CN105425391B - 一种机载星敏感器光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于星敏感器技术，具体涉及一种用于机载环境的高精度小型化星敏感器的光学系统。所述机载星敏感器光学系统包括光窗、摆镜、次镜组、次镜框、主镜。其中，次镜组固定在次镜框内，次镜组与主镜组成Cassegrain两镜系统为基础的小视场会聚成像系统，光窗光轴与小视场会聚成像系统的光轴垂直。摆镜活动倾斜设置在小视场会聚成像系统的光轴上，并倾斜朝向光窗。本发明可将机载星敏感器的体积缩小至现有技术方案的一半以下，同时保证其成像保持在衍射极限状态，即同时满足了小型化和高精度的要求。此外，本发明结构简单，可靠性较高，工艺制作难度低，成本较低，能充分适应机载工作环境，易于推广应用，具有较大的实用价值。

Description

一种机载星敏感器光学系统
技术领域
本发明属于星敏感器技术，具体涉及一种用于机载环境的高精度小型化星敏感器的光学系统。
背景技术
星敏感器用来与惯性导航系统组合对载体进行定位。当前成熟的星敏感器主要用于星载/弹载和舰载领域，与本发明中机载领域应用的不同之处在于：星载/弹载星敏感器工作环境位于30km以上的高空，由于测星背景暗，使其在保证光学成像质量的前提下易实现小型化；舰载星敏感器工作环境位于水平面附近，由于舰船对设备体积、重量的要求不高，因此通过大型光学结构来保证光学成像质量。而机载星敏感器工作环境位于8000m～15000m的空中，测星背景亮度介于星载/弹载和舰载星敏感器之间，并且要求设备体积、重量足够小，特别是当机载星敏感器定位误差达到高精度导航所要求的300m(CEP)时，其光学结构的成像质量必须达到衍射极限，同时还要兼顾小型化的要求。
目前机载星敏感器在国内处于探索阶段，尚无既满足高精度，即成像质量达到衍射极限，又满足小型化要求的光学结构。当前现有的技术方案均在高精度和小型化之间权衡，要么放弃高精度，设计出未达到衍射极限的小型化光学系统，使机载星敏感器定位误差大于500m(CEP)，要么放弃小型化，对载机的安装空间提出要求。这些现有技术方案均不能满足机载环境下高精度小型化星敏感器的需求。
所了解到的现有技术机载星敏感器光学系统中的摆镜在轴向的位置由摆镜摆动到上极限位置时的下边缘光线决定，即摆镜摆动到上极限位置时的下边缘光线不能被次镜框所遮挡，使现有技术中摆镜在轴向与次镜组的距离很大，极大程度上增加了整体光学结构的体积。
发明内容
本发明的目的是：为了克服现有机载星敏感器技术中高精度与小型化之间的矛盾，提供一种能够在保证高精度的前提下，大幅减小整体体积，实现小型化的机载星敏感器光学系统。
本发明的技术方案是：一种机载星敏感器光学系统，其包括光窗1、摆镜2、次镜组3、次镜框4、主镜5，其中，次镜组3固定在次镜框4内，次镜组3与主镜5组成Cassegrain两镜系统为基础的小视场会聚成像系统，光窗1的光轴与小视场会聚成像系统的光轴垂直，摆镜2活动倾斜设置在小视场会聚成像系统的光轴上，并倾斜朝向光窗。
小视场会聚成像系统中的主镜5下部切除，形成了下部开口的马蹄形结构主镜光瞳10，其底部与次镜框4底部平齐。
所述主镜光瞳10的下部开口的内侧长度等于次镜框4的直径。
摆镜2摆动到上极限位置A时，能够将光窗后端视场A′范围的光束反射后进入小视场会聚成像系统的视场范围。
摆镜2摆动到下极限位置B时，能够将光窗前端视场B′范围的光束反射后进入小视场会聚成像系统的视场范围。
所述小视场会聚成像系统为Cassegrain系统或Ritchey-Chretien系统或Maksutov-Cassegrain系统或Schmidt-Cassegrain系统或Klevtsov-Cassegrain系统或Pan-Cassegrain系统。
本发明的有益效果是：本发明可将机载星敏感器的体积缩小至现有技术方案的一半以下，同时保证其成像保持在衍射极限状态，即同时满足了小型化和高精度的要求。此外，本发明结构简单，可靠性较高，工艺制作难度低，成本较低，能充分适应机载工作环境，易于推广应用，具有较大的实用价值。
附图说明
图1为本发明高精度小型化机载星敏感器光学系统的示意图；
其中，1-光窗，2-摆镜，3-次镜组，4-次镜框，5-主镜，6-摆镜摆动到上极限位置A时的上边缘光线，7-摆镜摆动到上极限位置A时的下边缘光线，8-摆镜摆动到下极限位置B时的上边缘光线，9-摆镜摆动到下极限位置B时的下边缘光线。
图2为本发明中主镜光瞳与现有技术中主镜光瞳的对比图；
其中，10-主镜光瞳，11-圆环形主镜光瞳。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1是本发明高精度小型化机载星敏感器光学系统的示意图。图中，所述光学系统由光窗1、摆镜2、次镜组3、次镜框4、主镜5组成。其中，A和B分别是所述摆镜2摆动的两个极限位置，光线6、7、8、9分别为所述摆镜摆动到两个极限位置时所对应两个视场A′和B′的边缘光线，同时，光线6、7所表示的光束和光线8、9所表示的光束分别为星敏感器要求的最大扫描视场的边缘视场光束。
所述光窗1由高透过率的窗口玻璃制成，安装于载机蒙皮表面，为星敏感器收集外界光。所述次镜框4用来固定次镜组3，其在主镜5上的投影形成了次镜遮拦。所述摆镜2通过摆动将不同角度入射的光线反射后进入小视场会聚成像系统的视场范围，其光瞳在主镜平面上的投影与主镜光瞳相同。
所述主镜与所述次镜组共同构成以Cassegrain两镜系统为基础衍伸出的光学系统，可以是Cassegrain系统、Ritchey-Chretien系统、Maksutov-Cassegrain系统、Schmidt-Cassegrain系统、Klevtsov-Cassegrain系统、Pan-Cassegrain系统等，用于会聚成像。其中，所述主镜光瞳为马蹄形。
所述主镜5的光瞳如图2所示，主镜光瞳10为马蹄形，马蹄开口朝下，近似于将现有技术中圆环形主镜光瞳11下部切除的形状。该马蹄形主镜光瞳的作用有以下3方面：
1、由于所述主镜5是光学系统的孔径光阑，主镜5的下部切除后，摆镜摆动到上极限位置A时的A′视场下边缘处光线7随之上移至主镜5的下边缘，因此摆镜2的下部也沿光线7切除，使本发明中光学系统的纵向高度减小，有利于小型化。
2、本发明中所述主镜5在下部切除后，形成了下部开口的马蹄形结构主镜光瞳10，主镜光瞳10的下部开口的内侧长度等于次镜框4的直径。这样，摆镜摆动到上极限位置A时的下边缘光线7将不再被次镜框4所遮挡，因此摆镜2在轴向的位置不再由光线7决定，继而可以将摆镜沿轴向移动到离次镜框4很近的位置，使光学系统的轴向长度大幅减小，有利于小型化。
3、机载星敏感器的现有技术中光学系统成像质量达到衍射极限，而成像质量由主镜和次镜组的面型与相对位置决定。当本发明把现有技术中主镜的圆环形主镜光瞳11改变为马蹄形主镜光瞳10时，主镜和次镜组的面型与相对位置都没有改变，因此本发明的光学系统成像质量仍然达到衍射极限，此时，虽然主镜光瞳10不是圆形轮廓，但在衍射的作用下形成的会聚像点仍然是圆形光斑，在小型化的同时没有丧失高精度的特性。
综上所述，本发明将现有技术中圆环形主镜光瞳11改变为马蹄形主镜光瞳10从而形成异形光学结构后，一方面直接减小了光学系统纵向高度方向的尺寸，另一方面，带来的最大效果在于间接使光学结构轴向长度大幅减小，同时，保证了成像质量仍然达到衍射极限，使机载星敏感器既保持了高精度又实现了有效的小型化。

Claims (4)

1.一种机载星敏感器光学系统，其特征在于，包括光窗(1)、摆镜(2)、次镜组(3)、次镜框(4)、主镜(5)，其中，次镜组(3)固定在次镜框(4)内，次镜组(3)与主镜(5)组成Cassegrain两镜系统为基础的小视场会聚成像系统，光窗(1)的光轴与小视场会聚成像系统的光轴垂直，摆镜(2)可摆动地倾斜设置在小视场会聚成像系统的光轴上，并倾斜朝向光窗，小视场会聚成像系统中的主镜(5)下部切除，形成下部开口的马蹄形结构主镜光瞳(10)，其底部与次镜框(4)底部平齐。
2.根据权利要求1所述的机载星敏感器光学系统，其特征在于，所述主镜光瞳(10)的下部开口的内侧长度等于次镜框(4)的直径。
3.根据权利要求2所述的机载星敏感器光学系统，其特征在于，摆镜(2)摆动到上极限位置A时，能够将光窗后端视场A′范围的光束反射后进入小视场会聚成像系统的视场范围。
4.根据权利要求3所述的机载星敏感器光学系统，其特征在于，摆镜(2)摆动到下极限位置B时，能够将光窗前端视场B′范围的光束反射后进入小视场会聚成像系统的视场范围。
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