精细导星仪(FGS)是空间天文望远镜精密稳像系统高精度姿态信息的快速检测装置,CMOS图像传感器的成像效果直接影响精细导星仪姿态信息的解算精度。而实际工作时,CMOS成像器件存在最佳的读出范围,超出此范围的入射光强与光生电子数的线性度低,无法获取有效星点来满足后级的质心坐标解算。为解决这一问题,提出一种估算不同星等最佳积分时间的方法,并将积分时间作为探测器参数选择与调整的主要依据。测量结果表明,像元暗电流的读出码值和探测器面阵RMS噪声值均随积分时间的增加而增加。依据星点光斑分布模型给出常用星等的最佳积分时间范围,结合星点的分布情况,得出7等星在视场范围内的星数约为7颗,论证了小型CMOS器件对星斑的探测能力。

星图识别算法是星敏感器快速获得姿态信息的关键, 传统的星图识别算法, 例如三角形算法、多边形算法以及一些改进算法, 大多是以星对间的角距作为识别特征, 而星对角距的计算精度严重依赖于星敏感器相机的焦距f的校准精度。如果校准精度不够或者由于环境原因导致相机焦距有较大变化时, 这些基于星对角距的识别方法将无法正常工作, 本文提出了一种基于相似三角形的星图识别算法, 该算法利用观测星组成的三角形与CCD相机所成像点三角形相似来进行识别, 由于识别过程不需要焦距信息, 在焦距有较大变化时仍能正常工作。最后用蒙特卡罗方法进行了仿真验证, 结果表明该算法在引入较大焦距误差时识别率无明显变化, 其平均识别率为95.2%, 平均识别时间为5.3 ms, 而相同仿真实验条件下传统三角形算法的平均识别时间为7.6 ms, 在引入0.5 pixel的像面位置误差时该算法识别率为93.3%, 而传统三角形算法识别率仅为86.5%, 该算法较传统三角形算法在识别速度方面有一定优势, 同时对像面位置噪声的鲁棒性更好。

地基光电系统白天在可见光波段对空间目标观测时,因受大气散射等因素的影响,探测能力会急剧下降。红外波段较可见光波段具有较强的大气穿透能力,因此在红外波段观测空间目标可以较好地解决白天探测的问题。利用MODTRAN模型计算了不同大气成分对中波红外透射率的影响并进行了分析,并用中波红外成像系统在地基望远镜上进行了观测。实验结果表明,中波红外探测器在白天能极限探测到7等星,平均信噪比为6.236。本研究对白天红外波段地基的空间探测具有一定参考意义。

针对实验室高星等目标模拟问题,设计了一种由光源、可调光阑、积分球、光电探测器和平行光管组成的弱光单星模拟器,用于检测探测相机、星敏感器的星等探测能力。推导了光电探测器读数、积分球出口光谱辐亮度随可调光阑遮拦比的变化关系,结合星等定义公式和像面照度公式,介绍了弱光单星模拟器的工作原理,解决了高星等目标的标定难题。理论分析了弱光单星模拟器的星等模拟范围及精度,结果表明其最高可模拟19.5 Mv星等,精度为11.6%;模拟低于15 Mv星等时,精度优于8%。实验结果表明:实验室内,模拟星等与KLL-04型弱光照度计实测星等的相对误差最大为7.09%;实验室的探测相机与天文观测的探测相机所测得的星等探测能力在6.5 Mv处的相对误差为1.9%,在15.2 Mv处的相对误差为2.6%。所设计弱光单星模拟器能够对高星等目标进行有效模拟。