一种空间望远镜地气杂散光确定方法、光学设备

本发明涉及光学领域，特别涉及一种空间望远镜地气杂散光确定方法、光学设备。

背景技术：

1、杂散光是影响目标探测能力的重要因素之一。空间望远镜观测期间的杂散光水平不仅与自身的杂光抑制能力相关，也和在轨运行的工况密切相关。因此，杂散光约束条件也是影响任务规划和运行编排的重要因素之一。

2、在某空间望远镜的主光机研制任务书中，将杂光抑制能力作为一项重要指标加以约定，为了评价这一指标，必须对杂散光的水平进行较为精确的计算。除却太阳、月球、金星、火星和其他宇宙中的亮恒星等点光源，地气反照光(即地表反射太阳和月球光线)也是非常重要的杂散光来源。

3、目前对杂散光的计算主要是通过对空间望远镜进行光学设计建模，再通过光线追迹法进行仿真计算，可以得到比较精确的结果。哈勃望远镜则通过实际观测，制作了观测方向与地球亮面边缘夹角与地气杂散光照度的关联矩阵。

4、哈勃望远镜实际观测的观测方向与地球亮面边缘夹角与地气杂散光照度的关联矩阵则只对其自身有真正意义上准确的作用，但对于其他的空间望远镜，无论是光学系统结构还是所处轨道高度，都与哈勃望远镜不尽相同，用哈勃的数据来估算自身的杂散光照度，往往与实际情况相差甚远。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例中提供一种空间望远镜地气杂散光确定方法、光学设备。

2、第一方面，本发明提供一种空间望远镜地气杂散光确定方法，包括：

3、利用光线追迹法确定空间望远镜的点源透射比；

4、获取观测时刻值，根据星表确定目标亮星的位置和星等，所述目标亮星包括太阳和月亮；

5、根据地球到太阳的第一向量夹角以及地球到月亮的第二向量夹角确定月相；

6、利用所述空间望远镜的所处位置、观测方向、太阳位置并根据望远镜自身结构，建立空间望远镜本体几何坐标系，空间望远镜的观测方向为x轴，y轴与x轴垂直，两轴共同决定所述空间望远镜的姿态数据；

7、按照经纬度将地球表面划分为若干地块，根据太阳和月亮的位置确定每个所述地块收到照射后的照度；

8、在入光口预设范围内选取若干标记点，将每个所述标记点分别与所述地块进行连线，确定所述标记点是否被盖板遮挡，根据所述标记点的遮挡情况确定每个所述地块的盖板遮挡系数因子和直接射入所述入光口的第一地气光照度；

9、将所述盖板划分为若干小块，分别与每个所述地块进行连线，并确定每个所述盖板接收的第二地气光照度，根据所述盖板的开合角确定从所述盖板反射进入所述入光口的照度值；

10、根据所述第一地气照度值与所述照度值确定所述空间望远镜接收到地气杂散光的总照度。

11、作为一种可选的方案，还包括：

12、建立盖板坐标系，所述盖板坐标系的原点取在所述入光口的中心位置，x轴定义与所述空间望远镜的本体几何坐标系相同，y轴、z轴相对于所述本体几何坐标系进行旋转，旋转角度与所述盖板所处的方位角相同，所述盖板坐标系的y轴指向所述盖板外侧法线在y-z平面投影的方向。

13、作为一种可选的方案，还包括：

14、根据地心赤道坐标系表示所述目标亮星的天体的位置、地表区域位置、空间望远镜轨道位置以及望远镜指向。

15、作为一种可选的方案，所述按照经纬度将地球表面划分为若干地块，根据太阳和月亮的位置确定每个所述地块收到照射后的照度，包括：

16、将地球表面按照纬度和经度分为180*300个地块，其中纬度1°一分，经度1.5°一分；

17、确定每个所述地块与太阳方向的夹角，当所述地块的夹角小于90°时，太阳光对所述地块产生照度影响，所述地块接收太阳光的照度ee的公式为：

18、ee[i][j]＝es*cos(sunangle[i][j])*r[i][j]*s[i][j]

19、式中：0≤i＜180，0≤j＜360，ee地块接收太阳光的照度，es是太阳的照度，sunangle是地心到地块方向向量与地心到太阳方向向量的夹角，r是地表反照率，s是该地块的面积。

20、作为一种可选的方案，还包括：

21、当所述地块与太阳夹角大于90°的地方，月亮为地面照度的主要来源，地块接收地面照度ee[i][j]的公式：

22、ee[i][j]＝em*moonphase*cos(moonangle[i][j])*r[i][j]*s[i][j]

23、式中：em是月亮的照度，moonphase是月相值，moonangle是地块与月亮方向的夹角。

24、作为一种可选的方案，所述盖板的方向和开合角由太阳的位置决定，所述盖板的工况包括以下任一情况：

25、第一标称工况：当太阳与光轴夹角在50°～65°范围内时，所述盖板打开角度为105°，盖板法线相对于本体几何坐标系的方位角与太阳方位角相同；或

26、第二标称工况：当太阳与光轴夹角在65°～110°范围内时，所述盖板打开角度为135°，盖板法线相对于本体几何坐标系的方位角与太阳方位角相同；或

27、第三标称工况：当太阳与光轴夹角大于110°时，所述盖板打开角度为135°，所述盖板方位角回归到0°；或

28、第四工况：太阳与光轴夹角小于50°，停止观测。

29、作为一种可选的方案，还包括：

30、采用所述盖板坐标系，设入光口范围内的一点n，判定某一光源到达n的光线被盖板遮挡的条件为：从n出发，沿着光源矢量方向发出的射线，与盖板平面的交点s位于盖板几何尺寸范围之内，在入光口预设范围内，密集采样选取若干个点，计算其中未被遮挡的点相对于总点数的比例，即等价于所述入光口未被遮挡的面积相比于所述入光口总面积的比值，得到遮挡系数因子，计算过程包括以下：

31、设n点坐标为(0,yn,zn)，地块光源矢量的分量分别为(a,b,c)，则射线方程表示为：

32、

33、地块光源相对于光轴的夹角、方位角分别为(θs,)，盖板的方位角为则光源矢量的分量分别表示为：

34、

35、盖板长度为sl，盖板宽度为sw，入光口半径为rd，盖板张开角度为op，则盖板法线向量的分量分别为(-sinop,cosop,0)，则盖板平面的方程为：

36、-sinop·x+cosop·(y-rd)＝0

37、求解射线和盖板平面的交点坐标为

38、

39、交点s在盖板范围的条件表述为同时满足以下两个条件：

40、

41、表达式整理后为：

42、

43、abs(zn+c*cos(op)*(zn-rd)/(a*sin(op)-b*cos(op)))<＝sw/2

44、满足条件的则确定为被遮挡的点。

45、作为一种可选的方案，还包括：

46、以月地连线和日地连线在黄道面内的夹角作为计算月相的条件，满月情况下，该夹角近似为180°，非满月情况下，夹角与180°的比值就等价于该情况下月光辐射出射度与满月辐射出射度的比值。

47、作为一种可选的方案，还包括：

48、所述目标亮星的历表用stk9.0软件导出，输入儒略时间并根据星表进行插值，计算得出所述目标亮星的位置。

49、第二方面，本发明提供一种光学设备，包括：

50、至少一个处理器；以及

51、与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

52、所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的空间望远镜地气杂散光确定方法。

53、本发明提供的空间望远镜地气杂散光确定方法及光学设备，首先采用光线追迹法仿真测出空间望远镜的点源透射比，然后输入观测时刻，根据星表确定太阳和月亮在赤道坐标系下的位置，或直接输入太阳和月亮的赤道坐标，根据地球到太阳、地球到月亮的向量夹角，确定月相；根据空间望远镜的所处位置、观测方向、太阳位置，确定望远镜的姿态，以便能够使用第一步仿真获得的点源透射比；将地球表面按照经纬度分成一个个地块，根据太阳与月亮的位置，计算每一个地块受到照射后的照度；在入光口范围内取大量的标记点，将这些标记点与地块分别连线，判断它们是否会被盖板遮挡，经过统计计算针对每一个地块的盖板遮挡系数因子，并进一步计算直接射入入光口的第一地气光照度；将盖板分成多个小块，分别与每个地块连线，计算盖板接受的第二地气光照度，再根据盖板的开合角，计算从盖板反射进入光口的照度值；将地气光直接射入的第一地气光照度与盖板反射进入的照度值相加，即可得到空间望远镜接收地气杂散光的总照度，通过前期仿真计算出点源透射比，后续只要将空间望远镜的入光口大小、轨道高度、观测方向、盖板模型等参数带入，短时间即可算出空间望远镜的杂散光照度，为天文观测的任务编排和成像的像质估计做出贡献。