一种平流层白天测星复杂光环境分析和综合抑制方法与流程

本发明涉及天文导航，具体涉及一种平流层白天测星设计所用的复杂光环境分析和综合抑制方法。

背景技术：

1、平流层（海拔高度约10km至50km）具有气流平稳、高能辐射相对较弱、空气阻力小及能见度高等特点，是高空天文观测与长航时飞行平台部署的理想空域。随着平流层飞行器在气象监测、环境感知、通信中继及区域导航等领域需求的日益增长，将高精度天文导航星敏感器技术应用于平流层平台，已成为提升其自主导航能力和任务效能的关键途径。

2、星敏感器通过探测恒星目标实现高精度姿态确定。在大气层外或夜间环境下，其工作条件较为理想，背景光环境相对稳定，常规星敏感器设计时主要考虑太阳直射光和地气反照杂光的影响，并通常采用单级或多级遮光罩结构对上述杂光进行物理遮挡与衰减，即可满足测星需求。

3、然而，在平流层白天工作条件下，星敏感器的测星环境发生根本性变化。受大气粒子对太阳辐射的强散射作用，平流层内会形成具有复杂时空分布特性的强天空背景辐射，该背景亮度受观测时刻、太阳天顶角、观测方位角及大气气象条件（如云层、气溶胶）等多种因素动态耦合影响，呈现出显著的非均匀性和动态起伏。同时，对于在平流层实施高速机动的飞行平台，气动加热效应可使测星窗口玻璃温度急剧升高（可达500℃以上），导致窗口自身产生强烈的热辐射杂光；此外，太阳光直接照射或经测星窗口玻璃多次反射后进入设备舱，亦可形成与太阳强度高度相关的寄生杂光。上述来自太阳、大气、高温窗口及结构反射的多种杂光因素在平流层环境中相互叠加，形成一个极端复杂的多源光干扰场，其直接后果是严重抬升星图背景噪声、降低系统信噪比，甚至使弱星目标信号完全淹没于动态背景起伏之中，常规的单一遮光罩抑制手段难以有效应对。

4、目前针对星敏感器的杂光分析与抑制设计，主要聚焦于大气层外或夜间工作模式，其设计输入仅考虑太阳与地气杂光，尚未见有系统性地针对平流层白天测星过程中，同步兼顾太阳照射遮光罩散射、大气辐射传输背景、气动热辐射发光及窗口反射强光等多源复杂光环境的综合分析与一体化抑制方法的公开报道。

5、因此，亟需提供一种能够全面分析平流层白天测星所面临的复杂光环境，并能针对各类杂光来源实施协同抑制的技术方案，以有效降低多源杂光的综合干扰，确保平流层飞行平台在白天强背景条件下仍能实现稳定、可靠的恒星探测。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种平流层白天测星复杂光环境分析与综合抑制方法，以通过对太阳照射遮光罩散射、大气辐射传输背景、气动发热发光及窗口反射强光等多源杂光的系统性分类分析与一体化光通量协同抑制，解决现有星敏感器在平流层白天强背景条件下测星信噪比低、星目标易被淹没的问题。

2、本发明提供一种平流层白天测星复杂光环境分析和综合抑制方法，包括：

3、复杂光环境分析步骤：依次对平流层白天测星时星敏感器所受的太阳照射遮光罩散射杂光、大气辐射传输背景光、高速飞行气动发热发光以及太阳照射测星窗口反射杂光四类干扰源分别进行分析，获得各类杂光对星敏感器探测性能的影响特性；

4、综合抑制步骤：根据所述复杂光环境分析步骤的分析结果，采用光机复合遮光罩设计、消光漆优化选型与结构件等效遮挡、以及曝光时间自适应调整的多途径一体化手段，对所述四类干扰源产生的杂光进行协同光通量控制，将星敏感器探测器靶面的平均单像元满阱率抑制至不高于50%。

5、在一些实例中，所述太阳照射遮光罩散射杂光的分析具体包括：将星敏感器遮光罩与镜头的三维结构模型导入杂散光分析软件，设置出射平行光的面光源，根据消光漆吸收比设置遮光罩内壁消光比，根据铝件发黑氧化吸收比设置镜头内壁消光比，在遮光罩入口、光学系统第一片玻璃前表面及探测器靶面分别设置接收面，通过光线追迹获得系统对不同角度杂散光的消光比数据。

6、在一些实例中，所述大气辐射传输背景光的分析具体包括：采用大气辐射传输模型，以太阳天顶角、观测天顶角、太阳方位角和观测方位角作为输入参数，求解星敏感器观测视场内的平流层大气背景辐射数据。

7、在一些实例中，所述高速飞行气动发热发光的分析具体包括：采用有限元分析软件对测星窗口进行气动加热温度场仿真，获得窗口温度分布数据，再参考黑体分谱辐射亮度公式，分析不同温度下测星窗口的热辐射分布数据。

8、在一些实例中，所述太阳照射测星窗口反射杂光的分析具体包括：分析太阳光经测星窗口玻璃反射进入设备舱形成的寄生杂光，以及太阳光照亮测星窗口导致星图背景整体抬升的散射效果。

9、在一些实例中，所述光机复合遮光罩设计具体包括：将遮光罩与星敏感器镜头进行联合消杂光结构设计，在遮光罩内壁和镜头内壁分别涂覆消光漆，并利用星敏感器安装处的结构件进行杂光遮挡，形成等效遮光罩结构。

10、在一些实例中，所述消光漆优化选型具体为：当遮光罩结构长度允许时选用吸收比为97%的消光漆；当遮光罩结构长度受限且对成本不敏感时选用吸收比为99%的消光漆。

11、在一些实例中，所述曝光时间自适应调整具体包括：实时检测星敏感器测星图像的灰度值，当测星图像灰度适中时下一帧曝光时间保持不变，当测星图像灰度偏亮时下一帧曝光时间自适应降低，当测星图像灰度偏暗时下一帧曝光时间自适应增加，使杂光照射测星窗口导致的探测器单像元满阱率维持在50%左右。

12、在一些实例中，所述综合抑制步骤完成后，还包括杂光抑制效果评估步骤：采用杂散光分析软件进行仿真评估，仿真系统消光比低于10-6量级时认为满足要求；采用消光比测试装置对遮光罩和镜头进行部组件实测，实测系统消光比达到10-6量级以下时认为满足要求；采用太阳模拟器照射星敏感器整机进行实物测试，测星图像不出现饱和现象时认为满足要求。

13、在一些实例中，所述杂光抑制效果评估步骤还包括：采用太阳模拟器照射或外场太阳照射测星窗口，测试星敏感器自动调节曝光时间的能力，确保测星背景不饱和；采用高温测星窗口进行测星实验，验证对高速飞行发热发光的抑制效果；采用外场测星实验和飞行搭载实验进行综合验证，当实验测试时图像背景不饱和且曝光时间接近理论曝光时间时，确认满足工程应用要求。

14、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

15、与现有仅考虑太阳直射与地气反照杂光、依赖单一遮光罩进行抑制的常规星敏感器设计相比，首次系统性将平流层白天测星面临的太阳照射遮光罩散射杂光、大气辐射传输背景光、高速飞行气动发热发光及太阳照射测星窗口反射杂光四类主要干扰源纳入统一分析框架，填补了现有技术分析维度单一的设计空白；在此基础上，根据各类杂光的不同物理成因与传输路径，针对性地组合采用光机复合遮光罩设计、消光漆优化选型与结构件等效遮挡、曝光时间自适应调整等多种抑制手段，通过多途径协同作用的一体化光通量控制方案，实现了对多类型、多路径复杂杂光的全面抑制，其抑制效能显著优于任何单一手段；同时，本发明以星敏感器探测器靶面平均单像元满阱率不高于50%作为明确的量化控制目标，确保星图背景既不饱和又能为星目标信号保留充分的动态范围，使星目标提取算法能够正常工作，从而有效保障了平流层飞行平台在白天强背景光环境下仍具备可靠的天文导航能力，为平流层星敏感器的工程化应用提供了切实可行的杂光分析与抑制设计依据。