微像素质心定位技术研究

论文摘要

近年来,针对地外生命和地外行星系统的搜索成为了人类太空探索的热点,特别是位于宿主恒星宜居带、和地球质量类似的宜居行星是人类一直追寻探测的终极目标。为了满足天体测量方法探测系外宜居行星的需求,对星点的质心定位精度必须要达到10微像素(对应1微角秒),因此微像素质心定位技术是利用天体测量方法探测系外宜居行星急需突破的关键技术之一。本论文对微像素质心定位技术开展了研究,具体研究内容和主要成果如下:首先对微像素质心定位算法和图像传感器像素响应函数频域标定技术进行了系统的研究。对卷帘快门和干涉条纹不稳定性对图像传感器标定的影响进行了分析并给出了相应的解决方案。考虑了光学拼接焦平面的影响,分别对微像素质心定位算法和像素响应频域标定技术进行了改进。针对像素响应频域标定技术只能得到频域标定结果的缺陷,提出了一种新标定方法,能够克服这个缺陷。其次,通过仿真对微像素质心定位技术所能达到的精度以及各种误差源的影响进行了研究。结果显示,为了使精度达到微像素级别,计算窗口必须覆盖光学系统点扩散函数的第5级Airy环;利用像素响应频域标定技术对像素响应进行标定后,质心定位精度可以从0.001像素量级提升到5微像素。再次,设计了一套微像素质心定位试验验证装置,该套试验装置对像素位置偏差的理论测量精度为25.7微像素。利用搭建好的试验装置进行了初步的试验验证,结果显示,对平场进行标定后,在200s的积分时间内,微像素质心定位算法的质心测量精密度可以达到80微像素,精度可以达到0.0024像素。最后,对如何将微像素质心定位技术应用在星敏感器中进行了一些探索。对像素位置偏差对星敏感器质心定位精度的影响进行了分析,结果显示,对星敏感器质心定位精度的要求高于0.01像素时,有必要对像素位置偏差进行标定。然后对微像素质心定位算法进行了改进,提出了一种基于星点像重采样的星敏感器质心定位算法,实验结果显示该算法的系统误差为0.008像素,该算法精度高,受光学系统像差影响小,是提高星敏感器姿态测量精度的一种有效方法。论文的创新性主要体现在以下四个方面:1、针对实际干涉条纹数据处理过程中发现的动态干涉条纹的强度与移动速度不稳定现象,提出了一种迭代优化相位反演算法,能够对不稳定的干涉条纹数据进行准确、快速地分析,实现了对图像传感器像素响应函数的准确标定。2、针对大面阵拼接焦平面,提出了对有效点扩散函数进行重构并在不同图像传感器上进行重采样的算法,有效解决了在图像传感器之间存在角度旋转的情况下,对位于不同图像传感器上星点之间间距进行高精度测量的难题。3、针对像素响应频域标定技术只能得到频域标定结果,而无法将结果变换到空间域的缺陷,提出了一种新方法,通过将像素响应频域标定技术和直接测量法结合起来,克服了直接测量法和频域标定方法各自的局限性,能够得到像素响应函数空间域标定结果,且具有标定速度快、可应用性强等优点。4、探索了微像素质心定位技术在高精度星敏感器中的应用。分析了像素位置偏差对星敏感器质心定位精度的影响;提出了一种基于星点像重采样的星敏感器质心定位新算法。这些研究成果可以在不增加硬件资源的情况,为研发高精度星敏感器提供了新的技术手段。

论文目录

摘要

abstract

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 存在的问题

1.3 论文主要研究内容和创新点

第2章微像素质心定位算法

2.1 引言

2.2 像素光强模型

2.3 有效点扩散函数的重构方法

2.3.1 不考虑像素间响应差异时的情况

2.3.2 考虑像素间响应差异时的情况

2.4 质心位移估计方法

2.5 微像素质心定位算法误差分析

2.6 微像素质心定位算法总体流程

2.7 MOSAIC结构焦平面的影响及算法改进方案

2.8 小结

第3章像素响应标定技术

3.1 像素响应标定技术概述

3.2 像素响应函数的频域标定

3.2.1 外差式激光干涉测量装置

3.2.2 标定模型

3.2.3 标定流程及数据处理方法

3.3 卷帘快门对频域标定的影响

3.4 不稳定状态下的数据处理

3.5 MOSAIC结构焦平面标定

3.6 全图像传感器像素响应的空间域标定

3.7 小结

第4章微像素质心定位技术仿真验证

4.1 仿真基本设置

4.2 系统误差仿真

4.2.1 计算窗口大小

4.2.2 像素间响应差异标定

4.2.3 点扩散函数的差异

4.3 噪声敏感度研究

4.3.1 待匹配星点像中的光子噪声

4.3.2 参考星点像中的光子噪声

4.4 小结

第5章微像素质心定位技术试验验证

5.1 微像素质心定位技术验证试验目标及基本原理

5.2 试验装置设计

5.2.1 伪星源模拟系统

5.2.2 外差式激光干涉标定系统

5.2.3 图像采集与分析系统

5.2.4 结构支撑系统

5.3 标定系统理论误差分析

5.4 试验流程与初步试验结果分析

5.4.1 暗场标定

5.4.2 平场响应不均匀性标定

5.4.3 有效像素位置偏差标定

5.4.4 质心定位结果与分析

5.5 小结

第6章微像素质心定位技术在星敏感器中的应用

6.1 引言

6.2 像素位置偏差对定位精度的影响

6.2.1 星点像的仿真

6.2.2 像素位置偏差的补偿方法

6.2.3 无噪声条件下像素位置偏差对星点定位精度的影响

6.2.4 有噪声条件下不同像素位置偏差大小对星点定位精度的影响

6.2.5 小结

6.3 基于星点像重采样的星敏感器质心算法

6.3.1 星敏感器有效点扩散函数的重构

6.3.2 算法流程

6.3.3 质心定位误差仿真分析

6.3.4 实验与结果分析

6.3.5 小结

第7章总结与展望

7.1 全文总结

7.2 主要创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 曹阳

导师: 李保权

关键词: 微像素质心定位技术,天体测量,像素响应标定,干涉测量

来源: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 天文学,自动化技术

单位: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

分类号: TP212;P12

总页数: 141

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