一种高精度星敏感器用遮光罩

梁士通，钟红军，刘 婧

(北京控制工程研究所，北京100190)

一种高精度星敏感器用遮光罩

梁士通，钟红军，刘 婧

(北京控制工程研究所，北京100190)

分析星敏感器在轨所受到的杂光的特点，对星敏感器常用的遮光罩结构进行分析和对比说明.给出一种结构简单、体积和重量较小的一级遮光罩，使用TracePro对其杂光抑制性能进行分析，给出其PST曲线及30°太阳入射角时的杂光在像面上的照度分布图.对该遮光罩进行了杂光实验，给出像面上A、B、C三区的杂光均值随太阳入射角的变化曲线.仿真分析结果与实验结果表明该遮光罩杂光抑制能力较好，可以满足星敏感器的杂光抑制要求.

航天器;星敏感器;遮光罩;杂光

0 引 言

星敏感器具有精度高、体积小、自主性强和无积累误差等优点，通过对天球中的恒星进行成像，进而求得航天器的姿态数据［1-2］.恒星光能量微弱，而航天器在轨所处的光学环境却比较复杂和恶劣，如太阳、地球以及航天器表面散射光等，这些杂光源具有光辐射强度高、辐射光谱宽等特点，且杂光光源与星敏感器的夹角随着航天器的在轨运行而发生变化，会对星敏感器的正常工作带来干扰，严重时杂光可能淹没恒星像点，导致星敏感器无法工作［1］.因此必须对星敏感器所受杂光进行抑制.本文对现有的常用的星敏感器杂光抑制技术进行了梳理，设计了一种星敏感器用改进型遮光罩，对其性能进行了分析和实验，对分析和实验结果进行了比对.

1 星敏感器遮光罩基本结构形式

现有的星敏感器基本上均配置有遮光罩结构，遮光罩主要用于抑制空间环境杂光.星敏感器遮光罩类型较多，按照消光原理可以分为吸收型遮光罩和反射型遮光罩等［3-5］.吸收型遮光罩历史较长，设计方法成熟，为包括星敏感器在内的多数光学系统所采用，如图1所示.

图1 两种星敏感器及其遮光罩Fig.1 Two kinds of star sensors and their baffles

吸收型遮光罩内部喷涂高吸收率黑漆对入射的视场外杂光进行抑制，内部一般再设置若干挡光环，以有效抑制进入遮光罩的杂散光.根据遮光罩形式，带挡光环的遮光罩又可分为一级遮光罩和二级遮光罩.

二级遮光罩可以认为由两个一级遮光罩组成.通过二级遮光罩，杂光会经过至少3次以上散射才能到达光学系统表面，使遮光罩的杂光抑制能力增强，但整个遮光罩的尺寸、口径和重量将增大.在杂光环境恶劣且对遮光罩外形尺寸要求不太严格的情况下，一般选用二级遮光罩的形式.

与二级遮光罩相比，杂光经过一级遮光罩后通过2次散射就可到达光学系统表面，因此一级遮光罩杂光抑制能力较二级遮光罩低.但一级遮光罩体积小，重量轻，当对遮光罩外形尺寸要求严格时，则只能选取一级遮光罩.星敏感器的小型化已成为星敏感器的发展趋势，因此星敏感器更多的采用了一级遮光罩，以降低系统的体积和重量.

2 遮光罩结构设计

一级遮光罩一般采用直立式挡光环，各挡光环垂直于光学系统光轴，竖直式挡光环只能利用各挡光环的高度和位置等设计自由度，而这两个设计参数在遮光罩外形尺寸确定后，由作图法即可完全确定，因此其设计自由度相对较小.采用垂直挡光环结构，遮光罩的设计结果和杂光抑制能力相当固定，无法调整像面处的杂光均匀性等指标.

为了提高设计自由度，对垂直式挡光环结构进调整为倾斜式挡光环结构.通过设置各挡光环的倾角，可以对进入光学系统后的杂光在像面的照度分布进行调整，使得探测器上的照度分布发生变化，从而有可能得到一种杂光均匀的遮光罩结构，有利于星敏感器杂光抑制能力的提高.

为了分析不同倾斜角度时像面均匀性的影响，对多种倾角时的遮光罩结构进行了仿真分析.通过分析对比，以下几个方面的调整可以改进像面照度的均匀性:1)挡光环倾斜应避免一次散射光直接进入光学系统;2)挡光环倾角较小时对改进像面均匀性贡献有限;3)挡光环倾角应根据内部使用黑漆的散射主方向进行调整，应尽量使散射主方向远离光学系统;4)倾斜挡光环刃口朝向应避免产生一次散射光进入光学系统;5)增大挡光环高度有利于提高像面杂光分布均匀性;6)最后一个挡光环尽量设计为后倾斜方式.

经过对各设计结果的对比，给出了一种星敏感器用遮光罩，杂光抑制角30°，总长267mm，入口直径202mm.该遮光罩采用了4片倾斜式挡光环，各挡光环倾角不完全相同.遮光罩结构如图2所示.

图2 遮光罩二维结构图Fig.2 The structure of the improved baffle

图2中心虚线为光学系统光轴，倾斜虚线为光学系统边缘视场线，遮光罩设计中各挡光环不能进入两边缘视场线内部，以免对光学系统成像造成遮挡.各挡光环刃口位置由遮光罩设计中的作图法确定，保证无一次散射光直接进入光学系统内部，通过对各挡光环倾斜方向的调整改变像面照度的均匀性.遮光罩二维结构设计完成后，即可对其进行三维建模，并进行杂光抑制性能仿真.

3 遮光罩性能仿真分析

遮光罩性能仿真是星敏感器设计中的关键步骤，通过性能仿真得到遮光罩自身的杂光抑制性能，在早期发现遮光罩设计中的不足.

遮光罩性能评价一般采用点源透射比(point source transition，PST)，MPST定义为像面平均照度与入射杂光的照度之比，入射杂光采用与光轴成某角度的平行光束［6］.

式中，Eima为探测器上的平均照度，Ein为光源在遮光罩入口处的照度.

MPST体现了光学系统本身对点源杂光的抑制能力，而与杂光辐射强度无关.MPST越小则表示系统的杂光抑制能力越强.PST是杂光入射角的函数，当杂光与光学系统夹角变化时，MPST也发生变化.

由于遮光罩消光涂层对入射光线的吸收，光线经遮光罩散射后能量下降较大，为使到达像面的光线数增大，在模型中设置重点采样区.在光学系统入口处设置重点采样区，其入射光线区为遮光罩挡光环后表面.光学系统像面处设置重点采样区，其入射光线区为光学系统结构内表面.

由于遮光罩对不同入射角度的杂光的抑制能力不同，因此需对不同角度入射时的抑制能力进行分析.

遮光罩内部喷漆太阳吸收率为0.95，双向散射分布函数(BRDF)数据使用黑漆实测数据.光学系统非工作面设置为吸收率为0.85的朗伯散射体.在模型外建立能发射平行光束的光源模型，杂光光源光线数设置为 500万根，光线阈值设置为 1× 10－9W.

图3为太阳入射角30°时的分析模型.杂光入射到遮光罩内壁后，经遮光罩内壁多次散射后进入光学系统，并最终散射在像面上，对星敏感器造成杂光干扰.

通过对不同角度的入射杂光进行分析，可以得到遮光罩与光学系统的MPST曲线.下图为遮光罩的MPST仿真曲线，在杂光以小角度入射时，MPST值较大，在1×10－6量级，随着杂光入射角的增大，MPST曲线呈下降趋势.在70°时可以达到1×10－8量级.

图3 遮光罩及光学系统仿真Fig.3 The simulation results of the baffle

图4 MPST仿真分析曲线Fig.4 TheMPSTcurve of the baffle

杂散光在像面上分布的均匀性对星敏感器的在轨使用影响较大.在提高遮光罩杂光抑制能力的同时应尽可能提高像面杂光分布的均匀性.

像面杂光分布的均匀性表示为

式中，EAve为像面平均照度，Ei是像面单个网格内的照度，n为像面网格划分数目.

由于到达光学系统像面处的杂光数量一般较少.特别是杂光入射角度较大时，光线数量更少，因此n的数量一般不宜过大，在此将像面划分为50× 50的网格区，则n为2 500.

由图5可以看出，像面上的杂光分布均匀性曲线随杂光入射角度的增大先增大后减小，在50°时达到最大，约为5×10－4.

图5 像面照度均匀性随杂光入射角度的变化曲线Fig.5 The non-uniform characteristic varying with the angle of the stray light

4 遮光罩性能测试及在轨应用

为了对遮光罩性能进行确认，保证星敏感器在轨正常工作，对该遮光罩及星敏感器进行了杂光试验.试验采用0.5个太阳常数的太阳模拟器以不同角度照射星敏感器，采集各角度时像面上的杂光图像，将杂光图像转换为1个太阳常数后计算像面上各区的平均灰度值.

星敏感器探测器尺寸为 15.98mm × 15.98mm，将探测器沿水平方向按照1∶3∶1的比例将探测器像面均分为A、B和C三区.星敏感器算法处理时分别计算三区的杂光背景均值，并进行滤波处理.三区杂光均值的接近程度可以反映像面杂光分布的均匀性.三区的杂光照度均匀性越接近一致，越有利于星敏感器算法的正常工作.试验结果如图6所示.

图6 不同杂光入射角时像面各区的平均灰度值Fig.6 The average gray level on the image plan varying with the angle of the stray light

图6中3条曲线分别为在不同杂光入射角度时，图像探测器上A、B和C三区的图像各区灰度平均值，反映了杂光对产品探测器不同区域的干扰情况.从上图可以看出，随着杂光入射角度的不断增大，星敏感器像面上杂光照度逐渐降低，在90°时的杂光强度为0.杂光照度整体下降趋势与MPST仿真曲线接近.三区平均灰度值在不同杂光入射角时的灰度值均小于45，遮光罩的杂光抑制能力较好;三区均值在同一杂光入射角时差别较小，该值在杂光以54°入射时最大，灰度值为6，表明杂光在像面上照度分布比较均匀.

从对杂光实验结果的分析结果来看，仿真结果与杂光实验结果基本一致，两者均表明该遮光罩可以达到较好的杂光抑制效果.

5 结 论

遮光罩是星敏感器进行杂光抑制的关键部件，随着星敏感器探测星等逐渐下降，灵敏不断提高，对星敏感器遮光罩的杂光抑制能力也提出了更高的要求.文中给出了一种倾斜式挡光环的一级遮光罩，并从仿真分析和实验验证两方面对该遮光罩的性能进行了分析，分析结果表明:该遮光罩可以达到较好的杂光抑制效果，可以满足星敏感器的杂光抑制要求.

［1］屠善澄.卫星姿态动力学与控制(3)［M］.北京:中国宇航出版社，2009.

［2］SIDI M J.Spacecraft dynamics and control:a practical engineering approach［M］.Cambridge:Cambridge University Press，1997.

［3］ROEL V B，DANIEL S，PHIL B，et al.Flight performance of the spitzer space telescope ast-301 autonomous star tracker［C］//The 28thAnnual AAS Rocky Mountain Guidance and Control Conference-Guidance and Control.Washington D.C.:AIAA，2005，447-466.

［4］SCHMIDT U.Autonomous star tracker based on active pixel sensors(APS)［J］.Proceedings of the 5thInternational Conference on Space Optics，2004，554(6): 355-358.

［5］ZEH T，GAL C，KAISER S，et al.Mertis-reflective baffle design and manufacturing［J］.Infrared Remote Sensing and InstrumentationⅩⅧ，2010，808:1-8.

［6］BASS.Handbook of optics Vol.2［M］.NewYork: McGraw Hill Press，2010.

Improved Baffle Used for Star Sensor

LIANG Shitong，ZHONG Hongjun，LIU Jing
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190)

The characteristic of the stray light is analyzed.An improved baffle with four angled vanes is given.The configuration of the baffle is simple and its weight is light.The TracePro software is used to analyze the light-shielding ability.The PST curve is analyzed.The stray light distribution on the detector when the sun is at 30 degree is given to illuminate the stray-light uniformity.The results of stray-light experiment are given and the curves of the average intensity on the detector’s three regions are analyzed.The simulated result and the experimental result show that the light-shielding ability of the improved baffle is good and can meet the light-shielding requirement of the star sensor.

spacecraft;star sensor;baffle;stray light

V44

:A

:1674-1579(2016)02-0053-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.02.010

梁士通(1984—)，男，高级工程师，研究方向为光学敏感器光机结构设计工作;钟红军(1978—)，男，研究员，研究方向为APS星敏感器研制工作;刘 婧(1985—)，女，工程师，研究方向为光学敏感器光机结构设计工作.

*国家自然科学基金资助项目(61174004).

2015-11-15