CN104236545B - 一种无遮光罩星敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行器姿态控制系统所应用的恒星测量敏感器，尤其是涉及一种不用遮光罩即可满足消杂光要求的星敏感器，包括整机结构、光电探测器及其成像电路、数据信息处理电路、软件、输入输出接口和内消光光学系统，可依赖内消光光学系统实现无遮光罩设计；所述内消光光学系统括光学成像镜头、消杂光光纤面板和光电探测器三部分；在焦平面处引入消杂光光纤面板前端面，在消杂光光纤面板的出口端面密贴光电探测器；所述消杂光光纤面板、光电探测器感光面与光学成像镜头光轴垂直。本发明使星敏感器光学系统本身具有了消杂光功能，而且还可以使得现有技术中的遮光罩尺寸和重量大幅度减小，甚至不用遮光罩，节省成本和资源，更加便于星体上安装。

Description

一种无遮光罩星敏感器

技术领域

本发明涉及一种飞行器姿态控制系统所应用的恒星测量敏感器，尤其是涉及一种不用遮光罩即可满足消杂光要求的星敏感器。

背景技术

星敏感器是飞行器姿态控制系统所经常采用的一种姿态测量敏感器，在飞行器控制领域发挥非常重要的作用。星敏感器一般由遮光罩、光学成像系统、CCD（Charge CoupledDevices，电荷耦合器件）或APS（Active Pixel Sensor，有源像素传感器）成像电子线路、DSP（Data Signal Processor，数字信号处理器）信息处理单元、星图处理软件、通讯接口等几大部分构成。其中遮光罩起到在一定的抑制角范围内抑制太阳、地气散射、月球等入射到星敏感器视场外附近天体杂光的作用，目前为止国际上所有的星敏感器都必须配备遮光罩，遮光罩设计的目标是在满足杂光抑制角的前提下尺寸和重量越小越好。

用现有技术所设计的遮光罩一般尺寸和重量相对较大，不但引起发射费用的提高，而且对于星敏感器在卫星上的布局提出了很高的要求，有时不能满足在杂光抑制角内无遮挡的条件，或者能满足的安装位置由于遮光罩尺寸较大而与其它仪器结构干涉，造成较大的麻烦。为了克服现有技术中遮光罩尺寸和重量较大带来的成本增加和安装不便的缺点，本发明提出了一种无遮光罩星敏感器，主要提出了一种用光纤面板参与成像抑制杂光的设计方案，以期彻底解决这个问题。

星敏感器遮光罩消杂光能力的技术指标一般采用消光比（或称杂光抑制比），定义为以某一角度充满入口入射到遮光罩内的平行杂光能量与经过遮光罩后落在出口的能量之比，消光比越高，说明遮光罩抑制能力越强。星敏感器的太阳杂光抑制能力国际上普遍采用太阳抑制角来表征，太阳抑制角就是能保持星敏感器性能最小太阳入射角度，一般都大于视场角，这个角度越接近视场角，说明星敏感器杂光抑制能力越高，遮光罩的设计目标就是保证遮光罩指定消光比的前提下使得尺寸和太阳抑制角最小。

在遮光罩设计技术上，主要采用挡板型内部喷黑漆的技术途径，即使如此，针对不同的视场角和不同的消光比要求，遮光罩的设计也会有各种技巧和变化。遮光罩设计方案一般可分为挡板吸收型、反射型、反射吸收混合型，挡板吸收型目前应用最广，这种类型又分为二级设计和一级设计。二级设计一般尺寸较大，但是优点是消光比高，精度要求越高这种类型应用越有利。一级设计主要是针对视场大精度低于1角秒的星敏感器采用的，优点是尺寸小，但是消光比不如二级遮光罩高。例如美国劳伦斯里沃墨国家实验室（LawrenceLivermore National Lab.）开发的一款28°X42°超大视场角星敏感器，其遮光罩是一级设计的，主要采用挡板吸收形式，在最小抑制区域内是不允许有太阳光进入的，参见Proceedings of SPIE ，Vol.1530，PP306-324 。再如中国嫦娥一号月球探测器星敏感器遮光罩是采用二级设计的，到达像面的太阳杂光要经过4次漫反射，因此消光比达到109以上，参见航天控制，2004年6月，No.3，P61。

对于星敏感器如何缩小外形尺寸和降低重量呢，各国学者都致力于此，日本的Kawano Hiroyuki在日本SERVIS-1卫星星敏感器上提出了一种折射反射吸收结合的一级遮光罩，长度仅仅120mm，若用二级设计长度至少182mm，可见设计技巧运用所起到的作用，参见，“Suppression of Sun Interference in the Star Sensor Baffling stray Lightby Total Internal Reflection”，Proceedings of SPIE ，Vol.5962，59621R-1至59621R-10。我国的廖志波等提出了反射式星敏感器遮光罩结构,参见红外与激光工程，2011年1月，Vol.40，No.1，PP66-69。卢卫和李展提出了一种优化的紧凑型遮光罩结构，参见导弹与航天运载技术，2002年，Vol.3，PP35-38。

综上所述，国际上目前所有星敏感器不可避免要采用外遮光罩消杂光。在消杂光技术上，常规的消杂光机理主要是挡板的几何遮挡和内壁涂层吸收，也有设计者采用反射式或者反射折射吸收混合式设计，目的都是为了缩小遮光罩尺寸。然而具有遮光罩的星敏感器在尺寸和重量方面始终存在偏大的问题，本发明提出了一种无遮光罩的星敏感器技术方案，这种方案彻底不用外遮光罩消除太阳等天体杂光，而是采用一种光纤面板作为光线方向滤光器，在光学系统内部消除杂光，解决了遮光罩尺寸和重量偏大带来的问题，同时提供了一种新型星敏感器设计方案，免除遮光罩设计带来的优势和效益将是巨大的。

现有技术中有遮光罩星敏感器不足：

(1)遮光罩在星敏感器外部，尺寸重量较大，带来发射成本增加和星上安装的不便；

(2)外遮光罩消杂光能力不足。主要体现在杂光抑制角距离视场角较远，一般都在10°以上。

发明内容

本发明的目的就是提供一种无遮光罩星敏感器技术方案，克服以往星敏感器消杂光特性依赖遮光罩带来的成本大和安装不便的问题。本发明是通过以下技术方案实现的：

一种无遮光罩星敏感器，包括整机结构、光电探测器及其成像电路、数据信息处理电路、软件、输入输出接口，其特征在于：进一步的还包括内消光光学系统，可依赖内消光光学系统实现无遮光罩设计；所述内消光光学系统括光学成像镜头1、消杂光光纤面板2和光电探测器3三部分；在焦平面处引入消杂光光纤面板2前端面，在消杂光光纤面板2的出口端面密贴光电探测器3；所述消杂光光纤面板2、光电探测器3感光面与光学成像镜头1光轴垂直。

进一步的，所述光学成像镜头1是一种具有像方远心光学系统结构的普通星敏感器光学系统，其成像弥散斑能量的80%集中于直径为2个至3个光电探测器像素尺寸的圆内，具有小于5%的畸变差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范围的后截距，具有多片(5片、6片、7片、8片可选)分离镜片，具有从0.45微米到可近红外0.9微米的光谱段（谱段边界可为0.45微米~0.85微米，0.5微米~0.8微米，0.5微米~0.85微米，并在此边界基础上再允许边界在±0.05微米内略微调整），光学镜头的F数在4到1.2之间。

进一步的，所述消杂光光纤面板2由若干具有(5-20)mm长度的光纤并齐紧密排列而成，可以成圆形，也可根据需要和探测器形状，制成方形等形状。所有光纤等长排列，光纤面板的厚度就等于每根光纤的长度，所有的光纤两个端面均分别对齐，构成两个合成的大面积有效端面，原则上两个大的有效端面是以小于10角秒的公差平行分布，当光学图像在一个大端面进入后，经过光纤内部多次反射，在另一个大端面出射，这样相当于把光学成像面平移了光纤面板厚度的距离。

光纤面板采用的单根光纤直径一般可在6微米左右，有的在5微米和4微米左右，还可以采用7微米和8微米的光纤，视需求而定，目前的工艺制作这样的光纤是没问题的。光纤面板的端面口径现有工艺可以达到从几个厘米到几十个厘米。光纤面板的后端面与探测器光敏面的固定采用粘接方式，采用光学树脂胶即可，除了胶粘外，还要采用机械辅助固定，现将光纤面板的边缘装在金属框架里，再与探测器之间保持一定的安装调整手段即可。

进一步的，所述光电探测器为APS CMOS或者CCD成像器件，并取下其前端的入射窗口。探测器窗口取下的方法有多种，一种是直接用刀片沿着窗口粘贴缝隙割下，一种是用溶剂把窗口粘结胶融化下来。

进一步的，所述消杂光光纤面板2 的厚度不小于光学镜头F数与有效端面直径乘积的2倍。

进一步的，所述消杂光光纤面板2不限定长度，内部的光纤之间缝隙填充黑色吸光材料，以防超过光纤全反射临界孔径入射的光线漏出光纤后进入像面。

光学成像镜头的安装与已有技术相同，光纤面板和探测器的安装是通过光学粘接胶和结构辅助支撑固定在探测器基座上，这样本发明的成像结构可设计可安装，因此是可实施的。

光学成像镜头的半视场是ω，焦距是f′，消杂光光纤面板的端面直径为D，探测器的对角线尺寸一般不大于D。并且。

内消光光学系统能够消除外杂光的原理在于，采用了一个光纤面板作为光线方向滤光器，利用了光纤对于光线传播具有一定孔径角的限制，即临界孔径角α，大于临界孔径角的入射光线将不满足全反射条件而从光纤皮漏过，不能到达光纤的另一个端面出口，利用这一性质，将成像光束在像方设计成远心结构或者接近远心结构（主光线与光轴夹角不超过2°），光纤面板由大量平行排列的光纤组成，光纤的端面与主光线垂直，将光纤临界孔径角设计成与光学成像镜头同样大小的孔径角（角度公差在±0.5°），这样，当成像光束来到光纤面板时，则能够通过光纤面板达到后端面出口，当临界孔径角外的入射的光线进入光纤面板时，则从光纤外皮漏出，这样有效地阻止了大于成像孔径角的杂光光线通过，从而起到抑制杂光的作用，由于，太阳等杂光入射到光学系统后，形成的杂光光线在光纤面板的入射角一般都是大于临界孔径角的，所以都将被抑制，由于采取的是光线传播方向的抑制方法，因此杂光抑制角是接近视场角的。

本发明由于采用了消杂光光纤面板，不但使星敏感器光学系统本身具有了消杂光功能，而且还可以使得现有技术中的遮光罩尺寸和重量大幅度减小，甚至完全不用遮光罩，大幅度增强星敏感器的消杂光能力，并且减小了遮光罩得尺寸重量，节省成本和资源，更加便于星体上安装，因此其技术优势是明显的，具有很强的创造性。

附图说明

图1为无遮光罩星敏感器结构示意图，其中：

1—光学成像镜头示意结构；2—消杂光光纤面板；3—光电探测器；4—光学粘接胶；5—探测器安装电路板基座；6—光学成像镜头结构；7—镜头安装孔；8—探测器安装电路板基座孔；9—探测器驱动电路；10、11、12—图像采集与处理电路；13—二次电源电路；14—与上位机通讯接口；15—地面测试与传图接口；16—供电接口；17、18—星敏感器安装孔；19—星敏感器整机结构；20—基准镜。

具体实施方式

下面就有关本发明的技术内容及详细说明，现配合附图和所给出的实施例进行说明如下。

参看附图1，本发明提出一种利用光学系统内部设计消杂光的星敏感器，主要由内消光光学系统(1-8)、整机结构19、光电探测器及其成像电路（3，5，9）、数据信息处理电路（10，11，12）、软件、输入输出接口（14，15，16）构成，其特征在于可依赖内消光光学系统实现无遮光罩设计。内消光光学系统成像结构由光学成像镜头1、消杂光光纤面板2、光电探测器3三部分构成, 特征在于在焦平面处引入消杂光光纤面板前端面，在消杂光光纤面板的出口端面密贴光电探测器，消杂光光纤面板、探测器感光面与光学成像镜头光轴垂直。

光学成像镜头1通过安装法兰固定到整机结构19上，光纤面板2通过结构固定到探测器电路板5上，同时保证2的后端面与探测器3的感光面密贴后用光学粘接胶粘合，9、10、11、12、13分别通过各自的安装孔安装到整机结构内侧的安装平台或者内沿上，5、9、10、11、12、13各个电路板之间通过内部电缆联系，14、15、16安装固定到整机结构的相应形状通孔里，14、15、16从数据信息处理器中引出。17、18为中心对称的四个安装孔中的两个，用于星敏感器在支架或者在卫星上的安装；20是基准镜，安装于星敏感器整机结构从前方可视见部位。

所述光学镜头是一种具有像方远心光学系统结构的普通星敏感器光学系统，其成像弥散斑能量的80%集中于直径为2个至3个光电探测器像素尺寸的圆内，具有小于5%的畸变差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范围的后截距，具有多片(5片、6片、7片、8片可选)分离镜片，具有从0.45微米到可近红外0.9微米的光谱段（谱段边界可为0.45微米~0.85微米，0.5微米~0.8微米，0.5微米~0.85微米，并在此边界基础上再允许边界在±0.05微米内略微调整），光学镜头的F数在4到1.2之间；以上所述镜头一般光学设计师可以在CODE-V和ZEMAX等光学设计软件的辅助下设计出来。

所述的消杂光光纤面板由若干具有一定长度的光纤并齐紧密排列而成，所有光纤等长排列，光纤面板的厚度就等于每根光纤的长度，所有的光纤两个端面均分别对齐，构成两个合成的大面积有效端面，原则上两个大的有效端面是以一定的公差平行分布，当光学图像在一个大端面进入后，经过光纤内部多次反射，在另一个大端面出射，这样相当于把光学成像面平移了光纤面板厚度的距离。光纤面板的厚度确定可有两种方式，一种是不小于光学镜头F数与有效端面直径乘积的2倍，另一种方式是不限定长度，但是应在光纤面板内部的光纤之间缝隙填充黑色吸光材料，以防超过光纤全反射临界孔径入射的光线漏出光纤后进入像面。光纤面板的厚度确定可有两种方式，一种是不小于光学镜头F数与有效端面直径乘积的2倍，另一种方式是不限定长度，但是应在光纤面板内部的光纤之间缝隙填充黑色吸光材料，以防超过光纤全反射临界孔径入射的光线漏出光纤后进入像面。光纤面板采用的单根光纤直径一般可在6微米左右，有的在5微米和4微米左右，还可以采用7微米和8微米的光纤，视需求而定，目前的工艺制作这样的光纤是没问题的。光纤面板的端面口径现有工艺可以达到从几个厘米到几十个厘米。光纤面板的后端面与探测器光敏面的固定采用粘接方式，采用光学树脂胶即可，除了胶粘外，还要采用机械辅助固定，现将光纤面板的边缘装在金属框架里，再与探测器之间保持一定的安装调整手段即可。

所述光电探测器是一种普通的APS CMOS或者CCD成像器件，也可以是红外和紫外等其它器件，所不同的是前端的入射窗口需要取下。探测器窗口取下的方法有多种，一种是直接用刀片沿着窗口粘贴缝隙割下，一种是用溶剂把窗口粘结胶融化下来。

实施例

参看附图1，本发明提出一种利用光学系统内部设计消杂光的无遮光罩星敏感器，主要由内消光光学系统(1-8)、整机结构19、光电探测器及其成像电路（3，5，9）、数据信息处理电路（10，11，12）、软件、输入输出接口（14，15，16）构成，其特征在于可依赖内消光光学系统实现无遮光罩设计。内消光光学系统成像结构由光学成像镜头1、消杂光光纤面板2、光电探测器3三部分构成, 特征在于在焦平面处引入消杂光光纤面板前端面，在消杂光光纤面板的出口端面密贴光电探测器，消杂光光纤面板、探测器感光面与光学成像镜头光轴垂直。

光学成像镜头性能参数确定：视场2ω=15°；焦距f′=64mm，相对孔径=1/2，光谱段0.45微米~0.85微米，具有像方远心光学系统结构，其成像弥散斑能量的80%集中于直径为2个至3个光电探测器像素尺寸的圆内，具有小于1%的畸变差，具有小于1/3像素的倍率色差，具有8mm范围的后截距，具有7片分离镜片。

光纤面板有效端面直径18mm，厚度为5mm，光纤直径为6微米，光纤之间隙填充黑色吸光物质，探测器感光面尺寸为11mm×11mm，光学粘接胶采用光学环氧胶。

探测器主要采用APS CMOS器件、CCD器件、红外探测器、紫外探测器中的一种，为了能够使得探测器感光面和光纤面板出口端面密贴结合，一般把探测器窗口剥离去掉。

探测器成像电路主要包括探测器板、探测器驱动电路、与数据信息处理电路的内部接口电路；数据信息处理电路主要包括图像数据采集电路、数据存储与数据处理器电路、通讯电路；数据接口主要由接插件通过电缆与数据信息处理电路输出接口联接，完成数据通讯、传输和星敏感器供电。探测器成像电路和数据信息处理电路一般在一个整机结构内安装，这样的结构称为一体化结构，还有一种是分离安装，二者通过图像数据传输电缆连接，这样的结构称为分体式结构，本发明对此不加限定。数据通讯接口可以是标准的RS232、RS422、MIL 1553B等等，电源接口可以是28V~50V间的任何一种。

上述的说明，仅为本发明的实施例而已，非为限定本发明的实施例；凡熟悉该项技艺的人士，其所依本发明的特征范畴，所作出的其它等效变化或修饰，如尺寸大小、材料选择、或形状变化等，皆应涵盖在以下本发明所申请专利范围内。

Claims (3)

1.一种无遮光罩星敏感器，包括整机结构、光电探测器及其成像电路、数据信息处理电路、软件、输入输出接口，其特征在于：进一步的还包括内消光光学系统，可依赖内消光光学系统实现无遮光罩设计；所述内消光光学系统括光学成像镜头(1)、消杂光光纤面板(2)和光电探测器(3)三部分；在焦平面处引入消杂光光纤面板(2)前端面，在消杂光光纤面板(2)的出口端面密贴光电探测器(3)；所述消杂光光纤面板(2)、光电探测器(3)感光面与光学成像镜头(1)光轴垂直；

所述消杂光光纤面板(2)由若干光纤并齐紧密排列而成，所述光纤临界孔径角等于光学成像镜头(1)的孔径角；

所述光学成像镜头(1)是一种具有像方远心光学系统结构的普通星敏感器光学系统，其成像弥散斑能量的80％集中于直径为2个至3个光电探测器(3)像素尺寸的圆内，具有小于5％的畸变差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范围的后截距，具有多片分离镜片，具有从0.45微米到可近红外0.9微米的光谱段，光学镜头的F数在4到1.2之间；

所述消杂光光纤面板(2)的厚度不小于光学镜头F数与有效端面直径乘积的2倍或不限定所述消杂光光纤面板(2)的厚度同时在所述消杂光光纤面板(2)的光纤之间缝隙填充黑色吸光材料。

2.如权利要求1所述一种无遮光罩星敏感器，其特征在于：所述消杂光光纤面板(2)中的光纤等长排列，所述光纤长度的取值范围为5～20mm，所有的光纤两个端面均分别对齐，构成两个合成的大面积有效端面，原则上两个大的有效端面是以小于10角秒的公差平行分布，当光学图像在一个大端面进入后，经过光纤内部多次反射，在另一个大端面出射，这样相当于把光学成像面平移了光纤面板厚度的距离。

3.如权利要求1所述一种无遮光罩星敏感器，其特征在于：所述光电探测器为APS CMOS或者CCD成像器件，并取下其前端的入射窗口。