本发明涉及光电测试领域，具体涉及一种点目标探测相机焦面对接系统及方法。
背景技术：
星敏感器是一种广泛应用于空间飞行器定位、姿态测量的点目标探测相机，主要由光学系统和探测器组成。它通过对视场内天体恒星目标的定位，可获得角秒级精度的飞行器姿态信息，故其成像性能主要是针对点目标成像能力-弥散斑大小考核的。
星敏感器对天体恒星目标的定位能力主要通过两个阶段形成，第一阶段为光学系统设计加工测试，完成光学系统的弥散斑测定，验证光学系统在一定的工作距下，具备成规定大小弥散斑的能力；第二阶段是光学系统与面阵探测器装配集成阶段，在给定的工作距下，完成面阵探测器的定位，即焦面对接。
目前，星敏感器的焦面对接采用以下方法实现，通过单个单星模拟器给定某一星等的星点目标，采用图像处理技术，得到该星等下的弥散斑大小。将星敏感器置于转台上，通过转台给定不同视场下的弥散斑大小，通过微调探测器与光学系统的空间关系，使得全视场的弥散斑满足要求，从而完成焦面对接。该方法主要存在以下问题：
(1)该方法通过图像处理技术分析单一星等的星点目标，得到该星等下的弥散斑大小，未能反映星敏感器整个工作段的成像性能，故对于不同星等下的弥散斑大小依赖于图像处理技术；
(2)不同视场下的弥散斑分时获取，探测器长时间工作产生的热效应敏感性以及光学系统不同视场的差异性均对点目标探测器的弥散斑有较大影响，该方法未能分离此两类影响，故得到的全视场弥散斑数据不稳定。
技术实现要素：
本发明的目的是解决点目标探测器器在不同星等下的弥散斑大小依赖于图像处理技术，且得到的全视场弥散斑数据不稳定的问题，而提供一种点目标探测相机焦面对接系统及方法。
本发明的技术方案是：
一种点目标探测相机焦面对接系统，包括点目标探测相机，所述点目标探测相机包括光学系统和探测器，其特殊之处在于：还包括多组单星模拟器，所述单星模拟器包括积分球光源和平行光管，所述积分球光源的进光口设置有电控线性光阑，出光口设置有星点板，所述平行光管的焦面位于积分球光源出口的星点板处；多组单星模拟器的出光口照亮同一平面，所述光学系统的入瞳设置在多组单星模拟器出光口共同照亮的平面上，且多组单星模拟器的光束方向覆盖点目标探测相机的不同视场。
进一步地，单星模拟器至少为五组，其中一组单星模拟器设置在中心视场，其余多组单星模拟器设置在中心视场单星模拟器的四周。
进一步地，单星模拟器为九组。
进一步地，九组单星模拟器为田字形设置。
进一步地，通过下式选取单星模拟器，光学系统的焦距fs、入瞳直径d、平行光管的焦距fm和星点板星点孔直径d应满足以下关系；
2fs≤fm≤10fs(1)
d＝1.22λfm/d(2)
其中：λ表示中心波长。
同时，本发明还提供一种点目标探测相机焦面对接方法，包括以下步骤：
1)点亮积分球光源，使光学系统的光轴与中心视场单星模拟器的光轴重合，并使光学系统的入瞳设置在单星模拟器平行光管的出瞳，调整积分球光源，使其出口处辐亮度l、平行光管出口的辐照度e满足下式；
式中，e为平行光管出口的辐照度；
l为积分球光源出口处的辐亮度；
d为星点板星点孔直径；
fm为平行光管的焦距；
2)倾斜安装除中心视场单星模拟器外的其它多组单星模拟器，使其朝向点目标探测相机的视场，且其出光口覆盖点目标探测相机的光学系统的入瞳；点亮其它视场单星模拟器的积分球光源，调整积分球光源使其出口处辐亮度与中心视场星模拟器模为同一星等目标；
3)将点目标探测相机的探测器安装于初始位置，打开探测器点源，微调各视场的单星模拟器，使探测器采集各视场下的每一个星点像呈现“十字”对称分布，采集该星等下的星点像；
4)同步改变各单星模拟器积分球光源的进光量，得到另一星等，采集该星等下的星点像，重复此步骤，得到不同星等下、各视场的星点像；
探测器采集的星点像能量分布与单星模拟器出光口的辐照度有如下关系：
ii,j(x,y)＝psfj(x,y)×ei+b(x,y)(4)
式中，ii,j(x,y)为辐照度为ei、视场为j时的相机输出信号；
psfj(x,y)为视场为j，对于点目标的相机响应函数，为点扩散函数；
ei为星等为i时，星模拟器出光口的辐照度，i＝0时，e0＝2.648×10-6lx；
b(x,y)为该相机参数下的背景空间噪声；
5)将同一视场j下，不同星等目标i的星点像，以其峰值响应随星等能量的变化给出线性响应区间，对线性响应区间内的星点像进行线性拟合处理，得到该视场下的点扩散函数psfj(x,y)，对该点扩散函数进行高斯拟合，得到该视场下弥散斑的大小；
6)由不同视场下的点扩散函数psfj(x,y)，得到不同视场下的弥散斑大小，确定焦面的修切量；修切后，重新安装；
7)重复步骤3)～6)，直到全视场范围内，弥散斑满足要求，即完成了点目标探测相机的焦面对接。
进一步地，步骤1)之前还包括以下步骤，
通过下式选取合适的单星模拟器，点目标探测相机光学系统的焦距fs、入瞳直径d、星模拟器平行光管的焦距fm和星点板星点孔直径d应满足以下关系；
2fs≤fm≤10fs(1)
d＝1.22λfm/d(2)
其中：λ表示中心波长。
进一步地，步骤2)中单星模拟器至少为五组，其中一组单星模拟器设置在中心视场，其余多组单星模拟器设置在中心视场单星模拟器的四周。
进一步地，步骤2)中的单星模拟器为九组。
进一步地，步骤2)中的九组单星模拟器为田字形设置。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明基于点目标探测相机对不同星等目标线性响应区间的星点像，实现归一化得到点扩散函数，给出不同视场下的弥散斑，不再依赖于图像处理算法，其客观评价了点目标探测相机成像质量，得到不同星等的星点像，反映了点目标探测相机的成像能力，可指导点目标探测相机探测器电路参数的调整。
2.本发明因同步采集不同视场下、同一星等的星点像，分离了探测器长时间工作产生的热效应和光学系统的视场引入的弥散斑差异，避免了全视场弥散斑数据不稳定的问题。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。
附图标记：1-点目标探测相机，11-光学系统，12-探测器，2-单星模拟器，21-积分球光源，22-平行光管，23-电控线性光阑，24-星点板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：
本发明提供了一种点目标探测相机的探测器与其光学系统焦面对接、调整系统及方法。同时，该系统和方法也适用于该类点目标探测相机的电子学参数选取和电路调试及最终成像能力和成像质量的评价。本发明提出了采用辐射定标的点目标探测相机成像性能评价方法，设计了相应的光路和装置，并用于点目标探测相机的焦面对接工作。
如图1所示，一种点目标探测相机焦面对接系统包括点目标探测相机1和多组单星模拟器2；点目标探测相机1包括光学系统11和探测器12，单星模拟器2包括积分球光源21和平行光管22；积分球光源21的进光口为一电控线性光阑23，其出光口为一可更换的星点板24。平行光管22的焦面位于积分球光源21出口的星点板24处，其像质满足星模拟器的通用要求，单星模拟器2的能量可由电控线性光阑23和星点板24的星点孔径组合调节，以组成不同亮度的星等目标，九个性能相近的星模拟器组成覆盖不同视场的星模拟器组。
单星模拟器2至少为五组，其中一组单星模拟器2设置在中心视场，其余单星模拟器2设置在中心视场单星模拟器2的四周，多组单星模拟器2优选为九组，九组单星模拟器2为田字形设置，覆盖点目标探测相机1的不同视场。
单星模拟器2的选取可参照以下公式进行，光学系统11的焦距fs、入瞳直径d、平行光管22的焦距fm和星点板24星点孔直径d应满足以下关系；
2fs≤fm≤10fs(1)
d＝1.22λfm/d(2)。
全视场多组单星模拟器2主要由覆盖全视场的九个性能相近的单星模拟器2组成；根据点目标探测相机1的光学镜头的视场，安装星模拟器，使九个星模拟器的出光口照亮同一平面，将点目标探测相机1的入瞳置于单星模拟器2的出光口照亮的平面；同时九个星模拟器的光束方向覆盖点目标探测相机1的不同视场；将探测器12置于光学系统11的焦面附近，调整星模拟器的姿态，使探测器12采集到的九个视场的星点像的能量分布均满足工况的要求。光学系统11的入瞳处于星模拟器组的出光口共同照亮的平面，光学系统11的入瞳与平行光管22的出瞳位置匹配；探测器12与光学系统11组成点目标探测相机1，通过调节其与光学系统11焦平面的位置、姿态，使得点目标探测相机1对点目标具备一定的成像能力。
在具体的对接过程中，调节九个视场的单星模拟器2能量为同一星等，采集此时的星点像；改变星模拟器的模拟星等，采集该星等下的星点像。得到一系列不同星等下，九个视场、九个星点像；对对应视场下的不同星等的星点像进行归一化分析(即线性拟合处理)，得到不同视场下的点扩散函数，对点扩散函数进行高斯拟合，得到弥散斑。根据不同视场下的弥散斑的大小，计算探测器12安装面的调整量。调整后，重复上述过程，直到全视场范围内，弥散斑满足要求，即完成了点目标探测相机1的焦面对接，由最终焦面下的弥散斑数据和在此工况下的探测星等，可得到点目标探测相机1的成像质量和成像能力。
本发明提供一种点目标探测相机焦面对接方法，具体包括以下步骤:
(1)选取单星模拟器；
通过下式选取合适的单星模拟器2，点目标探测相机1光学系统11的焦距fs、入瞳直径d、星模拟器光学系统11平行光管22的焦距fm和星点板24星点孔直径d应满足以下关系；
2fs≤fm≤10fs(1)
d＝1.22λfm/d(2)
其中，λ表示中心波长，由系统响应的中心波长决定；
(2)点亮积分球光源21，使光学系统11的光轴与其中心视场的单星模拟器2光轴穿轴，并使该光学系统11的入瞳置于星模拟器的平行光管22的出瞳，调整积分球光源21使其出口处辐亮度l、平行光管22出口的辐照度e满足下式；该步骤给定星模拟器的能量，即星等，使得各视场所用星模拟器具备一致的性能；
式中，e为平行光管出口的辐照度，单位w/m2；
l为积分球光源出口处的辐亮度，单位w/m2/sr；
(3)倾斜安装其它视场的单星模拟器2，使其朝向点目标探测相机1的视场，且其出光口覆盖点目标探测相机1的光学系统11的入瞳；点亮其它视场的星模拟器的积分球光源21，调整积分球光源21使其出口处辐亮度，使其与中心视场的星模拟器模拟同一星等目标；
(4)将点目标探测相机1的探测器12安装于初始位置，打开探测器12点源，微调各视场的星模拟器，使得探测器12采集的各视场下的每一个星点像呈现“十字”对称分布，采集该星等下的星点像；
(5)同步改变各星模拟器积分球光源21的进光量，得到另一星等，采集该星等下的星点像，重复此步骤，得到不同星等下、各视场的星点像；点目标探测相机1的探测器12采集的星点像的能量分布与星模拟器出光口的辐照度有如下关系：
ii,j(x,y)＝psfj(x,y)×ei+b(x,y)(4)
式中，ii,j(x,y)为辐照度为ei、视场为j时的相机输出信号，即探测器12采集的星点像的有效能量分布；
b(x,y)为该相机参数下的背景空间噪声；
psfj(x,y)为视场为j，对于点目标的相机响应函数，称为点扩散函数；
ei为星等为i时，星模拟器出光口的辐照度，i＝0时，e0＝2.648×10-6lx；
i等星的辐照度ei与0等星时的辐照度e0的关系为：
(6)将同一视场j下，不同星等目标i的星点像,以其峰值响应随星等能量的变化给出线性响应区间，对线性响应区间内的星点像进行线性拟合归一化处理，得到该视场下的点扩散函数psfj(x,y)，对点响应函数进行高斯拟合，给出其占总能量80％区域所占大小，即得到该视场下弥散斑的大小；
(7)由不同视场下的点扩散函数psfj(x,y)，得到不同视场下的弥散斑大小，确定焦面的修切量；修切后，重新安装探测器12；
(8)重复步骤4)～7)，直到全视场范围内，弥散斑满足要求，即完成了点目标探测相机1的焦面对接。
因上述方法可得到点目标探测相机的线性响应区间、不同视场下的弥散斑大小，故该方法亦可评价点目标探测相机的成像能力、成像质量，也可指导点目标探测相机探测器电路参数的调整。