CN105606091A - 全天时干涉测量星敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全天时干涉测量星敏感器，包括：运动干涉条纹产生装置，其可以通过对入射光波面分波前并利用光学移频器或者移相器引入两束光的频率差或相位差，实现目标光在探测器表面形成运动干涉条纹；探测器，其可对接收到的信号利用微弱信号检测技术进行检测，实现从强天空背景中探测暗弱目标。本发明利用小角直径目标具有更好空间相干性原理和弱信号提取技术，实现全天时对高星等暗弱目标的探测。

Description

全天时干涉测量星敏感器

技术领域

本发明涉及光学跟踪设备及星敏感器技术领域，具体涉及一种全天时干涉测量星敏感器。

背景技术

光学跟踪技术是一个应用很广泛的通用技术。可用于激光束的精确指向、飞行平台的位置和姿态保持以及大口径光电望远镜的高精度跟瞄等等。恒星跟踪设备，通常被称为星敏感器，通过探测较大区域的星场分布从而获得飞行器(卫星等)的位置和姿态信息。

传统的星敏感器一般利用光学镜头将星光会聚到阵列探测器的靶面，白天探测时，100mm口径的光电望远镜只能探测到亮度约5M_V(5等星)的恒星。白天可利用的亮度为5等星以下的恒星数较少，不利于飞行器的导航，发射激光束的精确指向以及大口径望远镜的精确跟瞄等应用。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的技术问题，提供一种利用干涉测量的方法区分星光(小角直径)和天空背景(大角直径)的全天时干涉测量星敏感器。本发明可使目标星的信号在频域搬移到天空背景较弱的频率位置，从而实现白天高星等探测，预期可比传统星敏感器的探测灵敏度高两个星等以上。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

全天时干涉测量星敏感器，包括：

运动干涉条纹产生装置，其可以通过对入射光波面分波前并利用光学移频器或者移相器引入两束光的频率差或相位差，实现目标光在探测器表面形成运动干涉条纹；

探测器，其可对接收到的信号利用微弱信号检测技术进行检测，实现从强天空背景中探测暗弱目标。

在上述技术方案中，所述光学移频器或者移相器可利用声光效应、电光效应或者磁光效应，使两束光产生频率或者相位的差异，从而引起两束光所形成的干涉条纹的运动。

在上述技术方案中，所述探测器为点探测器或者阵列探测器。

在上述技术方案中，所述探测器的独立探测像元尺寸与干涉条纹的亮条纹宽度接近。

在上述技术方案中，所述探测器对接收到的信号利用微弱信号检测技术进行检测，具体为：

以同步相干检测技术中的锁定放大器或锁相放大器以实现微弱电信号的提取。

在上述技术方案中，所述探测器对接收到的信号利用微弱信号检测技术进行检测，具体为：

以取样积分技术中的取样积分器或门积分器或多点信号平均器以实现微弱电信号的提取。

在上述技术方案中，所述运动干涉条纹产生装置包括：滤光片、偏振器件、两个声光移频器和光学镜头；所述探测器为阵列探测器；其中：

目标光和天空背景光可同时入射到滤光片，经过滤光片将目标光谱范围之外的天空背景光滤除；

通过偏振器件，可将目标光和天空背景光变成线偏振光；

目标光经过两个声光移频器后的一级衍射光在远场可形成运动的干涉条纹；

两个声光移频器输出的光波经过光学镜头会聚在焦面处，焦面放置阵列探测器。

在上述技术方案中，所述运动干涉条纹产生装置包括：滤光片、偏振器件、加交流电压的泡克尔盒、不加电压的泡克尔盒和光学镜头；所述探测器为阵列探测器；其中：

目标光和天空背景光可同时入射到滤光片，经过滤光片将目标光谱范围之外的天空背景光滤除；

通过偏振器件，可将目标光和天空背景光变成线偏振光；

目标光经过两个泡克尔盒后的光波在远场可形成运动的干涉条纹；

两个泡克尔盒输出的光波经过光学镜头会聚在焦面处，焦面放置阵列探测器。

本发明具有以下的有益效果：

本发明利用小角直径目标具有更好空间相干性原理和弱信号提取技术(目标干涉条纹的调制和解调)，实现全天时(尤其是白天)对高星等暗弱目标的探测。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1全天时干涉测量星敏感器的结构示意图。

图2小角直径目标和天空背景在阵列探测器靶面的会聚光斑及光斑的横向光强分布示意图。

图3小角直径目标和天空背景的辐射光的频谱分布示意图。

图4阵列探测器靶面测量信号处理和图像重构示意图。

图5天空星场和阵列探测器靶面上的星场的像。

图6采用泡克尔盒的干涉测量星敏感器的结构示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

接收光通过分波前的方式分成两路，利用两个光学移频器或者移相器(改变光束的频率或者相位)将两束光的频率或者相位调整为彼此间具有一个固定的频率差或者相位差。然后通过光学透镜会聚在焦面。在焦平面上，放置探测器。会聚光束在探测器靶面形成较小的光斑。该过程的描述如图1所示。

根据部分相干光原理，小角直径目标的远场空间相干性优于大角直径目标，由于自然星和人造卫星等目标的角直径较小，远小于天空背景的等效角直径，故自然星等待测目标经分波前后，再经过两个光学移频器或者移相器后，可以在远场形成干涉条纹，即在阵列探测器靶面形成的光斑具有条纹起伏分布，而天空背景则无法形成干涉条纹，只能在靶面形成均匀的光斑。目标光和天空背景在焦面处形成的光斑如图2所示。

当两个光学移频器或者移相器均不工作或移频频率相等或移相相位相等时，待测目标光通过光学移频器或者移相器后的两束光，经过光学透镜会聚在焦平面，形成稳定的干涉条纹。当两个光学移频器或者移相器具有一个固定的移频频率差或者移相相位差时，使得星光干涉条纹产生周期性扫描运动，即星光干涉条纹受到周期性调制，调制频率设为F_M。

天空背景光的频域分布特点是具有很强的零频分量和近似均匀的全谱段分布，一般来说白天全谱段分布幅值远大于夜间。当目标光的能量被集中调制到某频率值(带宽很窄，一般远小于1Hz)时，该频率位置处的信号光幅值可为天空背景(噪声)的几倍以上，从而实现从强背景中提取弱信号。天空背景光在白天和夜间的频谱分布以及受调制后的目标信号频谱分布如图3所示。

对阵列探测器上所有像素的输出信号均进行解调，如果发现某个区域的若干像素的解调信号幅值明显大于其它区域，则实现在视场中发现目标。在发现目标的区域中选择解调信号幅值最大的像素，则该像素在阵列探测器中所处的位置代表目标与星敏感器视轴的偏离量。如果在物方视场中有多颗星，则在阵列探测器靶面上的多个区域具有较强的解调信号幅值，从而实现对多颗星组成的星座的探测。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

采用声光移频器的干涉测量星敏感器的基本结构如图1所示，包括滤光片3、偏振器件4、声光移频器5和声光移频器6、光学镜头7和阵列探测器8。图1显示了目标光和天空背景光1和星敏感器的光轴2。

目标光和天空背景光1同时入射到滤光片3，经过滤光片3，可将目标光谱范围之外的天空背景光滤除，提高信噪比。由于同一偏振方向的光波才对形成干涉条纹有用，所以通过偏振器件4，将目标光和天空背景光1变成线偏振光。当声光移频器5和声光移频器6的电极加驱动电信号时，压电换能器将电信号变成超声波，在声光移频器内形成超声行波场或驻波场，从而改变晶体材料的折射率，形成类似光栅的折射率分布，进而改变入射光的频率。当两个声光移频器所加电信号频率稍有差别时，根据声光效应，一级衍射光的频率也发生相应的变化，光频差等于电信号频率差。这时目标光经过两个声光移频器后的一级衍射光在远场可形成运动的干涉条纹，而天空背景光却只能形成近似均匀的光强分布。两个声光移频器输出的光波经过光学镜头7会聚在焦面处，焦面放置阵列探测器8。目标光在阵列探测器靶面形成较小的具有条纹起伏的光斑，天空背景则在全靶面形成近似均匀的光强分布，如图2显示了目标光形成的具有条纹分布的光斑9，天空背景光形成的充满靶面的近似均匀的光强分布10，目标光斑的光强横向分布11，以及天空背景光在靶面的光强横向分布12。

干涉测量星敏感器之所以比传统星敏感器具有更高探测灵敏度，可探测更高星等目标，是源于具有从强天空背景噪声中提取弱目标信号的能力，原理如图3所示。

白天天空背景具有很强的直流噪声13，白天散粒噪声14则在全频谱范围内基本均匀分布，在某固定频率处(带宽很窄，一般远小于1Hz)幅值并不高。夜间天空背景噪声15也是在全频谱范围内基本均匀分布，比白天噪声弱很多。目标信号16被调制后避开很强的直流噪声，在调制频率f_M处强于背景噪声，故可实现从强背景噪声中提取弱目标信号。

具体提取方式如图4所示。星敏感器头17的阵列探测器8中的每个像素均对应一组带通滤波器18和同步相关检测器19。其中带通滤波器18将目标光调制频率f_M以外的天空背景光滤除，只容许频谱很窄的目标光通过，大大提高信噪比。同步相关检测器19将调制频率为f_M的时域变化信号解调为频域的直流信号，经过低通滤波器20将直流信号筛选出来，再次提高信噪比。阵列探测器8中的每个像素对应的直流信号经计算机21处理后，重构阵列探测器8所探测到的目标分布。

该星敏感器可在白天探测较大视场范围内的星座分布，并且可探测得到较高星等的星体，故在阵列探测器8的靶面探测到的星场分布比传统星敏感器多。星场探测如图5所示，其显示了天空星座分布22，干涉探测星敏感器23，以及阵列探测器靶面获得的星座分布图像24。根据阵列探测器靶面星体光斑质心相对系统光轴即靶面中心的偏离量，即可获得目标星相对探测器当前光轴姿态的偏离角度，从而实现对目标星在垂直系统光轴的横向平面内的二维坐标的粗识别。当将感兴趣的目标星通过粗识别和伺服机构实现系统光轴基本对准目标星时，通过比较横跨光轴的两个像素解调信号幅值的差异，可实现对目标星的一维精确对准。该精确对准仅限于平行两个光学移频器或者移相器所在平面的维度，另一个维度只能实现粗对准。为了实现目标星的二维精确对准，可采用两个干涉测量星敏感器，这两个星敏感器的光轴平行，各自包含的两个光学移频器或者移相器所在平面相互正交。

主要器件的详细描述如下：

滤光片3可选择窄带干涉滤光片，带宽约10nm，可有效地滤除其它波段天空背景对目标信号的干扰。透过波段可根据应用场合、阵列探测器光谱响应曲线等因素综合分析后选择。

偏振器件4可选偏振棱镜或者偏振片。

声光移频器5和声光移频器6可根据具体应用选择不同的尺寸和声光材料。

光学镜头7主要保证目标光能在阵列探测器靶面会聚成较小的光斑，具体结构形式和材料依应用场合、工作波段和像差控制要求等而定。

阵列探测器8可采用CCD或CMOS等平面阵列探测器，也可采用弱光增强型EMCCD，亦可采用光电二极管阵列PDA或者雪崩光电二极管阵列APDA。

带通滤波器18应根据目标调制频谱分布特点，尽量保证目标电信号的无损通过以及对其它频谱段天空背景电噪声的抑制。

同步相关检测器19利用和目标信号调制频率相同的参考信号，通过同步相关检测获得阵列探测器输出的电信号。

低通滤波器20的带宽尽量窄，保证信号解调后的直流项顺利通过，抑制其它频段的电噪声。

实施例2

采用泡克尔盒的干涉测量星敏感器的基本结构如图6所示，包括滤光片3、偏振器件4、加交流电压的泡克尔盒(电光晶体)25、不加电压的泡克尔盒(电光晶体)26、光学镜头7和阵列探测器8。图1中显示了目标光和天空背景光1，星敏感器的光轴2。

目标光和天空背景光1同时入射到滤光片3，经过滤光片3，可将目标光谱范围之外的天空背景光滤除，提高信噪比。由于同一偏振方向的光波才对形成干涉条纹有用，所以通过偏振器件4，将目标光和天空背景光1变成线偏振光。泡克尔盒(电光晶体)25和泡克尔盒26属于双折射光学材料，当光沿晶体传播时，晶体本身会改变光波的相位，相位变化量一般与传播距离成正比。同时当电光晶体加高压电时，根据电光效应，晶体的折射率发生变化，从而导致通过晶体的光波的相位发生相应变化，这种变化可通过合理的设计使光波相位变化与所加高压变化成线性关系。当泡克尔盒25加频率为f_M的交流电，而泡克尔盒26不加电，这时目标光经过两个泡克尔盒后的光波在远场可形成运动的干涉条纹，而天空背景光却只能形成近似均匀的光强分布。两个泡克尔盒输出的光波经过光学镜头7会聚在焦面处，焦面放置阵列探测器8。目标光在阵列探测器靶面形成较小的具有条纹起伏的光斑，天空背景则在全靶面形成近似均匀的光强分布，如图2所示，其显示了目标光形成的具有条纹分布的光斑9，天空背景光形成的充满靶面的近似均匀的光强分布10，目标光斑的光强横向分布11，以及天空背景光在靶面的光强横向分布12。

干涉测量星敏感器之所以比传统星敏感器具有更高探测灵敏度，可探测更高星等目标，是源于具有从强天空背景噪声中提取弱目标信号的能力，原理如图3所示。

白天天空背景具有很强的直流噪声13，白天散粒噪声14则在全频谱范围内基本均匀分布，在某固定频率处幅值并不高。夜间天空背景噪声15也是在全频谱范围内基本均匀分布，比白天噪声弱很多。目标信号16被调制后避开很强的直流噪声，在调制频率f_M处强于背景噪声，故可实现从强背景噪声中提取弱目标信号。

具体提取方式如图4所示。星敏感器头17的阵列探测器8中的每个像素均对应一组带通滤波器18和同步解调器19。其中带通滤波器18将目标光调制频率f_M以外的天空背景光滤除，只容许频谱很窄的目标光通过，大大提高信噪比。同步解调器19将调制频率为f_M的时域变化信号解调为频域的直流信号，经过低通滤波器20将直流信号筛选出来，再次提高信噪比。阵列探测器8中的每个像素对应的直流信号经计算机21处理后，重构阵列探测器8所探测到的目标分布。

该星敏感器可在白天探测较大视场范围内的星座分布，并且可探测得到较高星等的星体，故在阵列探测器8的靶面探测到的星场分布比传统星敏感器多。星场探测如图5所示，其显示了天空星座分布22，干涉探测星敏感器23，阵列探测器靶面获得的星座分布图像24。根据阵列探测器靶面星体光斑质心相对系统光轴即靶面中心的偏离量，即可获得目标星相对探测器当前光轴姿态的偏离角度，从而实现对目标星在垂直系统光轴的横向平面内的二维坐标的粗识别。当将感兴趣的目标星通过粗识别和伺服机构实现系统光轴基本对准目标星时，通过比较横跨光轴的两个像素解调信号幅值的差异，可实现对目标星的一维精确对准。该精确对准仅限于平行两个泡克尔盒所在平面的维度，另一个维度只能实现粗对准。为了实现目标星的二维精确对准，可采用两个干涉测量星敏感器，这两个星敏感器的光轴平行，各自包含的两个泡克尔盒所在平面相互正交。

主要器件的详细描述如下：

滤光片3可选择窄带干涉滤光片，带宽约10nm，可有效地滤除其它波段天空背景对目标信号的干扰。透过波段可根据应用场合、阵列探测器光谱响应曲线等因素综合分析后选择。

偏振器件4可选偏振棱镜或者偏振片。

泡克尔盒25和泡克尔盒26可根据具体应用选择不同尺寸的电光晶体。常见的电光晶体有KDP、KD*P、KTP和RTP等。

光学镜头7主要保证目标光能在阵列探测器靶面会聚成较小的光斑，具体结构形式和材料依应用场合、工作波段和像差控制要求等而定。

阵列探测器8可采用CCD或CMOS等平面阵列探测器，也可采用弱光增强型EMCCD，亦可采用光电二极管阵列PDA或者雪崩光电二极管阵列APDA。

带通滤波器18应根据目标调制频谱分布特点，尽量保证目标电信号的无损通过以及对其它频谱段天空背景电噪声的抑制。

同步相关检测器19利用和目标信号调制频率相同的参考信号，通过同步相关检测获得阵列探测器输出的电信号。

低通滤波器20的带宽尽量窄，保证信号解调后的直流项顺利通过，抑制其它频段的电噪声。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.全天时干涉测量星敏感器，其特征在于，包括：

运动干涉条纹产生装置，其可以通过对入射光波面分波前并利用光学移频器或者移相器引入两束光的频率差或相位差，实现目标光在探测器表面形成运动干涉条纹；

探测器，其可对接收到的信号利用微弱信号检测技术进行检测，实现从强天空背景中探测暗弱目标。

2.根据权利要求1所述的全天时干涉测量星敏感器，其特征在于，所述光学移频器或者移相器可利用声光效应、电光效应或者磁光效应，使两束光产生频率或者相位的差异，从而引起两束光所形成的干涉条纹的运动。

3.根据权利要求1所述的全天时干涉测量星敏感器，其特征在于，所述探测器为点探测器或者阵列探测器。

4.根据权利要求3所述的全天时干涉测量星敏感器，其特征在于，所述探测器的独立探测像元尺寸与干涉条纹的亮条纹宽度接近。

5.根据权利要求1所述的全天时干涉测量星敏感器，其特征在于，所述探测器对接收到的信号利用微弱信号检测技术进行检测，具体为：

以同步相干检测技术中的锁定放大器或锁相放大器以实现微弱电信号的提取。

6.根据权利要求1所述的全天时干涉测量星敏感器，其特征在于，所述探测器对接收到的信号利用微弱信号检测技术进行检测，具体为：

以取样积分技术中的取样积分器或门积分器或多点信号平均器以实现微弱电信号的提取。

7.根据权利要求1-6中的任意一项所述的全天时干涉测量星敏感器，其特征在于，所述运动干涉条纹产生装置包括：滤光片、偏振器件、两个声光移频器和光学镜头；所述探测器为阵列探测器；其中：

目标光和天空背景光可同时入射到滤光片，经过滤光片将目标光谱范围之外的天空背景光滤除；

通过偏振器件，可将目标光和天空背景光变成线偏振光；

目标光经过两个声光移频器后的一级衍射光在远场可形成运动的干涉条纹；

两个声光移频器输出的光波经过光学镜头会聚在焦面处，焦面放置阵列探测器。

8.根据权利要求1-6中的任意一项所述的全天时干涉测量星敏感器，其特征在于，所述运动干涉条纹产生装置包括：滤光片、偏振器件、加交流电压的泡克尔盒、不加电压的泡克尔盒和光学镜头；所述探测器为阵列探测器；其中：

目标光和天空背景光可同时入射到滤光片，经过滤光片将目标光谱范围之外的天空背景光滤除；

通过偏振器件，可将目标光和天空背景光变成线偏振光；

目标光经过两个泡克尔盒后的光波在远场可形成运动的干涉条纹；

两个泡克尔盒输出的光波经过光学镜头会聚在焦面处，焦面放置阵列探测器。