[发明专利]一种全天时高精度星光折射导航杂散光抑制方法

摘要

本发明一种全天时高精度星光折射导航杂散光抑制方法，步骤为：1)将杂散光种类分为三类；2)对一级杂散光进行处理，确定一级杂散光强度，并对一级杂散光进行抑制；3)对二级杂散光进行处理，确定二级杂散光强度，并对二级杂散光进行抑制；本发明采用的内掩式杂散光抑制技术不仅有效，且利于星光折射敏感器的小型化设计；杂散光强度确定方法正确、结果精度高：基于杂散光产生原理，结合不同光学分析工具对各个级别的杂散光强度及抑制效果进行了确定，并对各级杂散光确定方法的准确性进行了校验，确保了结果的有效性和高精度；为星光折射导航和其它情况下的亮面源非常近距离处杂散光的抑制提供了技术支撑。

主权项

1.一种全天时高精度星光折射导航杂散光抑制方法，其特征在于步骤如下：1)定义杂散光种类选取的星光折射敏感器为大视场的光学敏感器，当视场中地球被全照亮时，在焦平面上引起的杂散光最强，按强弱等级分为三级，包括地球直射光线进入光学系统后，由于透镜的透过率和筒壁的吸收率等不为理想值，在镜筒内产生反射和散射而在地球成像区域周边引起的一级杂散光；由亮地球经星光折射敏感器成像系统衍射而产生的二级杂散光；剩余的其它杂散光，统称为三级杂散光，由于强度很弱，可以忽略；所述亮地球为被太阳全照亮时的地球；2)对步骤1)中一级杂散光进行抑制21)确定杂散光强度211)星光折射敏感器模型构建利用光学系统设计软件和杂散光分析软件完成星光折射敏感器模型构建；212)星光折射导航观测环境搭建；在离星光折射敏感器入瞳面1000f处设置与地球像相应大小的圆平面，属性为漫反射白板，并在该圆平面法线方向对其照射太阳平行光，用于模拟被全照亮的地球，再结合杂散光分析软件中的重点采样功能，使在星光折射敏感器焦平面上成像出与实际地球大小和方位一致的像；其中f为星光折射敏感器焦距；213)利用杂散光分析软件开始光线追迹，获得成像后焦平面上的能量分布数据；214)按实际星光折射敏感器采样率从杂散光分析软件中导出步骤213)仿真出的成像后焦平面上的能量分布数据，对数据进行处理，得出地球表面平均亮度数值，以及离地球边缘20km处的杂散光平均亮度数值，即1.003R地处的杂散光平均亮度数值，用离地球边缘20km处的杂散光平均亮度数值除以地球表面平均亮度数值，即得到一级杂散光强度；比较一级杂散光强度与杂散光抑制水平的最大可接受值；若大于后者，说明杂散光过强需要进行抑制，进入步骤22)；若小于等于后者，表明杂散光不需要进行抑制；22)对一级杂散光进行抑制221)利用光学系统设计软件建立二次成像光学系统；222)利用杂散光分析软件在二次成像光学系统的第一焦面处设置倾角为45°的圆锥形镜面反射掩体，掩体底面大小为地球像大小的99.8％，再利用杂散光分析软件完成基于该二次成像光学系统的内掩式星光折射敏感器模型构建；223)首先屏蔽掉第一焦面处的掩体，利用杂散光分析软件开始光线追迹，获得成像后第二焦平面上的能量分布数据；224)按实际探测器采样率从杂散光分析软件中导出步骤223)仿真数据，对仿真数据进行处理，得出地球表面平均亮度数值，以及离地球边缘20km处的杂散光平均亮度数值，用离地球边缘20km处的杂散光平均亮度数值除以地球表面平均亮度数值，即得到内掩式星光折射敏感器的一级杂散光强度；225)使在步骤223)中被屏蔽的第一焦面处掩体可用，利用杂散光分析软件开始光线追迹，获得成像后第二焦平面上的能量分布数据，对仿真数据进行处理，得出离地球边缘20km处的杂散光平均亮度数值，用该离地球边缘20km处的杂散光平均亮度数值除以步骤224)中得出的表面平均亮度数值，即得到内掩式星光折射敏感器对一级杂散光的抑制值；3)对步骤1)中二级杂散光进行抑制31)确定杂散光强度hI(r)为点物经成像系统成像后的衍射图样上，与目标像中心相距r处的光强，hI(r)函数称为点扩散函数，其中ω为成像系统口径的半径，f为成像系统的焦距，λ为光波波长，k为波矢量，J1为一阶贝塞尔函数；I(x,y)＝I0(x,y)*hI(x,y)                     公式(2)其中(x,y)代表像面坐标，与公式(1)中变量r的关系为I(x,y)表示像光强分布，I₀(x,y)为物几何像的光强分布，h_I(x,y)表示点扩散函数，*是卷积符号；由于亮地球经星光折射敏感器成像后的几何像光强分布I0(x,y)为一个圆域函数，因此，根据星光折射敏感器指标，基于公式(1)和公式(2)，可求出亮地球经星光折射敏感器成像后，在焦面上形成的光强度分布I(r)，从而计算得出地球表面平均亮度数值，以及离地球边缘20km处由于衍射引起的杂散光平均亮度数值，用离地球边缘20km处由于衍射引起的杂散光平均亮度数值除以地球表面平均亮度数值，即得到二级杂散光强度；其中对圆域函数的数据采样应小于等于星光折射敏感器系统爱里斑半径大小的一半；32)对二级杂散光进行抑制将步骤31)中计算得出的二级杂散光强度与步骤225)中得出的一级杂散光抑制值相加后与杂散光抑制水平的最大可接受值进行比较，若小于后者，说明二级杂散光强度在可接受范围内，将不对此杂散光采取特殊的抑制处理；若大于后者，说明二级杂散光强度不在可接受范围内，则在确保星光折射敏感器探测能力的情况下，采用增大星光折射敏感器光学系统有效口径、或减少星光折射敏感器光学系统焦距的方法降低由衍射引起的二级杂散光强度，同时返回步骤2)重新计算一级杂散光的相关数值，最后使二级杂散光强度与步骤225)中得出的一级杂散光抑制值相加后小于杂散光抑制水平的最大可接受值。