空間雜光對交會對接光學成像敏感器影響分析

趙春暉，龔德鑄，劉 魯，王曉燕，王艷寶，薛志鵬，侯丹佳

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空間智能控制技術重點實驗室，北京100190)

學術研究

空間雜光對交會對接光學成像敏感器影響分析

趙春暉1，2，龔德鑄1，2，劉 魯1，2，王曉燕1，2，王艷寶1，2，薛志鵬1，2，侯丹佳1，2

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空間智能控制技術重點實驗室，北京100190)

CCD光學成像敏感器是交會對接最后靠攏段的關鍵測量敏感器，其在軌工作時，太陽和地球雜光可能會進入相機視場，影響敏感器的正常測量.提出通過雜光建模分析和地面雜光試驗驗證相結合的方法，評估和驗證空間雜光對光學成像敏感器測量的影響，確定相機遮光罩設計指標要求，給出理論分析、地面及飛行試驗結果.

交會對接;光學成像敏感器;雜散光

交會對接光學成像敏感器是由安裝在運輸飛船上的交會測量相機和安裝在目標飛行器上的目標標志器構成的光電測量子系統，用于交會對接最后靠攏到對接完成階段的相對運動參數測量[1].光學成像敏感器在軌工作時，當太陽光、地球反照光等照射到相機或目標標志器上時，均會對敏感器的正常測量造成影響，尤其是當太陽光照射到目標飛行器表面的目標標志器附近區域時，其反射雜光在相機視場內，遮光罩無法發揮作用，反射干擾光與目標光源同時進入相機視場，造成圖像背景復雜，嚴重時會導致敏感器無法正常工作.通過對敏感器在軌各雜光源進行分析，建立了雜光計算模型，進行了太陽照射地面試驗和飛行試驗驗證，驗證了雜光理論分析的合理性，試驗結果表明敏感器在飛行試驗中陽照區抗雜光干擾措施有效，工作穩定[2].

1 在軌雜光條件分析

根據交會對接軌道分析，太陽相對飛船入射角“可能的”變化范圍如圖1所示.為了討論問題方便，圖1給出太陽光入射方向相對于目標飛行器本體系+X軸夾角變化示意圖.在飛船(或目標飛行器)對地定向時，地球邊緣與星體+X向的夾角約為18.3°，如圖2所示.下面以此為輸入討論太陽光對測量的影響.

雜光源對光學成像敏感器影響的示意圖如圖3所示.相對于軌道高度、地球直徑，光學成像敏感器相機、目標標志器尺度非常小，因此均可以視為一個“公共點”進行分析，換言之，對該“公共點”的雜光分析結果，既適用于相機，也適用于目標標志器.由于當太陽光(或地球反照光)照射到目標飛行器表面的目標標志器附近區域時，其反射光可能會直接進入相機視場，遮光罩無法發揮作用，從而對光學成像敏感器工作造成嚴重干擾，因此重點對目標飛行器接收的太陽光、地球反照光進行了詳細分析，該分析方法同樣適用于太陽照射相機的情況，但對該情況，未進行詳細敘述.

圖1 太陽光照射示意圖Fig.1 Incidence of sun light at different angles

圖2 對地球張角示意圖Fig.2 Field angle of sensor to earth surface

圖3 在軌時太陽光照射目標飛行器示意圖Fig.3 Irradiation of sun light on target spacecraft

太陽光照射目標飛行器前錐面時，太陽矢量繞目標飛行器本體系+X軸形成一個半錐角為α的圓錐，α約為0°～25°，圖3中太陽光入射方向是為了討論問題方便而畫的示意圖，以此為輸入討論太陽直接照射目標飛行器時對測量的影響.

圖3同時也給出了當太陽照射地球時，地表反射太陽光到目標飛行器的情況.根據衛星軌道高度、地球半徑可以計算目標飛行器能夠“看到”的地球表面面積，可以用頂點為目標飛行器、半錐角為71.7°的圓錐所覆蓋的地球表面來表示，圓錐母線即為與地球邊緣的切線，其與目標飛行器飛行方向(+X向)的張角約為18.3°.由于在整個圓錐區域內，圓錐母線與+X面夾角最小，因此母線附近區域反射的太陽光到目標上的照度最強，為簡化分析并考慮最壞情況，以該區域反射到目標飛行器前端面上的照度為輸入條件進行分析.

地球反照光的強弱還與太陽照射地球的入射角有關，根據軌道光照分析，太陽矢量繞目標本體系+X軸形成一個半錐角為α的圓錐，其中α一年的變化約為0°～25°，太陽相對地球表面最小入射角為65°，此時地球表面接收到的太陽光能量最強，其反射太陽光能量也最強，以此為最壞情況進行分析.

如圖3所示，CCD光學成像敏感器在軌工作時，主要有以下雜光源可能會對其測量造成影響:

1)太陽光、地球反照光以某一角度進入相機視場內;

2)太陽光、地球反照光被目標飛行器艙體表面反射進入相機視場內.

2 在軌雜光照度計算

已知CCD器件的光譜響應曲線如圖4所示.相機工作譜段940±15nm，工作譜段透過率為0.7，CCD光譜響應度R940=3.5V/(μJ/cm2)，非工作譜段截止深度10-4，進入相機的非工作譜段能量很弱，可以忽略不計.

圖4 CCD光譜響應曲線Fig.4 Spectrum response of CCD

太陽光的940nm處譜輻照度值如表1[3]所示.根據表1可以算出太陽光在工作譜段內總輻照度為

表1 太陽高度為90°時太陽輻射的光譜輻照度值Tab.1 Spectrum irradiation of sun light at elevation angle of 90°

式中，E940nm對應表1中的照度值，Δλ940nm為帶寬.目標飛行器前錐段上分布著各單機部件、包敷材料、對接機構等，考慮到各單機部件大多被熱控多層包敷，下面重點對反射面積較大的包敷材料、對接機構進行分析.假設目標飛行器前錐段包敷材料反射率為 ρbeta≤0.07，對接機構反射率為 ρdocking≤0.6，則包敷材料、對接機構受到太陽直射后的表面輻出射度分別為

由于地球表面物體不同，其表面反射率 ρearth一般在0.08～0.24范圍內變化，設ρearth=0.25.考慮最壞情況，α取25°.根據前面分析，地球表面反射太陽光的輻出射度為

目標飛行器前錐段包敷材料、對接機構反射地球反照光的輻出射度:

目標飛行器前錐段表面材料(包敷材料、對接機構)被太陽光、地球反照光照射后，其反射特性從光學上呈混合反射(鏡面與混合反射共存)特性，因而勢必有某些方向的反射光進入相機視場，其在鏡頭上總的輻照度為

由下式可以得出目標飛行器前錐段表面反射光對交會測量相機的影響:

式中，ETarget-camera為照射到光學系統的輻照度，ECCD為CCD靶面上的輻照度.τρ為光學系統透過率，在工作譜段為0.7，在非工作譜段為0.0001.D為相機入瞳直徑，f為相機距.根據式(6)可以算出當目標飛行器前錐段表面反射光進入相機視場后，在CCD靶面上的輻照度為

表2給出了目標飛行器前錐段表面(包敷材料、對接機構)反射太陽光和地球反照光在相機CCD上輸出值的對比情況.可以看出，由于對接機構反射率高，其表面反射進入相機視場的雜光能量強，當遠場積分時間較長時導致CCD出現飽和，近場雖然積分時間較短，但CCD輸出也接近飽和.包敷材料由于其反射率比對接機構要低一個量級，因而其表面反射進入相機視場的雜光能量很弱，CCD輸出也較弱.

3 相機遮光罩技術指標確定

上文已述及，相對于軌道高度、地球直徑而言，光學成像敏感器相機、目標標志器尺度非常小，因此均可以視為一個“公共點”進行分析，因而對目標飛行器接收的太陽光、地球照度進行計算的結果，同樣適用于太陽照射相機的情況.

當相機工作在最遠工作距離時，目標成像最弱，也最易受到太陽雜光干擾的影響.下面就這種情況分析太陽雜光的影響.

當遠場目標器位于最遠工作距離(150m)和相機視場邊緣時，可以算出遠場目標燈在CCD的輸出為

假設相機電路噪聲為15mV，為了保證像點提取成功率，限定太陽雜光經過濾光片、遮光罩后進入成像敏感器在CCD上的雜光背景輸出為10mV(均勻分布在整個視場)，此時對應的太陽雜光能量可由下式算出:

式中:A′CCD為CCD敏感面外接圓面積(161.28mm2);R為CCD光譜響應度;tmax為積分時間;τ為總透過率.

由式(1)和式(3)可知，在工作波長范圍內(940± 30nm)太陽和地球反照光照射相機總的輻照度為27.57 (W·m-2)，如果沒有采用遮光罩，可以計算得到太陽和地球反照光進入成像敏感器的總能量為

可以算出為了保證成像敏感器不受軌道雜光影響，正常工作所需遮光罩消雜光比為

為了保證設計裕量，對遮光罩消雜光比指標要求提高一個數量級，取為η=5×105.基于以上分析，考慮成像敏感器與運輸飛船艙體間的結構限制，遮光罩的設計指標要求如下:

1)遮光罩消雜光比:η≥5×105;

2)遮光罩外形尺寸:直徑:≤200mm;長度:≤220mm;

3)太陽光抑制角:≥25°.

需要說明以下幾點:

1)雜光抑制角是指進入遮光罩的雜光矢量與光軸的夾角;

2)光學系統雜光系數一般為10-2左右，具有一定的雜光抑制能力，考慮到天地差異，作為裕量保留，認為光學系統沒有雜光抑制能力.

4 地面及飛行試驗驗證

4.1 遮光罩太陽抑制能力試驗

為驗證遮光罩設計的合理性，分別進行了地面和在軌太陽照射試驗.地面試驗時，采用太陽模擬器為光源，照射相機遮光罩.在CCD光學成像敏感器在軌飛行時，進行了太陽照射相機試驗，試驗拍圖如圖5所示，當太陽照射角為18°時，由于遮光罩(和鏡頭)的衰減作用，圖像背景已比較均勻，相機能夠穩定工作，試驗結果驗證了遮光罩太陽抑制角滿足設計要求.

圖5 地面及在軌太陽照射相機試驗拍圖Fig.5 Picture of camera irradiated by sun light on ground and on orbit

4.2 目標飛行器反射太陽光干擾驗證

為驗證雜光理論分析的合理性，以及光學成像敏感器抗目標飛行器反射太陽光的干擾能力，在地面進行了外場目標飛行器模擬艙太陽照射試驗，并進行了飛行試驗驗證，圖6給出了地面試驗拍圖.地面和飛行試驗結果表明，試驗結果與在軌雜光照度理論分析結果一致，光學成像敏感器在目標飛行器反射陽光的干擾下能夠正常工作.

圖6 目標飛行器反射太陽光干擾試驗拍圖Fig.6 Picture of target spacecraft reflected by sun light

5 結束語

空間雜光干擾是影響CCD光學成像敏感器在軌工作的重要因素之一.由于天地之間光照環境條件差異較大，在地面進行全面的雜光干擾試驗存在困難，提出了通過雜光建模分析和地面雜光試驗相結合的方法，從理論上分析和計算了光學成像敏感器對太陽和地球反射光的響應，以此為基礎提出了光學成像敏感器遮光罩抑制雜散光設計指標.通過地面和在軌雜光試驗，驗證雜光理論分析的合理性，試驗結果表明抗雜光干擾措施有效，敏感器在飛行試驗中陽照區工作穩定.

[1] 林來興，李燦.交會對接最后逼近階段CCD相機測量方法[J].宇航學報，1994，14(2):24-34 Lin L X，Li C.The Measuremethod of CCD-based camera at proximity phase of rendezvous and docking[J]. Journal of Astronautics，1994，14(2):24-34

[2] 趙春暉，高文文，劉魯，等.神舟八號飛船交會對接CCD光學成像敏感器[J].空間控制技術與應用，2011，37(6):7-14 Zhao C H，Gao W W，Liu L，et al.A vision guidance sensor for SZ-8 spacecraft autonomous rendezvous and docking[J].Aerospace Control and Application，2011，37(6):7-14

[3] Hickey JR，Alto B M，Kyle H L.Total solar irradiance measurements by ERB/Nimbus 7，a review of nine years [J].Space Sci.Rev.，1988，48:321-342

Analysis on Influence of Space Stray Light on Vision Sensor for Autonom ous Rendezvous and Docking

ZHAO Chunhui1，2，GONG Dezhu1，2，LIU Lu1，2，WANG Xiaoyan1，2，WANG Yanbao1，2，XUE Zhipeng1，2，HOU Danjia1，2
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China; 2.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory，Beijing 100190，China)

The CCD-based vision sensor is critical equipment at the proximity phase of rendezvous and docking.The radiation of solar and earth may enter the field of view of the vision sensor in-orbit for rendezvous and docking.Themethod of stray lightmodeling is provided，the influence of solar and earth radiation is analyzed，and the design parameters of baffle for vision sensor is determined on the basis of the analysis.Finally ground and flight test results are presented.

rendezvous and docking;vision sensor;stay light

V488.2

A

1674-1579(2012)03-0001-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.03.001

趙春暉(1972—)，男，高級工程師，研究方向為空間視覺測量敏感器技術;龔德鑄(1977—)，男，高級工程師，研究方向為空間視覺測量敏感器技術;劉 魯(1973—)，男，高級工程師，研究方向為空間視覺測量敏感器圖像處理與模式識別算法;王艷寶(1978—)，男，高級工程師，研究方向為空間視覺測量敏感器視頻處理技術;王曉燕(1979—)，女，工程師，研究方向為空間視覺測量敏感器遮光罩設計;薛志鵬(1982—)，男，工程師，研究方向為空間視覺測量敏感器視頻處理技術;侯丹佳(1982—)，女，工程師，研究方向為空間視覺測量敏感器視頻處理技術.

2011-09-19