CN103439792B - 一种全天时小型化恒星跟踪光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够实现全天时观测的小型化恒星跟踪光学系统。该全天时小型化恒星跟踪光学系统，包括沿成像光路光轴依次设置的成像单元、带通滤光片、主反射镜、次反射镜以及扫描反射镜，所述主反射镜中心为通孔；入射光依次经过扫描反射镜、主反射镜、次反射镜完成三次反射后再经主反射镜的中心通孔、带通滤光片出射至成像单元；入射光的光路与所述成像光路在30°～50°扫描视场时存在部分光路重叠以满足系统小型化；主反射镜、次反射镜均设置有遮光罩，扫描反射镜边缘垂直延伸设置有遮光板。本发明利用扫描反射镜进行视场扫描，能够全天时观测天顶30°～85°空域之间的区域，系统瞬时视场小于30′。
Description
技术领域
本发明属光学设计领域，涉及一种全天候利用恒星作为参照系进行导航定位的恒星跟踪系统。
背景技术
目前在飞行器和舰船导航过程中，惯性陀螺是最为常用的导航设备，具有很高的瞬时姿态测量精度，但是长时间工作状态下漂移较大，误差随着时间不断的积累，需要外部信息源校正其误差。而星敏感器利用天球坐标系中恒星的位置不变性来测量载体的运动参数，无姿态累积误差，因此，星敏感器成为校正惯性导航测量误差的最佳系统。惯性/星光组合导航将星光导航与惯性导航结合，优势互补，从而实现长时间高精度导航。惯性/星光组合导航作为一种新型的导航技术也成为研究热点方向。
惯性/星光组合导航中的星敏感器是各种姿态敏感器中姿态测量精度最高的敏感器之一，在航天工程中得到了广泛的应用，但是用于全天时观测的星敏感器光学系统却很少，这是因为在大气层内工作的星敏感器白天观测恒星的最大困难是白天的天空背景辐射过强，造成的白天观星的对比度比夜间要差105倍，因此在夜间能观测到的恒星在白天却很难观测到。
美国在上个世纪80年代末开展了具有全天时工作能力的星敏感器研究，美国Northrop公司研发的星光惯性导航系统采用3个视场角3°的望远系统组合而成，联合使用能够观测天顶30°范围内的区域，该公司研发的第四代星敏感器口径为50.8mm，并通过导航系统上部口径228.6mm的窗口，可以观测天顶95°范围内的区域。2006年，美国Microcosm公司研发的DayStar系统，同样采用3视场原理，同时观测3个方向，其视场角30°，口径为76mm。BLAST白天观星采用大口径长焦距的镜头，配合4英尺长得遮光罩进行白天观测。
目前国内长光所在90年代利用口径350mm，焦距3000mm的电影经纬仪进行了白天观星实验，可以在白天观测到3等星，在星体探测能力上达到了国外80年代中期水平。该系统口径达到了350mm，体积较大，重量较重，不适合在飞行器等对重量要求比较苛刻的场合使用。
我国的白天观星能力较弱，小型化的全天时星敏感器光学技术更是几乎空白，国外同类产品大多采用3个镜头同时进行观测，系统硬件较为复杂。因此。发明一种用于全天时小型化恒星观测的光学系统尤为迫切。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明目的提供了一种能够实现全天时观测的小型化恒星跟踪光学系统。
本发明的技术解决方案：
一种全天时小型化恒星跟踪光学系统，包括沿成像光路光轴依次设置的成像单元、带通滤光片、主反射镜、次反射镜以及扫描反射镜，所述主反射镜中心为通孔；其中，主反射镜面型为凹的二次非球面，次反射镜面型为凸的球面或者凸的二次非球面，入射光依次经过扫描反射镜、主反射镜、次反射镜完成三次反射后再经主反射镜的中心通孔、带通滤光片出射至成像单元；所述入射光的光路与所述成像光路在30°～50°扫描视场时存在部分光路重叠以满足系统小型化；主反射镜面向次反射镜延伸设置有圆锥筒形主镜遮光罩，次反射镜面向主反射镜延伸设置有圆锥筒形次镜遮光罩，扫描反射镜边缘垂直延伸设置有遮光板。
基于上述基本方案，本发明还可作如下优化限定和改进：
所述扫描反射镜形状为长八边形或者为椭圆形。
在主镜遮光罩内还设置有校正镜，用以校正光学系统的球差和扩大系统视场。
扫描反射镜的材料为熔融石英材料JGS1，主反射镜的材料为熔融石英材料JGS1或者为微晶光学玻璃材料，次反射镜的材料为熔融石英材料JGS1或者为微晶光学玻璃材料，校正镜材料为轻冕光学玻璃材料H-QK3L，带通滤光片的材料为熔融石英材料JGS1或者为有色玻璃HB550、HB650。
主反射镜与次反射镜之间采用三杆连接方式，连接杆材料采用铟钢。
次反射镜的外围还设置有至少一级遮光筒。
主反射镜的表面顶点半径200mm～300mm；次反射镜的表面顶点半径35mm～80mm；校正镜采用弯月形凸透镜，焦距350mm<f'<600mm；
从扫面反射镜中心到成像单元的成像面的距离为180mm～220mm，主反射镜与次反射镜之间距离为70mm～90mm；
主镜遮光罩的尺寸为：从主反射镜表面顶点到主镜遮光罩末端长度为40mm～55mm；
次镜遮光罩的尺寸为：从次反射镜表面顶点到次镜遮光罩末端长度为8mm～15mm；
遮光筒共有两级，其结构特性为：第一级遮光筒直径为26mm～35mm，长度为25mm～30mm，第二级遮光筒直径为38mm～42mm，长度为48mm～55mm；或者在此基础上增设第三级，第三级遮光筒直径为55mm～60mm，长度为75mm～80mm；
扫描反射镜的遮光板的长度为30mm～50mm。
所述带通滤光片优选以下所列中的一种：
第一种，光学特性为：在600nm～1100nm谱段内，带通滤光片透过率T≥90％，在200～570nm谱段内，带通滤光片透过率T≤2％。
第二种，光学特性为：在700nm～1100nm谱段内，带通滤光片透过率T≥90％，在200～670nm谱段内，带通滤光片透过率T≤2％。
第三种，光学特性为：在600nm～900nm谱段内，带通滤光片透过率T≥90％，在200～570nm谱段内，带通滤光片透过率T≤2％，在930～1100nm谱段内，带通滤光片透过率T≤2％。
主镜遮光罩、次镜遮光罩、遮光筒、扫描反射镜的遮光板的材料均为铝合金，表面处理均为喷砂和喷涂消光漆。
本发明具有以下优点：
1、本发明利用扫描反射镜进行视场扫描，扫描反射镜通过15°～42.5°的旋转，可以观测天顶30°～85°空域之间的区域，系统瞬时视场小于30′，可以有效增加星跟踪器的探测区域和减小视场外的杂散光水平。
2、本发明设计扫描光路与成像光路部分重叠，使得光学系统的总长度更短，达到了小型化的目的。
3、本发明通过在成像光路中设置多级遮光罩防止外界杂散光直接进入像面，有效的减小杂散光对光学系统探测性能的影响，进一步保证了白天和晚上全天时恒星观测的能力。
4、本发明主次镜材料均采用熔融石英JGS1或者微晶材料，材料热膨胀系数≤10-6/k，光学环境温度的变化对主反射镜和次反射镜的面型影响较小。
5、本发明主次反射镜之间可采用三杆铟钢材料进行支撑，铟钢材料的热膨胀系数≤10-7/k，因此，在工作环境温度-30℃～+60℃范围内，主次镜之间的间隔变化在μm量级。
附图说明
图1为本发明全天时小型化恒星追踪器光学系统示意图；
其中附图标记为：1-扫描反射镜，2-主反射镜，3-次反射镜，4-校正镜，5-带通滤光片，6-主镜遮光罩，7-次镜遮光罩，8-光路中的两级或者三级遮光筒，9-扫描反射镜遮光板。
图2为图1中扫描反射镜(1)的外形图。
图3为采用本发明光学系统其最佳像面不同视场弥散斑能量分布曲线图。
图4为采用本发明光学系统其最佳像面畸变网格图。
图5为本发明光学系统的不同离轴角杂散光PST仿真曲线图。
具体实施方式
本发明预期扫描视场为30°到80°，全天时可以观测到3Mv星以上，系统总长度控制在250mm以内。由于需要在白天对恒星等微弱目标进行观测，这是一个对光学系统杂散光指标要求很高的光学系统。
本发明利用扫描反射镜进行视场扫描，通过15°～42.5°的旋转，可以观测天顶30°～85°空域之间的区域，通过扫描光路和成像光路进行重叠来保证光学系统的总长度，从而满足小型化的需求。不过，这在很大程度上增加了光学系统抑制杂散光的负担。因此，在杂散光抑制设计方面，成为了一个设计难点。
本发明考虑采用主、次镜遮光罩、扫描反射镜遮光板对杂散光进行遮挡，并且为了减小非扫描视场外的杂散光影响，在成像光路中设计两级或者三级圆筒型遮光罩，阻挡非正常光线进入系统像面。遮光罩表面采用喷砂发黑的表面处理形式来增加对杂光的吸收能力。
为了满足光学系统在不同的温度条件下均能正常工作，主反射镜和次反射镜均选用膨胀系数非常小的熔融石英JGS1或者是微晶材料，减小温度变化对镜面面型的影响，并且选择铟钢作为主反射镜和次反射镜之间的连接材料，因为铟钢热膨胀系数非常小，为10-6/k量级，可以有效的降低温度变化对主反射镜和次反射镜之间间隔的影响。
采用折反射光学系统，主反射镜采用二次非球面，次镜采用球面，利用校正镜在校正光学系统的球差和扩大系统视场，实现系统焦距为800mm，入瞳直径大于60mm，瞬时视场角小于10′的全天时小型化星跟踪光学系统。
如图1所示本发明的基本光路结构，以下给出一个具体示例来详细阐述本发明，该示例不应视为对本发明权利要求的限制。
扫描反射镜(1)的光学特性为：
扫描反射镜为平面，表面面型RMS误差为1/30～1/50λ；
主反射镜(2)的光学特性为：
主反射镜面型为凹的二次非球面，表面顶点半径200mm≤R≤300mm之间，表面面型RMS误差为1/20～1/50λ；
次反射镜(3)的光学特性为：
次反射镜面型为凸的球面或者是凸的二次非球面，表面顶点半径35mm≤R≤80mm之间；
校正镜(4)的光学特性为：
弯月形凸透镜，焦距350mm<f'<600mm。
带通滤光片(5)的光学特性为：
在600nm～1100nm谱段内，带通滤光片透过率T≥90％，在200～570nm谱段内，带通滤光片透过率T≤2％。
在700nm～1100nm谱段内，带通滤光片透过率T≥90％，在200～670nm谱段内，带通滤光片透过率T≤2％。
在600nm～900nm谱段内，带通滤光片透过率T≥90％，在200～570nm谱段内，带通滤光片透过率T≤2％。在930～1100nm谱段内，带通滤光片透过率T≤2％。
主镜遮光罩(6)的结构特性为：
从主反射镜表面顶点处到主镜遮光罩另一端长度为40mm～55mm之间，形状圆锥筒形。
次镜遮光罩(7)特性为：
从次反射镜表面顶点处到次镜遮光罩另一端长度为8mm～15mm之间。
所述光路中两级或者三级遮光筒(8)的结构特性为：
两级或者三级圆筒形，第一级遮光筒直径为26mm～35mm，长度大约为25mm～30mm，第二级遮光筒直径为38mm～42mm，长度大约为48mm～55mm；如果是三级，则在第二级的外围设置第三级遮光筒，第三级遮光筒直径为55mm～60mm，长度大约为75mm～80mm。每一级筒壁厚度≤1mm。
所述光路中扫描反射镜遮光板(9)的结构特性为：
从扫描反射镜边缘垂直反射镜伸出帽檐形遮光板，伸出长度为30mm～50mm之间。
扫描反射镜(1)的材料为熔融石英材料JGS1，形状可为长八边形或者为椭圆形。扫描反射镜(1)沿光轴为旋转中心扫描角度为15°到42.5°；
主反射镜(2)的材料为熔融石英材料JGS1或者为微晶光学玻璃材料，次反射镜(3)的材料为熔融石英材料JGS1或者为微晶光学玻璃材料，校正镜(4)材料为轻冕光学玻璃材料H-QK3L，带通滤光片(5)的材料为熔融石英材料JGS1或者为有色玻璃HB550、HB650。
主反射镜(2)与次反射镜(3)之间采用3杆连接，连接杆材料采用铟钢。主反射镜(2)与次反射镜(3)之间的间隔70mm≤L1≤90mm。
全天时小型化恒星追踪器的瞬时视场不大于60′，系统焦距600mm≤F≤1000mm，有效入瞳直径大于60mm，次镜遮拦比≤20％。
主镜遮光罩(6)、次镜遮光罩(7)、光路中的两级或者三级遮光筒(8)、扫描反射镜遮光筒(9)的材料为铝合金，它们的表面处理均为喷砂和喷涂消光漆。
扫描反射镜光路部分同主次镜成像光路部分在30°～50°扫描视场时存在光路重叠来满足系统小型化的要求，如附图1所示。
全天时小型化恒星追踪器从扫面反射镜(1)中心到系统像面的长度180mm≤L≤220mm之间。
如图1所示，扫描反射镜(1)采用八边形的结构形式，沿光轴在15°～42.5°之间进行扫描，通过二次非球面主反射镜(2)和凸球面反射镜(3)以及校正镜(3)、600nm～1100nm带通滤光片(5)对恒星目标进行探测成像，可以观测天顶30°～85°空域之间的区域。
下表1为采用本实施例光学系统的主要指标其最佳像面全视场内不同色光相对中心波长0.8μm的色偏差值。
表1 其它色光弥散斑质量中心相对于0.8μm波长色偏差值y(μm)
从图3可以看出光学系统在600nm～1100nm全视场内全谱段色偏差≤2μm，图4表明光学系统在最佳像面上在瞬时视场和扫描视场内，包括80％能量的弥散斑半径在30μm之间，光学系统设计结果良好，相对孔径1/13，入瞳直径为70mm，视场角10′，全天时可以观测到3Mv星以上，系统总长度控制在250mm以内。
为了实现全天时探测，特别是白天探测，增设主反射镜遮光罩(6)、次镜遮光罩(7)、遮光筒(8)、扫描反射镜遮光板(9)进行杂散光抑制，如图5所示，PST可以快速的降到10-6以下，光学系统杂散光抑制能力优良。
Claims (11)
1.一种全天时小型化恒星跟踪光学系统，其特征在于：包括沿成像光路光轴依次设置的成像单元、带通滤光片(5)、主反射镜(2)、次反射镜(3)以及扫描反射镜(1)，所述主反射镜(2)中心为通孔；其中，主反射镜(2)面型为凹的二次非球面，次反射镜(3)面型为凸的球面或者凸的二次非球面，入射光依次经过扫描反射镜(1)、主反射镜(2)、次反射镜(3)完成三次反射后再经主反射镜(2)的中心通孔、带通滤光片(5)出射至成像单元；所述入射光的光路与所述成像光路在30°～50°扫描视场时存在部分光路重叠以满足系统小型化；主反射镜(2)面向次反射镜(3)延伸设置有圆锥筒形主镜遮光罩(6)，次反射镜(3)面向主反射镜(2)延伸设置有圆锥筒形次镜遮光罩(7)，扫描反射镜边缘垂直延伸设置有遮光板(9)。
2.根据权利要求1所述的全天时小型化恒星跟踪光学系统，其特征在于：所述扫描反射镜(1)形状为长八边形或者为椭圆形。
3.根据权利要求1或2所述的全天时小型化恒星跟踪光学系统，其特征在于：在主镜遮光罩(6)内还设置有校正镜(4)，用以校正光学系统的球差和扩大系统视场。
4.根据权利要求3所述的全天时小型化恒星跟踪光学系统，其特征在于：扫描反射镜(1)的材料为熔融石英材料JGS1，主反射镜(2)的材料为熔融石英材料JGS1或者为微晶光学玻璃材料，次反射镜(3)的材料为熔融石英材料JGS1或者为微晶光学玻璃材料，校正镜(4)材料为轻冕光学玻璃材料H-QK3L，带通滤光片(5)的材料为熔融石英材料JGS1或者为有色玻璃HB550、HB650。
5.根据权利要求3所述的全天时小型化恒星跟踪光学系统，其特征在于：主反射镜(2)与次反射镜(3)之间采用三杆连接方式，连接杆材料采用铟钢。
6.根据权利要求3所述的全天时小型化恒星跟踪光学系统，其特征在于：次反射镜(3)的外围还设置有至少一级遮光筒(8)。
7.根据权利要求6所述的全天时小型化恒星跟踪光学系统，其特征在于：主反射镜(2)的表面顶点半径200mm～300mm；次反射镜(3)的表面顶点半径35mm～80mm；校正镜(4)采用弯月形凸透镜，焦距350mm<f'<600mm；
从扫面反射镜(1)中心到成像单元的成像面的距离为180mm～220mm，主反射镜(2)与次反射镜(3)之间距离为70mm～90mm；
主镜遮光罩(6)的尺寸为：从主反射镜表面顶点到主镜遮光罩末端长度为40mm～55mm；
次镜遮光罩(7)的尺寸为：从次反射镜表面顶点到次镜遮光罩末端长度为8mm～15mm；
遮光筒(8)共有两级，其结构特性为：第一级遮光筒直径为26mm～35mm，长度为25mm～30mm，第二级遮光筒直径为38mm～42mm，长度为48mm～55mm；或者在此基础上增设第三级，第三级遮光筒直径为55mm～60mm，长度为75mm～80mm；
扫描反射镜的遮光板(9)的长度为30mm～50mm。
8.根据权利要求7所述的全天时小型化恒星跟踪光学系统，其特征在于，
所述带通滤光片(5)的光学特性为：在600nm～1100nm谱段内，带通滤光片透过率T≥90％，在200～570nm谱段内，带通滤光片透过率T≤2％。
9.根据权利要求7所述的全天时小型化恒星跟踪光学系统，其特征在于，
所述带通滤光片(5)的光学特性为：在700nm～1100nm谱段内，带通滤光片透过率T≥90％，在200～670nm谱段内，带通滤光片透过率T≤2％。
10.根据权利要求7所述的全天时小型化恒星跟踪光学系统，其特征在于，
所述带通滤光片(5)的光学特性为：在600nm～900nm谱段内，带通滤光片透过率T≥90％，在200～570nm谱段内，带通滤光片透过率T≤2％；在930～1100nm谱段内，带通滤光片透过率T≤2％。
11.根据权利要求8所述的全天时小型化恒星跟踪光学系统，其特征在于：主镜遮光罩(6)、次镜遮光罩(7)、遮光筒(8)、扫描反射镜的遮光板(9)的材料均为铝合金，表面处理均为喷砂和喷涂消光漆。
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