CN101704417A - 航天器星体跟踪器杂散光抑制装置 - Google Patents

Abstract

一种航天器星体跟踪器杂散光抑制装置，包括第一级抑制装置和第二级抑制装置，其中在杂散光入口方向上并且在探测光学系统之前依次设置该第一级抑制装置和第二级抑制装置，所述第一级和第二级抑制装置均为圆筒状，并且在所述一级和第二级抑制装置中均设置多个挡光环，该杂散光抑制装置能够减少各类杂散光对星体跟踪器探测星体的干扰，使得星体跟踪器能够进行星体探测与进行星图识别和提高星体探测能力，提高导航精度，同时在考虑到航天器达到负载能力、材料和结构工艺等的限制，在该抑制装置在允许的尺寸范围内实现最优结构尺寸。

Description

航天器星体跟踪器杂散光抑制装置

技术领域

本发明涉及天文导航领域，尤其涉及一种航天器星体跟踪器杂散光抑制装置。

背景技术

随着航天技术的发展，星体跟踪器逐渐成为航天器姿态控制系统的重要组成部分。星体跟踪器以无穷远恒星作为探测目标，具有测量精度高、目标信号弱的特点。随着可见光探测技术的发展，对星体跟踪器的灵敏度要求日益提高。而光学系统和探测元件的设计与制造已达到光学衍射水平，这使得杂散光成为影响星体跟踪器性能的重要因素。因此，正确预计杂散光对星敏感器的干扰程度并采取有效的抑制措施，已成为研制高灵敏度星体跟踪器的重要环节。杂散光指光学系统中除目标光线外，扩散于探测器表面的其它非目标光辐射能量。星敏感器可能受到比较强的杂散光源干扰，对星体跟踪器来说，主要的杂散光源有两类：太阳杂散光和地气杂散光。来自太阳、地球等天体的杂散光会对目标形成较强的干扰，恒星属于弱目标光源，杂散光干扰严重时，星体跟踪器探测器光敏面处恒星光能流密度将远低于杂散光能流密度。此时，星体跟踪器输出图像表现为星像点被杂散光噪声所淹没，将无法从星图中提取星点，不能正常进行星图识别。

抑制杂散光的重要措施是在星体跟踪器光学系统前方设置杂散光抑制装置，通过杂散光抑制装置将有效抑制各类杂散光，将杂散光总辐射能量降低到目标能量水平以下。

杂散光抑制技术现已发展成为分支繁多、涉及学科很广的一门综合技术，其关键技术可归纳为：系统杂光测试、散射理论、材料研究、BRDF设备与测量、分析软件、抑制技术、污染效应等。为了抑制杂散光达到成像面，保证仪器的性噪比要求，必须对仪器采用杂光抑制技术。对于不同的仪器，杂散光抑制技术是各有特点。通常杂散光抑制技术有以下几种：光阑与挡光板控制、涂层吸收、温度控制、污染控制等方法。

国内航空相机的杂光抑制除采用了光阑抑制技术外，普遍的应用了遮光罩：即挡光板技术。国内的遮光罩按结构形式分为光筒式遮光罩、挡光环式遮光罩；按照消光原理可以分为吸收型和反射型。例如：中科院院长赵立新发表的论文《空间光学遥感器外遮光罩的地球反照辐射的随机模拟计算》中的遮光罩为一级挡光环式遮光罩。成都光机所卢卫发表的论文《星敏感器遮光罩的优化设计》中的遮光罩为二级遮光罩：一级消光部分为反射面，二级消光部分为吸收面。一级挡光环式的遮光罩的缺点为：进入遮光罩内的杂散光投射到各挡光环上，其散射光线的方向是不确定的，存在于各个方向，有部分光线只在挡光环上进行了一次反射后就可能到达系统的成像面。其能量没有被挡光环大量吸收。一级消光部分为反射面的二级消光罩，其在理论上，消光效果很好。这基于一级消光部分的反射面的反射系数很高的条件下，进入遮光罩的杂光大部分在一级反射面上被反射出去。但在实际应用中，高反射率的表面的加工还是一难题。同时其一级锥面的反射面的结构形式也加大了加工难度。

发明内容

本发明提供一种航天器星体跟踪器杂散光抑制装置。目的在于减少各类杂散光对星体跟踪器探测星体的干扰，使得星体跟踪器能够进行星体探测与进行星图识别和提高星体探测能力，提高导航精度，同时在考虑到航天器达到负载能力、材料和结构工艺等的限制，在该抑制装置在允许的尺寸范围内实现最优结构尺寸。

本发明提供一种航天器星体杂散光抑制装置，其包括第一级抑制装置和第二级抑制装置，其中在杂散光入口方向上并且在探测光学系统之前依次设置该第一级抑制装置和第二级抑制装置，所述第一级和第二级抑制装置均为圆筒状，并且在所述一级和第二级抑制装置中均设置多个挡光环，所述杂散光抑制装置的入口直径大于出口直径，其特征在于，所述杂散光抑制装置满足以下条件：

L_min＝4D(tanα+tan W)/(tanα-tan W)

${D2}_{\min }=D\frac{{(1+A)}^2}{{(1-A)}^2}$

$A=\sqrt{\frac{\tan W}{\tan \mathrm{\α}}}$

其中L为所述杂散光抑制装置的长度；D为探测光学系统的孔径；W为所述杂散光抑制装置内段锥角，即为探测光学系统半视场角；α为两级抑制装置的中间交点与所述杂散光抑制装置前段的端口边沿的连线与光轴的夹角，也即需抑制的太阳杂散光入射角；D2_min为所述杂散光抑制装置的前段孔径。

杂散光抑制装置的挡环数目为10～15个。杂散光抑制装置的长度不大于234mm，直径不大于104mm。抑制装置入口直径为100～110mm，出口直径为90～96mm。杂散光抑制装置最后一片挡光环位于光学系统前端面2～10mm处。第二级抑制装置的长度大于第一级抑制装置的长度。杂散光抑制装置入口的通光孔径为101mm，所述杂散光抑制装置出口的通光孔径为36.38mm。杂散光在第一级抑制装置中至少经过两次反射才能进入第二级抑制装置中，在第二级抑制装置中又至少经过两次反射才能到达所述探测光学系统的入口。

附图说明

图1本发明杂散光抑制装置的结构示意图；

图2本发明杂散光抑制装置内腔尺寸设计图；

图3作图法确定本发明杂散光抑制装置内腔尺寸示意图；

图4本发明作图法确定杂散光抑制装置内各挡光环位置示意图；

图5本发明杂散光抑制装置尺寸示意图；

图6抑制装置三维模型图。

图中标记：探测器1，探测光学系统2，抑制装置后段3，抑制装置中段4，抑制装置前段5。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明提供了一种杂散光抑制装置，其采用二级抑制技术。该抑制装置采用“视不见”原理，即抑制装置内任何一点对光学系统“不可见”。由抑制装置反射杂散光不能直接投射到光学系统，投射到抑制装置的杂散光到达抑制装置出口须经过至少4次漫反射。

如图1、图2所示：本发明杂散光抑制装置为两级抑制，主要有三个结构参数：抑制装置内段锥角W，即为探测光学系统半视场角；抑制装置后段锥角θ，它是抑制装置外段的内轮廓线与系统光轴的夹角，其向内的延长线在抑制装置内孔径边沿或在端口外。也即需抑制的地气杂散光的最大角度；两级抑制段的中间交点与抑制装置前段的端口边沿的连线与光轴的夹角α，也即需抑制的太阳杂散光入射角。

由图2可以看出，杂散光抑制装置的各参数之间存在如下的几何关系：

D＝D/(tanθ-tanW)            (1)

D1＝D+2L1tan W             (2)

L2＝D/(tanα-tanθ)        (3)

D2＝D1+2L2tanθ            (4)

L＝L1+L2                   (5)

根据上述公式(1)到(5)，依据给定的条件D，W，α，进行编程设计杂散光抑制装置。可以得出不同地气杂散光抑制角度的杂散光抑制装置的一系列内轮廓的长度L，L1，L2与孔径D1，D2，从中选取合适的地气杂散光抑制角度的杂散光抑制装置的内轮廓尺寸。

探测光学系统的杂散光抑制装置越长，对杂光抑制就越有益处，但是对空间光学系统，考虑到航天器达到负载能力、材料和结构工艺等的限制，尺寸过大的杂散光抑制装置是行不通的。于是在允许的尺寸范围内就存在着结构尺寸的优化设计，即：既要满足抑制外视场杂散光辐射，又要使总体尺寸最短。将上述的公式(1)、(2)、(3)代入式(5)经整理可得出：

L＝(D(tanα+tan W))/((tanα-tanθ)(tanθ-tan W))    (6)

对某一固定的杂散光抑制角公式中α，在抑制装置的长度表达式中只有角度θ是可以变化的，为得到L的最小值，将L对tanθ求导可得：

L_min＝4D(tanα+tan W)/(tanα-tan W)    (7)

此时有：

tanθ＝0.5(tanα+tanW)        (8)

同样可求得杂散光抑制装置前段直径D2的最小值D2_min

${D2}_{\min }=D\frac{{(1+A)}^2}{{(1-A)}^2}---\left(9\right)$

式中： $A=\sqrt{\frac{\tan W}{\tan \mathrm{\α}}}$

此时有：

$\tan \mathrm{\θ}=\sqrt{\tan \mathrm{\α}\tan W}$

在实际应用中，可根据具体情况确定采用L_min、D_min还是中间的其他值。

所述的杂散光抑制装置的内轮廓尺寸也可依据给定的探测光学系统的视场角2W和孔径D和能够安装的最大空间的杂散光抑制装置的长度和外径，以作图法确定杂散光抑制装置的内轮廓尺寸和预计杂散光抑制角度.如图3所示：根据探测光学系统的通光孔径D，需设计的杂散光抑制装置的长度L和外径尺寸确定C、D、A、B四点，连CD与AB的中点，即为杂散光抑制装置的光轴.取杂散光抑制装置的外挡环的高度为H，A，B两点分别向光轴方向平移H，得到E、F两点.分别过C、D两点做与光轴的夹角为W的两条射线，连接DE的直线与其中的一条射线相交与G点，连接FC的直线与一射线相交与H点.点D、H、F、E、G、C便构成了所设计的杂散光抑制装置的内轮廓线，图3中的虚线.直线DE与光轴的夹角为需抑制的地气光的角度，直线GF与光轴的夹角为需抑制的太阳光的角度.

确定了杂散光抑制装置的内轮廓尺寸后，便可利用作图法，如图4所示，确定抑制装置的内挡环的位置和挡环的高度。首先，根据实际使用空间的状态和内轮廓尺寸确定杂散光抑制装置的外轮廓线(内壁，外轮廓应加抑制装置圆筒的厚度)A、G’、C’。为避免由于加工误差造成需抑制的杂散光不按设计线路进入探测系统入口，在挡光环确定时需留有余量以补偿加工误差。如：远离光轴方向偏离点H，D1～2mm的位置确定点H’、D’。连接点H’、A的直线交抑制装置的内轮廓线于N¹点，连接点F、N¹，并延长与抑制装置的外轮廓线交与点W¹。依次再连接H’、W¹，交内轮廓线于N²点，连F、N²并延长交外轮廓线于W²。依次类推，可确定点N³，N⁴，N⁵，N⁶.......一直到点G，点N¹，N²，N³，N⁴，N⁵，N⁶即为抑制装置中各挡光环的位置，过各点向抑制装置的外轮廓线做光轴的垂线即得各挡光环。点N¹，N²，N³，N⁴，N⁵，N⁶为各挡光环内轮廓顶点。同样的方法：连接点D’、G’交抑制装置的第二级抑制装置的内轮廓线于N¹⁰，连接H，N¹⁰，并延长交抑制装置的外轮廓线于W¹⁰，再依次连接D’，W¹⁰交内轮廓线于N¹¹......依次继续，可得出N¹²N¹³N¹⁴......过N¹⁰，N¹¹，N¹²......各点向外轮廓线做光轴的垂线便得出抑制装置中的各级挡光环。

从图4可看出，进入抑制装置的杂散光投射到抑制装置挡光环右侧面，被右侧高吸收涂层吸收，反射能量到达其它表面，由挡光环左侧面2次反射进入第一级抑制装置。抑制装置对这部分能量的衰减系数约10^-6～10^-8。离开第一级抑制装置的杂散光将投射到第二级抑制装置挡光环右侧面，杂散光经右侧面第3次吸收、反射到达挡光环的左侧面，经涂层第4次吸收后离开抑制装置。第二级抑制装置对杂散光的衰减系数约10^-6～10^-8。

第二级抑制装置与第一级抑制装置为串连关系，杂散光依次经过第二级抑制装置和第一级抑制装置的衰减，抑制装置对杂散光的衰减系数将＜10^-12。

杂散光从抑制装置的入口边沿进入抑制装置内，首先进入第一级抑制装置的内挡环上，至少经过两次反射才能进入第二级抑制装置中，在第二级抑制装置中又至少经过两次反射才能到达探测系统的入口。

其中，航天器星体跟踪器杂散光抑制装置技术指标包括：

1)航天器星体跟踪器杂散光抑制装置外形尺寸

不大于239mm×104mm；

2)航天器星体跟踪器杂散光抑制装置重量

航天器星体跟踪器杂散光抑制装置重量≤400g；

3)杂散光抑制角

太阳光抑制角30°；

4)杂散光衰减系数：抑制角外杂散光，衰减系数10^-8；

杂散光抑制装置的输入参数

序号	输入参数	数值	备注
				1	视场	Φ4.2°(全视场)	圆视场
2	设计光谱范围	550nm～900nm
				3	光学系统焦距	100mm
4	第一面透镜直径	Φ36

航天器星体跟踪器杂散光抑制装置的各个参数如下：

1)航天器星体跟踪器杂散光抑制装置入口直径：

104mm(通光孔径

101mm)

2)航天器星体跟踪器杂散光抑制装置出口直径：

93mm(通光孔径36.38mm)

3)挡光环数量：13个

4)抑制装置长度：234mm

抑制装置最后一片挡光环位于光学系统前端面5mm处。

Claims (8)

1.一种航天器星体跟踪器杂散光抑制装置，其包括第一级抑制装置和第二级抑制装置，其中在杂散光入口方向上并且在探测光学系统之前依次设置该第一级抑制装置和第二级抑制装置，所述第一级和第二级抑制装置均为圆筒状，并且在所述一级和第二级抑制装置中均设置多个挡光环，所述杂散光抑制装置的入口直径大于出口直径，其特征在于，所述杂散光抑制装置满足以下条件：

L_min＝4D(tanα+tan W)/(tanα-tan W)，

${D2}_{\min }=D\frac{{(1+A)}^2}{{(1-A)}^2}$

$A=\sqrt{\frac{\tan W}{\tan \mathrm{\α}}}$

其中L为所述杂散光抑制装置的长度；D为探测光学系统的孔径；W为所述杂散光抑制装置内段锥角，即为探测光学系统半视场角；α为两级抑制装置的中间交点与所述杂散光抑制装置前段的端口边沿的连线与光轴的夹角，也即需抑制的太阳杂散光入射角；D2_min为所述杂散光抑制装置的前段孔径。

2.如权利要求1所述的杂散光抑制装置，其特征在于所述杂散光抑制装置的挡环数目为10～15个。

3.如权利要求1所述的杂散光抑制装置，其特征在于所述杂散光抑制装置的长度不大于234mm，直径不大于104mm。

4.如权利要求1所述的杂散光抑制装置，其特征在于抑制装置入口直径为100～110mm，出口直径为90～96mm。

5.如权利要求1所述的杂散光抑制装置，其特征在于所述杂散光抑制装置最后一片挡光环位于光学系统前端面2～10mm处。

6.如权利要求1所述的杂散光抑制装置，其特征在于所述第二级抑制装置的长度大于第一级抑制装置的长度。

7.如权利要求1所述的杂散光抑制装置，其特征在于所述杂散光抑制装置入口的通光孔径为101mm，所述杂散光抑制装置出口的通光孔径为36.38mm。

8.如权利要求1所述的杂散光抑制装置，其特征在于所述杂散光在第一级抑制装置中至少经过两次反射才能进入第二级抑制装置中，在第二级抑制装置中又至少经过两次反射才能到达所述探测光学系统的入口。

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