一种空间相机指向变化测量光学仿真分析方法技术

本发明专利技术公开了一种空间相机指向变化测量光学仿真分析方法，属于光学遥感技术领域。该方法首先在光学设计仿真软件中，确定中央基准位置，导入空间相机光学系统模型、相机成像焦面模型、光路约束结构模型；在像面中心设置点光源，通过逆向光线追迹，设置传导路径中的光学传导元件、发射组件，得到指向变化测量通路的初步模型；再进行正向光线追迹，迭代优化参数设置，校验得到指向变化测量链路的完整模型；基于完整模型，实现对空间相机指向变化的测量仿真与分析。测量仿真与分析。测量仿真与分析。

【技术实现步骤摘要】
一种空间相机指向变化测量光学仿真分析方法


[0001]本专利技术涉及一种空间相机指向变化测量光学仿真分析方法，属于光学遥感


技术介绍

[0002]卫星载荷指向变化是指在轨工作中载荷系统受空间力热环境等影响，其光轴指向会发生变化。空间相机属于航天卫星光学载荷，普遍用于对地观测，星敏感器(或星相机)主要用于实时测量卫星姿态。近年来，航天遥感领域正致力于高时空分辨率侦测一体遥感系统发展，并推进了大口径、多通道光学系统的快速发展研制，同时也对空间遥感影像的辐射几何精度带来了巨大挑战，空间相机与星相机指向的变化将影响遥感图像的地面定位精度，有碍于空间遥感系统的应用效能发挥，而相机指向变化测量设计对航天光学遥感系统获取高精度姿态信息具有非常重要的应用价值。
[0003]1998年GLAS团队在NASA Goddard Space Flight Center上发表了《Geoscience Laser Altimeter System GLAS Science Requirements Document》，Shuman C A等人在Geophysical Research Letters上发表了《ICESat Antarctic elevation data:preliminary precision and accuracy assessment》，这两篇文章介绍了GLAS系统在轨测量STAR TRACKER相机和激光接收系统之间指向变化的设计和思想，后续型号ICESat
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2上配置的先进地形激光测高系统ATLAS，也采取了类似的夹角测量技术，A.W.Yu等人在2010年SPIE会议上发表了《Space Laser Transmitter Development for ICESat
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2 Mission》，上述公开文献中简介了一种适用于激光载荷的提升定位精度的夹角测量模块设计，然而未进一步展开对其具体方案设计和仿真论证的分析研究；近年来，国内部分高校研究团队也开展了基于外部机械基准的航天用部分载荷微小角度的测量方法研究。目前，空间相机在轨光轴指向测量技术的攻关和研制正在逐步开展，这就需要构建设计模型并开展仿真分析，但是这方面的方法研究比较欠缺，还未见公开研究资料。
[0004]为突破对卫星一体化设计约束和热控水平的局限，有效实现空间相机指向变化在轨监测，近年来北京空间机电研究所提出了一种在空间相机原有光学系统基础上通过构建中央基准和导光组件进行光路传导并获取相机指向相对于基准部件位置变化的测量系统，但对于大口径、多通道等复杂类型空间相机，面临着诸多如结构空间狭小有限、包络设计约束、重量约束、光学路径冗长复杂等难题，给测量通路设计和分析带来考验。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于全光学路径的空间相机指向变化测量系统的仿真分析方法，综合考虑相机光学系统路径和结构空间布局，结合坐标三维变换构建测量通路光学模型，为空间相机指向测量系统设计和优化提供了支撑和论证分析参考。
[0006]本专利技术的技术解决方案是：
[0007]一种空间相机指向变化测量光学仿真分析方法，包括：
[0008]在光学设计仿真软件中，设定中央基准位置，导入空间相机光学系统模型、相机成像焦面模型、光路约束结构模型，确定各模型的相对位置关系；
[0009]在像面中心设置点光源，通过逆向光线追迹，设置光学传导元件；设置发射光源，设计并设置发射组件，得到指向变化测量通路的初步模型；
[0010]基于所述指向变化测量通路的初步模型，隐藏所述点光源，激活所述发射光源，进行正向光线追迹，核验指向变化测量通路的导通可行性和正确性；若满足可行性和正确性，即得到指向变化测量通路的完整模型；
[0011]基于所述指向变化测量通路的完整模型，进行全光学路径的相机指向变化测量通路的仿真，监测指向变化测量通路对空间相机指向变化的测量。
[0012]优选的，在像面中心设置点光源，通过逆向光线追迹，设置光学传导元件，包括：
[0013]点光源作为逆向光线追迹的输入，复用空间相机主光路，进行逆向光线追迹，光线经由全光学路径，自主光路出瞳处选择无结构遮挡和约束的位置放置首个光学传导元件，并设置所述光学传导元件的空间角度；
[0014]通过光线传导，在传输路径中逐次设置若干个光学传导元件，直至关联到所述中央基准位置。
[0015]优选的，对光学传导元件的空间角度设置，包括：
[0016]导出当前在光学设计仿真软件中已设置的模型，在结构设计软件中打开所述模型，在光线路径中沿最后光线方向上，在光学传导元件的可设置范围内选择一点作为光学传导元件的基本位置，并测量该点的空间坐标；
[0017]测量光线路径中最后光线方向在相机本体坐标系中与三个坐标轴的夹角，进行光学传导元件指向设置的旋转角计算，得到光学传导元件的欧拉角度，作为所述光学传导元件的空间角度。
[0018]优选的，以误差最小的不改变光线方向或180
°
完全相反方向传播方式，对光学传导元件的空间角度进行设置。
[0019]优选的，对发射组件进行设计，包括：
[0020]基于设计要求，确定像面的成像光斑尺寸范围；
[0021]计算得到中央基准位置在理论上发出的光束束腰尺寸，依据该尺寸参数设计发射组件中用于会聚和准直的两个透镜的焦距，使发射组件中第一个透镜像方腰斑落于第二个透镜的后焦面上。
[0022]优选的，在中央基准位置放置发射光源，设置发射组件，发射光源与发射组件光轴共线；
[0023]设置发射组件的方法为：
[0024]导出当前在光学设计仿真软件中已设置的模型，在结构设计软件中打开所述模型，在光线路径中沿最后光线方向上，在发射组件的可设置范围内选择一点作为发射组件的基本位置，并测量该点的空间坐标；
[0025]测量光线路径中最后光线方向在相机本体坐标系中与三个坐标轴的夹角，进行发射组件指向设置的旋转角推算，得到发射组件的欧拉角度，作为所述发射组件的空间角度。
[0026]优选的，核验指向变化测量通路的导通可行性和正确性，若不满足可行性和正确
性，迭代调整光学传导元件的位置及指向参数，使光线到达像面中心，即得到指向变化测量通路的完整模型。
[0027]优选的，基于所述指向变化测量通路的完整模型，进行全光学路径的相机指向测量通路的仿真，包括：
[0028]根据任务需求，在指向变化测量通路的光学模型中设置发射光源束散角和功率值，在全光学路径中不同光学传导元件位置处设置若干个分析面；
[0029]改变待测空间相机光学系统指向参数，仿真指向变化测量通路像面的成像光斑情况，光学系统指向变化和对应像面光斑质心变化情况，开展仿真结果与理论计算的分析对比，实现全光学路径的相机指向测量通路的仿真。
[0030]优选的，在全光学路径中不同光学传导元件位置处设置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间相机指向变化测量光学仿真分析方法，其特征在于，包括：在光学设计仿真软件中，设定中央基准位置，导入空间相机光学系统模型、相机成像焦面模型、光路约束结构模型，确定各模型的相对位置关系；在像面中心设置点光源，通过逆向光线追迹，设置光学传导元件；设置发射光源，设计并设置发射组件，得到指向变化测量通路的初步模型；基于所述指向变化测量通路的初步模型，隐藏所述点光源，激活所述发射光源，进行正向光线追迹，核验指向变化测量通路的导通可行性和正确性；若满足可行性和正确性，即得到指向变化测量通路的完整模型；基于所述指向变化测量通路的完整模型，进行全光学路径的相机指向变化测量通路的仿真，监测指向变化测量通路对空间相机指向变化的测量。2.根据权利要求1所述的一种空间相机指向变化测量光学仿真分析方法，其特征在于，在像面中心设置点光源，通过逆向光线追迹，设置光学传导元件，包括：点光源作为逆向光线追迹的输入，复用空间相机主光路，进行逆向光线追迹，光线经由全光学路径，自主光路出瞳处选择无结构遮挡和约束的位置放置首个光学传导元件，并设置所述光学传导元件的空间角度；通过光线传导，在传输路径中逐次设置若干个光学传导元件，直至关联到所述中央基准位置。3.根据权利要求2所述的一种空间相机指向变化测量光学仿真分析方法，其特征在于，对光学传导元件的空间角度设置，包括：导出当前在光学设计仿真软件中已设置的模型，在结构设计软件中打开所述模型，在光线路径中沿最后光线方向上，在光学传导元件的可设置范围内选择一点作为光学传导元件的基本位置，并测量该点的空间坐标；测量光线路径中最后光线方向在相机本体坐标系中与三个坐标轴的夹角，进行光学传导元件指向设置的旋转角计算，得到光学传导元件的欧拉角度，作为所述光学传导元件的空间角度。4.根据权利要求2所述的一种空间相机指向变化测量光学仿真分析方法，其特征在于，以误差最小的不改变光线方向或180
°
完全相反方向传播方式，对光学传导元件的空间角度进行设置。5.根据权利要求1所述的一种空间相机指向变化测量光学仿真分析方法，其特征在于，对发射组件进行设计，包括：基于设计要求，...

【专利技术属性】
技术研发人员：高凌雁，王小勇，赵野，郭崇岭，何红艳，王伟之，程少园，段维宏，刘湃，贺金平，田国梁，米兴娟，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：