CN105806239B - 一种激光扫描式星敏感器离焦量检测方法 - Google Patents

一种激光扫描式星敏感器离焦量检测方法 Download PDF

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Abstract

一种激光扫描式星敏感器离焦量快速检测方法，步骤为：一、将激光器(1)对准星敏感器的光学系统(2)入瞳圆周上的一点照射，星敏感器探测器采集激光器(1)光束汇聚在星敏感器探测器上的弥散斑，记录此时激光器(1)位置a1和弥散斑位置h1；二、将激光器(1)沿光学系统(2)直径方向移动，移动距离为光学系统入瞳直径D，记录此时激光器(1)位置a2和星敏感器探测器上弥散斑位置h2；三、计算弥散斑位置h1和弥散斑位置h2间的距离Lo，判断弥散斑运动方向；四、计算星敏感器探测器相对于光学系统工程焦面(4)的离焦量Δf。本发明解决了目前无法定量测量星敏感器焦面离焦量的问题，同时可以满足快速、非接触的使用要求。

Description

一种激光扫描式星敏感器离焦量检测方法
技术领域
本发明是一种适用于星敏感器的离焦量的测试方法。
背景技术
星敏感器以恒星为测量目标，通过光学系统将恒星成像于光电转换器上，输出信号经过A/D转换送数据处理单元，经星点提取和星图识别，确定星敏感器光轴矢量在惯性坐标系下的指向，通过星敏感器在飞行器、星光导航系统及舰船的上的安装矩阵，确定其在惯性坐标系下的三轴姿态。星敏感器一般由遮光罩、光学系统、探测器组件及其电路、数据处理电路、二次电源、软件(系统软件、应用软件及星表)、主体结构和基准镜等组成。
星敏感器要正常工作，需将探测器光学敏感器准确的安装在光学系统的最佳成像面上。但由于光学系统的最佳成像面是一个虚面，无法采用机械限位等方面对其进行物理确定，只能通过更换不同厚度的调焦环，实现探测器光敏面与光学系统最佳成像面的位置调整。该调整过程称为调焦。
星敏感器调焦完成后，星敏感器可能会在力学试验、热学试验或转运等过程中焦面位置发生变化，从而导致整机性能发生变化。因此必须对星敏感器的离焦情况进行验证。
目前星敏感器的离焦量测量主要依靠星敏感器拍摄恒星模拟器图像或在调焦平台上进行，通过对星敏感器像面上的成像质量或星点尺寸的变化分析星敏感器的离焦情况。采用此类方法主要有以下问题：(1)无法定量分析星敏感器的离焦量及离焦方向，无法发现星敏感器离焦变化情况；(2)在星敏感器高低温试验或其它试验过程中，无法实时确定星敏感器是否离焦，无法对星敏感器的离焦情况进行监测；(3)在产品无法拆装时，无法对星敏感器离焦情况进行验证。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种激光扫描式星敏感器离焦量检测方法，用于星敏感器产品或其它光学成像式产品的离焦量检测，解决了目前无法定量测量星敏感器焦面离焦量的问题，同时可以满足快速、非接触的使用要求。
本发明的技术解决方案是：一种激光扫描式星敏感器离焦量检测方法，包括步骤如下：
步骤一、将激光器对准星敏感器的光学系统入瞳圆周上的一点进行照射，星敏感器探测器采集激光器光束汇聚在星敏感器探测器上的弥散斑，记录此时激光器位置a1和星敏感器探测器上弥散斑位置h1；
步骤二、将激光器沿光学系统直径方向移动，移动距离为光学系统入瞳直径D，记录此时激光器位置a2和星敏感器探测器上弥散斑位置h2；
步骤三、测量弥散斑位置h1和弥散斑位置h2间的距离差Lo，并判断弥散斑运动方向：如果弥散斑运动方向与激光器运动方向相同且|L0|＞d，则判定星敏感器探测器位于光学系统工程焦面之前；如果|L0|＜d或弥散斑运动方向与激光器运动方向相反，则判定星敏感器探测器位于光学系统工程焦面之后；
其中，d为光学系统在光学系统工程焦面上的光斑直径；当弥散斑运动方向和激光器运动方向相同时，L0为正值；当弥散斑运动方向和激光器运动方向相反时，L0为负值；所述光学系统工程焦面为平行于光学系统的理论焦面且位于理论焦面之前0～0.01mm范围内的平面；
步骤四、计算星敏感器探测器相对于光学系统工程焦面的离焦量Δf：
其中，f为光学系统的焦距，为正值。
所述激光器的中心波长为632.8nm。
所述星敏感器光学系统的入瞳为方形时，激光器的运动距离为入瞳在激光器运动方向上的边长。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明利用激光器对星敏感器探测器和光学系统之间的离焦情况进行检测，并且能够定量的计算出星敏感器探测器相对于光学系统的离焦量，方法简单，可以快速搭建测试环境，并进行快速离焦测试；
(2)本发明的星敏感器离焦量检测方法可以用于高低温试验等环境试验过程中星敏感器的离焦测试，并给出定量数据，准确性高，应用范围广，应用领域灵活；
(3)本发明的星敏感器离焦量检测方法属于非接触测量，不会对星敏感器产品造成破坏或性能变化，具有良好的安全性和应用性。
附图说明
图1为本发明的方法的原理示意图。
图2为本发明的测量过程示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明的一种激光扫描式星敏感器离焦量检测方法原理示意图。光学系统2孔径一般呈圆形，因此入射光束一般也为圆形。以在光学系统2子午平面内的光束为例，光束R1～R4经光学系统2汇聚后到达星敏感器探测器上。但由于星敏感器探测器的离焦，星敏感器探测器的位置可能位于光学系统工程焦面4前后的任意位置处。从而导致到达星敏感器探测器上的光斑尺寸发生变化。
当星敏感器探测器位置位于光学系统工程焦面4以前位置7处时，光束R1～R4分别入射到星敏感器探测器表面的不同位置处。其中光束R1经光学系统汇聚后，位置在星敏感器探测器表面hf1处，光线R2～R4分别汇聚于星敏感器探测器的hf2、hf3和hf4处。其中hf1和hf4间的距离即为光学系统2孔径内充满光束时的弥散斑直径。
由于激光器1出射光束直径极小，且激光器1准直性能较高，因此可以将激光器1的出射光束作为理想光束处理。当激光器1出射光束位于光线R1处时，其将汇聚于探测器hf1处。位于R2～R4处时，分别汇聚于hf2～hf4处。因此若激光器1由光线R1处运动至R4处时，其在星敏感器探测器表面的汇聚光斑将由hf1运动至hf4。
当星敏感器探测器位于光学系统工程焦面4之后位置8时，光线R1～R4的光斑分别位于hb1～hb4处。
由图1可以看出，当激光器1由R1运动至R4处时，其汇聚光束的运动方向与星敏感器探测器的位置有关。
如图2所示，光学系统2的最佳成像面位于光学系统2的理论焦面5处，同时为了补偿星敏感器在轨工作中空气与真空的离焦，在地面时需对使用的焦面进行预离焦，预离焦焦面称为光学系统工程焦面4，即星敏感器在地面测试或使用时的实际焦面。光学系统工程焦面4为平行于光学系统2的理论焦面5且位于理论焦面5之前0～0.01mm范围内的平面。星敏感器受到振动或温度影响后，焦面位置发生变化，焦面位置可能向前移动也可能向后移动，从而导致焦前离焦或焦后离焦。图1中，位置3为星敏感探测器在光学系统工程焦面4前的离焦位置，位置6为星敏感探测器在光学系统工程焦面4后的离焦位置，光学系统或星敏感探测器发生离焦时，星敏感探测器位置可能位于位置3～位置6间的任意位置处。
一种激光扫描式星敏感器离焦量检测方法，包括步骤如下：
步骤一、将激光器1对准星敏感器的光学系统2入瞳圆周上的一点进行照射，星敏感器探测器采集激光器1光束汇聚在星敏感器探测器上的弥散斑，记录此时激光器1位置a1和星敏感器探测器上弥散斑位置h1；激光器1的中心波长为632.8nm。
步骤二、将激光器1沿光学系统2直径方向移动，移动距离为光学系统入瞳直径D，记录此时激光器1位置a2和星敏感器探测器上弥散斑位置h2；星敏感器光学系统2的入瞳为方形时，激光器1的运动距离为入瞳在激光器1运动方向上的边长。
步骤三、测量弥散斑位置h1和弥散斑位置h2间的距离差Lo，并判断弥散斑运动方向；如果弥散斑运动方向与激光器1运动方向相同且|L0|＞d，则星敏感器探测器位于光学系统工程焦面4之前；如果|L0|＜d或弥散斑运动方向与激光器1运动方向相反，则星敏感器探测器位于光学系统工程焦面4之后；其中，d为光学系统2在光学系统工程焦面4上的光斑直径，为正值；当弥散斑运动方向和激光器1运动方向相同时，L0为正值；当弥散斑运动方向和激光器1运动方向相反时，L0为负值。
步骤四、星敏感器探测器相对于光学系统工程焦面4的离焦量Δf计算公式如下：
其中，f为光学系统2的焦距，为正值；Δf为正时，表示星敏感器探测器位于光学系统工程焦面4之前；Δf为负时，表示星敏感器探测器位于光学系统工程焦面4之后。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种激光扫描式星敏感器离焦量检测方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一、将激光器(1)对准星敏感器的光学系统(2)入瞳圆周上的一点进行照射，星敏感器探测器采集激光器(1)光束汇聚在星敏感器探测器上的弥散斑，记录此时激光器(1)位置a1和星敏感器探测器上弥散斑位置h1；
步骤二、将激光器(1)沿光学系统(2)直径方向移动，移动距离为光学系统入瞳直径D，记录此时激光器(1)位置a2和星敏感器探测器上弥散斑位置h2；
步骤三、测量弥散斑位置h1和弥散斑位置h2间的距离差Lo，并判断弥散斑运动方向：如果弥散斑运动方向与激光器(1)运动方向相同且|L0|＞d，则判定星敏感器探测器位于光学系统工程焦面(4)之前；如果|L0|＜d或弥散斑运动方向与激光器(1)运动方向相反，则判定星敏感器探测器位于光学系统工程焦面(4)之后；
其中，d为光学系统(2)在光学系统工程焦面(4)上的光斑直径；当弥散斑运动方向和激光器(1)运动方向相同时，L0为正值；当弥散斑运动方向和激光器(1)运动方向相反时，L0为负值；所述光学系统工程焦面(4)为平行于光学系统(2)的理论焦面(5)且位于理论焦面(5)之前0～0.01mm范围内的平面；
步骤四、计算星敏感器探测器相对于光学系统工程焦面(4)的离焦量Δf：
其中，f为光学系统(2)的焦距，为正值。
2.根据权利要求1所述的一种激光扫描式星敏感器离焦量检测方法，其特征在于：所述激光器(1)的中心波长为632.8nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光扫描式星敏感器离焦量检测方法，其特征在于：所述星敏感器光学系统(2)的入瞳为方形时，激光器(1)的运动距离为入瞳在激光器(1)运动方向上的边长。
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