中英双语基于极坐标的星模拟器星点能量中心修正的研究的大学毕业论文外文文献.docx

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中英双语基于极坐标的星模拟器星点能量中心修正的研究的大学毕业论文外文文献

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五一三二七九五九三（五一三二七九五九三是数字）。

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jpd八八零三一五（八八零三一五是数字）。

StarPointEnergyCenterCorrectionofStarSimulatorBasedonPolarCoordinates

基于极坐标的星模拟器星点能量中心修正的研究

Abstract：

Inthispaper,variousaberrationshavebeenanalyzed.Notonlytheeffectsofaberrationongeometricalcenterpositionaretakenintoaccount,butalsothedeviationofdisplayedstarpositionenergycentercausedbyaberrationisanalyzed.Thesetwoaspectshavebeentakenintocomprehensiveevaluationandstarpositioncorrection.Thecorrectionmethodbasedonpolarcoordinatesisproposed,andcumbersomepartitioncorrectionandcalculatedquantitybasedontwo-dimensionalcoordinatescanbesimplified.Theexperimentalresultsshowthatthecorrectionprocessingbasedonpolarcoordinatesissimplerandeasiercomparedwithanyothercorrectionmethods.Inaddition,thecorrectionresultsaresignificantlymoreaccurate.

摘要：

本文分析了许多不同的像差。

不仅考虑到了几何中心位置像差的影响还分析了像差对显示星点能量中心位置造成的偏差。

对这两个方面进行了综合评估以及星点的修正。

提出了一种基于极坐标的星点位置修正方法，该方法简化了基于二维坐标轴分区修正的过程，减少了数据计算量.实验结果表明极坐标修正过程较以往修正方法简单快捷，且修正结果更加准确.

KeywordsAberration,Energycenter,Correction,Polarcoordinates

关键词：

像差，能量中心，修正，极坐标

Introduction

引言

Thecalibrationofstarsensoristhemainfunctionofstarsimulator.However,withthedevelopmentofstarsensorandstarsimulatortechnology,thehighrequirementsofspecificationsandaccuracyhavebecomethekeyofdesigningandmanufacturingofstar

simulator.

星敏感器的校准作用是星模拟器的主要功能。

然而，随着星敏感器和星模拟器技术的发展，对规格和准确性的高要求变成了星模拟器设计和制造的关键部分。

Forpreviousstarsimulator,exceptfortherequirementofhardwarewithhighaccuracy,theimprovementofcorrectionandoperatingratebasedonsoftwareisindispensable.Butthecorrectionofoptialsystemaberrationstillreliesontheodolitetestingwithhumaneyes,byrecordingtheexperimentaldataandcorrectingthedatatorealizethecorrection,orjustcorrectingthedisplayedgeometricalcenterofstarpointcaused饰distortion.Onlytheinfluenceofdistortionongeometricalcentercanbecorrectedandtheenergycenterdeviationcausedbyotheraberrationsisneglected,whilethestarsensorrecognizesthestarpointbyrecognizingtheenergycenter.Simultaneously,theformercorrectionregardstheimageplaneasatwo-dimensionalsurface,andrealizesthecorrectionestablishingtwo-dimensionalcoor-dinates,andseparatingtheregionsofcoordinatessystemaccordingtodifferentpositionsincorrection.Buttheopticalsystemofstarsimulatoriscoaxialsystemcompletelycomposedofsphericallens,andtheaberrationinthesamefieldofviewthroughthefreedirectionsofopticalsystemisrotationallysymmetricsurroundingtheopticalsystem.Thecorrectionappearstobecomplicatedunderseparatedregionsaccordingtothetwo-dimensionalsystem.

对于星模拟器,除了高精度的硬件要求,软件修正及运算速度的提升也必不可少.但现有研究对于光学系统像差的修正只停留在通过人眼使用经纬仪进行测试的阶段,记录实验数据后,对数据进行处理修正,或者只对畸变造成的星点显示几何中心位置误差进行修正,这样只是修正了畸变对几何中心的影响,忽略了其他像差对能量中心造成的偏移,而星敏感器对于星点的识别往往是对能量中心的识别.同时以往的修正方法只是将像面看作是一个二维平面,修正时建立一个二维坐标系,根据不同的位置进行分区，但星模光学系统完全是由球面镜组成的共轴光学系统,通过系统光轴的任意方向上相同视场的像差绕着光轴旋转对称,使得在二维坐标下分区的方法略为繁琐.

Onthebasisofthesummariesoftheformerstarpointerrorcorrection,takingastarsimulatorwith220fieldofviewasexample,anewcorrectionmethodisproposedinthispaper,andthemethodtoensurethepositionofenergycenterbyanalyzingthepointdistributionfunctionofopticalsystemandcorrectingtheerrorbasedonpolarcoordinatesisalsoproposed.

在总结以往的星点误差修正方法的基础上,本文以22°视场星模为例,,提出了一种通过分析光学系统的点分布函数来确定能量中心位置,并在极坐标系上进行修正的方法.

1WorkingPrincipleofStarSimulatorandAberrationAnalysis

1.1WorkingPrincipleofStarSimulator

1星模拟器工作原理及像差分析

1.1星模拟器工作原理

Asthecalibrationdeviceofstarsensor,thestarsimulatorprovidesinfinitystarsimulationforstarsensor,andrealizesthestarpointdisplaybythedisplayingdevice.Whiletheemergentraysofstarpointpassingthroughthecollimationopticalsystem,theywillbeparallelandimageattheentrancepupilofstarsensor,whichfinallyfulfillthesimulationofinfinitystarpoint,asshowninFigure1.

星模拟器作为星敏感器的模拟测试设备,为星敏提供无穷远星点的模拟,其模拟过程是通过显示器件来完成.星图经过准直光学系统成平行光出射,在星敏感器的入瞳处成像,由此完成对无穷远星图的模拟,如图1.

1.2AberrationAnalysis

1.2像差分析

Theaberrationofopticalsystemisdividedintomonochromaticaberrationandchromaticaberration.Themonochromaticaberrationincludessphericalaberration,coma,astigmatism,fieldcurvatureanddistortion,whilethechromaticaberrationincludes

光学系统的像差分为单色像差和色差,其中单色像差分为球差,慧差,像散,场曲和畸变,而色差包括

Fig.1Interrelationofstarsimulatorcompositionsaxialchromaticaberrationandlateralchromaticaberration.Duetotheexistenceofvariousaberrationsincollimationopticalsystem,theactualenergycenterandtheoreticalenergycenteraredifferent,whichwillresultinthelossofsimulationaccuracyofstarsimulator.

图一为星模拟器组成的轴心色差像和横向色差像的相互关系。

由于准直光学系统中各种像差的存在，实际的能力中心和理论上的能量中心是不同的，这导致了星模拟器的模拟准确性失真。

（1）Sphericalaberration.Whiletheemergentlightbeamfromon-axisobjectpointpassthroughtheopticalsystem,therayswithdifferentangelswhichisrelativetoopticalaxisintersectindifferentposidonsonaxis,andtheimageplanepresentsacirculardispersionspot.

1）球差。

当轴上物点发出的光束经光学系统后,与光轴呈不同角度的光线交光轴于不同位置,使星点在像面上形成一个圆形弥散斑.

（2）Coma.Theoffaxisobjectpointlocatesoffthemainaxis,emitsmonochromaticcone-beamtoopticalsystem.Theexistedlightbeamisrefractedbyopticalsystemandimagedunclearlyonidealimagepoint,andtheimagepointbringsbrighttailandformsacometdispersionspot.

2）慧差。

由位于主轴外的星点,向光学系统发出的单色圆锥形光束,经光学系统折射后,在理想平面处不能结成清晰点,而是结成拖着明亮尾巴的彗星形弥散斑.

（3）Astigmatismandfieldcurvature.Asthe1uminescenceobjectpointisofftheaxisofopticalsystem,theemittedbeamhasinclinedanglewithopticalaxis.Thelightbeamisrefractedbylensandtheconvergenceofmeridianbeamletandsagittalbeamletisnotonthesamepoint.Thatisthebeamconvergentindifferentpointandtheimageisunclear,finallyformsellipticaldispersionspot}l}.

3）像散和场曲。

当发光星点不在光学系统的光轴上时,它所发出的光束与光轴有一倾斜角.该光束经透镜折射后,其子午细光束与弧矢细光束的汇聚点不在一个点上.即光束不能聚焦于一点,成像不清晰,形成椭圆形弥散斑

（4）Distortion.Whiletheastigmatismandfieldcurvaturearecorrectedtobezero,thechiefrayisnotduplicationwithidealimagepoint,andthisonlycausesthepositionerrorofstarpointandtherewillbenodispersespot

4）畸变。

当像散场曲校正为零时,主光线不与理想像点重合,只引起像星点的位置误差,并不产生弥散斑.

（5）Axialchromaticaberration.Similarwithsphericalaberration,whilevariouslightpassingthroughthelens,thebeamcannotconvergetobeimagepointonimageplaneandformcolorfulcirculardispersionspot.

5）位置色差影响:

类似于球差的影响,星点发出的各色光通过透镜时,由于位置色差的存在不能在象平面上会聚成一个象点,形成彩色圆形弥散斑.

Inconclusion,theaberrationsofopticalsystemalmostallhaveinfluencesonstarpointenergycenter.InordertoinducethedeviationofenergycenterCausedbyaberration,anopticalsystemwith22fieldofviewand56.0006mmfocallengthisdesigned.

光学系统的所有像差几乎都对星点的能量中心显示产生影响.为了尽量减小像差产生的能量中心偏移,设计视场22°,焦距56.0006mm的光学系统.

2CorrectionProcessingofEnergyCenter

2.能量中心修正过程

Inthestarsimulatoropticalsystem,thepositionandorientationoftheactualincidentrayisuncertain.Inordertosimulatetheactualpathoflightpropagation,non-sequentialraytracingmethodisused.MonteCarolalgorithmisusedtogeneratethestochasticraysemittedfromthestarpoint,andtheseraysareusedtosimulatethelightpathforraytracing.Finally,thesimulationproducestheimagepointdistributionfunction,andthecomputercalculationisusedtoanalyzethedataofthisfunction,andtodeterminetheoffsetrelationshipbetweentheactualenergycenterpositionandthetheoreticalenergycenterposition.

在星模光学系统中,实际光线的位置和方向是不确定的,为了模拟实际光线传播的路径,采用非序列光线追迹方法.利用MonteCarlo算法模拟星点产生的随机光线来模拟光线路径,进行光线追迹.通过模拟出的像点分布函数,利用计算机进行数据分析,确定能量中心位置与理论设计时能量中心位置的偏移关系.

MonteCarloraytracingmethodselectsrandombasedontheprobabilityfunctionandthesamplingalgorithm,andthenormalizedprobabilityfunctionis

MonteCarlo光线追迹方法中随机光线的选择基于概率函数及算法中的抽样,归一化的概率函数为

wherexvalue,representstherandomvariable,andforany

.Thecorrespondingpoint

式中x代表随机变量,对任意的x,有P（x）≥0.其相应的积分为

AccordingtoagivenprobabilityfunctionP（x）,thealgorithmtoobtainaseriesofrandomnumberconsistsoftwosteps:

（1）Toselectauniformlydistributedrandomnumberpduringtheintervalof【0,1】

（2）Using

inthecumulativedistributionfunctioncurvestocalculatethecorrespondingvalue

Repeatingthesetwostepsandyoucanget

accordingto

}.AccordingtoZEMAXcorrelationfunction,thedifferencesbetweenactualenergycenterandthetheoreticalenergycenterineachfieldcanbefiguredout,whichisshowninTable1.

根据一个给定的概率函数P（x）来获得一系列的随机数xp,运算法则步骤为

1）选择一个在区间[0,1]上均匀分布的随机数p;

2）在累积分布函数曲线中利用p=D（xp）来计算相应的值xp,重复这两步就可以得到根据P（x）分布的数xp[3] .

根据Zemax相关函数求解出不同视场实际能量中心与理论能量中心差异,结果见表1.

Throughthepositiondeviationsbetweenthetheoreticalandactualenergycentercalculatedfromthepointdistributionfunction,thecurveandsurfacescanbefittedalongthepolardirection

通过理论与实际能量中心之间的点分布函数计算的位置偏差，曲线和表面可沿着极坐方向来拟合。

Withtheleastsquaremethod,thecorrespondentefunctionbetweentheactualenergycenterandthetheoreticalenergycenterisfitted,andtheoreticalenergycentercorrectionismade.Sotheamendedactualenergycenterisdisplayedonthescreen,whichisconsistentwiththetheoreticalenergycenter.

通过最小二乘法拟合出实际能量中心与理论能量中心的对应关系,对理论能量中心进行修正,使屏幕显示的实际能量中心,经修正后与理论能量中心一致.

AccordingtothepointdistributionfunctionanalyzedfromZEMAX,theenergycenter'soffsetofanyfieldofviewca