相结合的方法，从理论上分析和计算了光学成像敏感器对太阳和地球反射光的响应，以此为基础提出了光学成像敏感器遮光罩抑制杂散光设计指标.通过地面和在轨杂光试验，验证杂光理论分析的合理性，试验结果表明抗杂光干扰措施有效，敏感器在飞行试验中阳照区工作稳定.

[1] 林来兴，李灿.交会对接最后逼近阶段CCD相机测量方法[J].宇航学报，1994，14(2):24-34 Lin L X，Li C.The Measuremethod of CCD-based camera at proximity phase of rendezvous and docking[J]. Journal of Astronautics，1994，14(2):24-34

[2] 赵春晖，高文文，刘鲁，等.神舟八号飞船交会对接CCD光学成像敏感器[J].空间控制技术与应用，2011，37(6):7-14 Zhao C H，Gao W W，Liu L，et al.A vision guidance sensor for SZ-8 spacecraft autonomous rendezvous and docking[J].Aerospace Control and Application，2011，37(6):7-14

[3] Hickey JR，Alto B M，Kyle H L.Total solar irradiance measurements by ERB/Nimbus 7，a review of nine years [J].Space Sci.Rev.，1988，48:321-342

Analysis on Influence of Space Stray Light on Vision Sensor for Autonom ous Rendezvous and Docking

ZHAO Chunhui1，2，GONG Dezhu1，2，LIU Lu1，2，WANG Xiaoyan1，2，WANG Yanbao1，2，XUE Zhipeng1，2，HOU Danjia1，2
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China; 2.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory，Beijing 100190，China)

The CCD-based vision sensor is critical equipment at the proximity phase of rendezvous and docking.The radiation of solar and earth may enter the field of view of the vision sensor in-orbit for rendezvous and docking.Themethod of stray lightmodeling is provided，the influence of solar and earth radiation is analyzed，and the design parameters of baffle for vision sensor is determined on the basis of the analysis.Finally ground and flight test results are presented.

rendezvous and docking;vision sensor;stay light

V488.2

A

1674-1579(2012)03-0001-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.03.001

赵春晖(1972—)，男，高级工程师，研究方向为空间视觉测量敏感器技术;龚德铸(1977—)，男，高级工程师，研究方向为空间视觉测量敏感器技术;刘 鲁(1973—)，男，高级工程师，研究方向为空间视觉测量敏感器图像处理与模式识别算法;王艳宝(1978—)，男，高级工程师，研究方向为空间视觉测量敏感器视频处理技术;王晓燕(1979—)，女，工程师，研究方向为空间视觉测量敏感器遮光罩设计;薛志鹏(1982—)，男，工程师，研究方向为空间视觉测量敏感器视频处理技术;侯丹佳(1982—)，女，工程师，研究方向为空间视觉测量敏感器视频处理技术.

2011-09-19