CN107462240B - 一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，该装置在传统光学系统前加入泰伯干涉组件，该干涉组件为两块二维光栅及楔形镜组阵列组成。第二二维光栅设置于第一二维光栅的某一泰伯距离处，且第二二维光栅相对于第一二维光栅沿光轴旋转一定角度使得在通光孔径内仅得到一个莫尔条纹。楔形镜组阵列由四块相同的方形光楔组成，将光分为四个方向，最终在CCD上形成四个星点，通过探测四个星点的相对强度分布，可获得入射星光的角度变化。相对于传统的星敏感器，本发明可探测的理论精度优于0.2角秒。由于采用二维光栅，可同时探测两个方向上的角度变化，结构紧凑，体量轻巧，适用于航空航天等领域。

Description

一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置

技术领域

本发明涉及一种用于跟踪定位的星敏感器系统，尤其涉及一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置。

背景技术

星敏感器以恒星为参考基准，具有精度高、自主性强、不受轨道影响的特点，是目前所有姿态敏感器中精度最高的敏感器，可以达到角秒级。与其它姿态敏感器相比，星敏感器具有精度高、重量轻、功耗低、无漂移和工作方式多种多样等优点，新一代的星敏感器与惯性陀螺一样具有自主导航的能力，是一种优良的和有前途的姿态测量设备。星敏感器的姿态信息来自于恒星星光的方向矢量在惯性参考坐标系的指向和恒星星光方向矢量在星敏感器测量坐标系的指向。由于恒星的张角很小，经过几百年的天文观测，它们在地心惯性参考系中的方位是精确已知的。星敏感器可以提供其测量坐标系中的高精度恒星位置测量，所以测算得出的星敏感器的姿态角精度可以精确到角秒级。目前对星敏感器的研究和应用非常活跃，并已广泛应用于地球遥感、地球测绘、深空探测、行星测绘、星际通讯和洲际导弹等航空航天领域。

传统的星敏感器光学系统通过探测星点在像面上弥散圆的位置，利用光学系统的焦距计算得到星点相对于光学系统的光线入射角度，其入射光线的定位精度主要取决于光学系统的视场、探测器的阵列数，以及判断弥散圆质心的算法精度。当探测器阵列数一定时，恒星位置的测量精度与视场角大小之间是矛盾的：小的视场角可得到较高的测量精度，但视场中可捕获的导航星数量比较少，导致星敏感器星探测能力的降低，不利于星图识别和飞行器的动态性能；而大的视场角会导致测量精度变差。这种矛盾在高动态飞行的航天器中更加突出：高精度姿态确定要求采用较小的星敏感器视场角，但由于航天器的飞行动态范围大，不能保证在每一时刻视场中都能同时拍到足够的导航星。这样会限制星敏感器的星探测能力和造成姿态确定精度的下降。以全视场20度、探测器阵列数为1K×1K，判断弥散圆质心1/20像元精度为例，入射光线定位精度最高可达到2.5角秒。提高探测器的阵列数固然可以提高探测精度，但这种提升是有限的，并且会带来额外的花费。

当用单色平行光垂直照射一维光栅，在光栅后周期性距离处会出现光栅的像，这种光栅的自成像效应被称为泰伯效应。在第一块光栅的某一泰伯距离处放置第二块相同的一维光栅，并令其沿光轴旋转某个微小角度，则第二块光栅会与第一块光栅的自成像叠栅而形成一维莫尔条纹。当入射光线角度变化时，莫尔条纹会发生移动，通过测量莫尔条纹的移动可探测入射角度的变化。在光学系统前放置两个Ronchi光栅可构成干涉型星敏感器，利用莫尔条纹的移动高精度探测入射角度。然而该方法仅能探测一个轴上的角度变化，若要实现双轴探测，需要将两个单轴光栅耦合，使整体的体积重量增大。与一维光栅相同,二维光栅也存在着自成像效应，其中振幅型光栅获得整数泰伯效应,相位型光栅获得分数泰伯效应。由于相位型光栅对光强几乎没有衰减，比振幅型光栅具有更高的光利用效率，所以在光栅剪切成像系统中，多选用相位型。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，可以在不牺牲探测视场的前提下大大提升星敏感器的双轴探测精度。该装置通过在传统光学系统前加入干涉组件，利用莫尔图案的移动来探测入射角度的变化，采用二维相位光栅，不需耦合两个单轴星敏感器，即可同时测探两个方向的角度的高精密变化，体积轻巧。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，包括泰伯干涉组件、光学成像系统、与CCD；所述的泰伯干涉组件设置于光学成像系统前端，由两块相隔一定距离的二维光栅及楔形镜组阵列所组成。

进一步地，所述的泰伯干涉组件由两块相隔一定距离的二维分布光栅及楔形镜组阵列所组成。其中第二块光栅相对于第一块光栅沿光轴旋转一定角度，并位于第二块光栅的某一泰伯距离处，构成泰伯干涉仪。入射光经过两块光栅后形成横竖两组莫尔条纹，当入射光线角度发生变化时，引起莫尔条纹的移动。令第二块光栅旋转到一定角度，在通光孔径内得到一个莫尔条纹，则莫尔条纹的移动引起该孔径内光强分布的大幅变化。

进一步地，楔形镜组阵列由四块相同的方形光楔组成，四块光楔胶合在同一底板平面上，且的楔角分别朝向四个方向并胶合在一块底板上，构成一个方形的光楔阵列，该光楔阵列紧贴第二块二维光栅后表面，阵列边长大小对应于上述一个莫尔条纹的宽度。经前述泰伯干涉仪调制的光经光楔镜组后分别投向四个方向，将莫尔条纹分为四个区域，入射角度变化时四个区域对应的光强度也发现周期性变化。

进一步地，所述的两块二维光栅均采用二维的相位光栅，它可以对两个方向的光进行调制，可以进行双轴跟踪。相比于振幅光栅，二维相位光栅能对入射光波的相位进行调制，因此其光能透过率更高。

进一步地，所述的装置还包括像增强器及光纤传像器件，所述的像增强器及光纤传像器件设置于CCD前端，用于增强微弱的星光，提高探测灵敏度。

本发明中，所述的二维光栅可看作两个一维光栅的叠加，第二块光栅后面形成互相垂直的两组干涉条纹。当入射光线角度在水平方向发生变化时，水平方向的干涉条纹将沿着垂直方向移动；当入射光线角度在垂直方向发生变化时，垂直方向的干涉条纹将沿着水平方向移动。因此可同时探测两个方向上角度的变化。所述的光学成像系统将光楔阵列分开的四束光成像在焦平面阵列上，则每一个目标星可在探测器上获得四个星点，对应于光楔的四个区域，通过探测四个星点的相对强度变化，可以求解横竖两组莫尔条纹的初相位，从而可探测入射光线角度的微小变化。

在实际应用中，可以通过探测四个星点的中心坐标来对入射星进行粗定位，通过四个星点的相对强度变化获得精确定位。

本发明有益效果是：

1.本发明通过在传统光学系统前加入泰伯干涉组件，提高传统星敏感器的理论探测精度极限。对探测器的阵列数要求不高，同时能实现较大视场。

2.本发明采用二维光栅构成二维的泰伯干涉仪，无需耦合两个单轴星敏感器即可实现双轴高精度探测。结构简单，体量轻巧。

3.本发明通过四个光楔进行分光，在像面上探测四个星点的相对变化来探测单星的位置变化。不需要直接探测莫尔条纹，理论上可以探测设计视场内的每一颗恒星。

附图说明

图1是本发明装置系统示意图。

图2是本发明结构示意图。

图3是本发明所述四区域的强度变化图。

图4是本发明可采用二维光栅及对应的自成像。

图5是本发明采用某二维光栅产生的莫尔条纹图。

图6是本发明四个星点随角度变化图。

图中：第一二维光栅1、第二二维光栅2、楔形镜组阵列3、光学成像系统4、像增强器5、光纤传像器件6、CCD探测器7。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种双轴干涉型星敏感器，包括泰伯干涉组件、光学成像系统、像增强器、光纤传像器件、CCD探测器及后续的信号采集与处理系统。

如图2所示，入射星光经过第一块二维光栅1时，将会在水平和竖直两个方向上发生衍射，即对入射光进行两个方向上的调制。在某一泰伯距离处，将形成该光栅的自成像。在该处放置第二块相同的光栅2，其相对于第一块光栅1沿光轴旋转一定角度，则第二块光栅2将与第一块光栅的自成像叠加，可在第二块光栅2后面形成互相垂直的两组干涉条纹。由光学干涉原理可知，当星点入射光线角度发生变化时，将引起第二光栅2后面区域的光相位发生平移，从而引起该区域的光强度分布发生平移，因此该两组干涉条纹将随着星点入射光线角度的变化而发生移动。当入射光线角度在水平方向发生变化时，水平方向的干涉条纹将沿着垂直方向移动；当入射光线角度在垂直方向发生变化时，垂直方向的干涉条纹将沿着水平方向移动。

如图3(a)所示，调整两块光栅相对于光轴的微小偏转角，使第二块光栅后面所形成的每组干涉条纹仅包含一个条纹，并将第二块光栅2后面的区域分成A(左上)、B(右上)、C(左下)、D(右下)四个区域，则依据该四个区域光能量的变化，就可高精度感知入射光线角度的变化量。在第二块光栅2后面的四个区域中，若水平方向条纹形成上半部分为亮条纹区域、下半部分为暗条纹区域，垂直方向条纹形成左半部分为亮条纹区域、右半部分为暗条纹区域，则四个区域中的相对光强度如图3(b)所示(最大光能量归一化为1)。当星点入射光线角度在水平方向发生变化，使水平方向条纹在垂直方向移动半个条纹，则四个区域中的相对光强度如图3(c)所示。综上，当干涉条纹移动半个条纹时，四个区域中的光能量均变化了最大光能量的50％。

为了探测到第二块光栅后的干涉条纹所形成的能量，在第二块光栅后面放置2×2阵列的楔形镜组阵列3，使从干涉条纹处出射的光线，经楔形镜组阵列3偏离原视场角的四个不同方向，入射到后端的光学成像系统4，通过像增强器5增强，并通过光纤传像器件6后最终在CCD探测器7上形成四个光斑像。该四个光斑像分别为A、B、C、D四个区域光能量积分的结果。

利用星点所对应的4个光斑的能量可以求取两组交叉干涉条纹的初相位。当星点入射光线方向发生微小变化时，就会引起4个光斑的能量发生较大变化，根据四个星点的变化，可求取水平与垂直方向干涉条纹初相位的变化，从而获得干涉条纹的移动量。根据光学干涉理论，可确定星点入射光线的角度变化与干涉条纹移动之间的关系，则就可高精度获得入射光线的角度变化。

在本发明中，首先用传统方法即利用传感器像元尺寸及光学系统的焦距，依据4个星点的中心在像面上的位置变化进行星点入射角的粗定位。然后再利用4个星点的光斑能量值的变化，实现星点入射角的精密定位。

在本发明中，所使用的二维光栅，采用相位光栅，以获得更大的光能透过率。可以根据需要选取不同分布形式与不同调制深度的光栅，常用的二维相位光栅及其自成像图案见图4。(a)采用网状π相位光栅,产生棋盘状条纹；(b)采用网状π/2相位光栅,产生网状亮纹；(c)采用棋盘状π相位光栅,产生网状暗纹；(d)采用棋盘状π/2相位光栅,产生棋盘状条纹。

在本发明中，入射光线定位精度与光栅周期、两光栅间距与最大能量的探测灰度等级有关，可根据探测需要，调整这三个参数。

在本发明中，所涉及的光学元件表面需要镀增透膜，以提高光能利用率，避免形成鬼像和眩光。

在本发明中，远方的一个星点在CCD探测器7上形成了4个像点，因此每个像点的能量将缩小为原像点的四分之一。为了提高探测星点的灵敏度，利用像增强器的方式提高灵敏度。利用光纤传像器件连接，理论上可使光子探测性能提高1000倍。像增强器主要包括光阴极(Photocathode)、防离子反馈膜(Ion Barrier Film)、微通道板(Micro ChannelPlate)和荧光屏(Fluorescent Screen)。其基本原理是将微弱的光能量入射到阴极面板，基于光电转换原理，光子将能量传递给电子使其运动形成电流，电子因外界获得的能量而跃迁到更高的能阶，获得的能量越多，跃迁到的能阶也越高。电子处在较高的能阶时并不稳定，很快会把获得的能量释放回到原来的能阶。因此能量经微通道板放大，在荧光屏上激发出更强的光能。最后经传像设备将放大的光信号传输到传感器上。

在本发明中，通过光锥将像增强器输出屏和CCD直接联结起来，光锥是一种硬光纤锥形传像器件。它是依靠成千上万融合在一起的光学纤维细丝传递不同的像素实现传像功能的，所不同的是光锥纤维呈锥形结构，它提供的是一种放大的或缩小的，无畸变的图像传输。与透镜系统相比，一个2∶1的缩小像的物像距如果用光锥其长度只有12.5mm，而用透镜系统大约为75mm。如果缩小比更大，则越显示出光锥的优越性，而且没有畸变，重量轻，光学和机械性能稳定，大大减轻了系统的重量，提高了图像的清晰度。

在本发明中，楔形镜组阵列由四个完全相同的方形光楔组成，四个光楔楔角分别朝向上下左右四个方向，并胶合在一块方形底板上，用于将入射光分为四个方向。

在本发明中，由于星光较弱，应采用灵敏度较高的CCD作为探测器。

对所述的泰伯干涉组件而言，为了提高光能透过率，二维光栅采用相位光栅，相对于振幅光栅，其对光波相位进行调制。并采用光能透过率较高的材料作为基底，可通过设计相位光栅的结构，抑制高阶衍射波，抑制色散。应合理选取光楔的倾角，使四个星点分开合适的距离，利于检测分析。四个小光楔之间应紧密连接，平整地胶合在透光率高的基板板上。

对所述的光学成像系统，应合理设计其结构，选取合适的焦距。使每颗星的四个星点之间能够分开一定距离，同时使视场内各星的四个星点不互相干扰。为了提高光能利用率，应采用尽量少的镜片，光学表面应镀增透膜。

本发明的实施例及过程如下：

光学系统的光谱范围为450nm～850nm，选取光栅周期为50um，两光栅距离50mm，当莫尔条纹移动半个条纹时，入射光线的角度变化为α＝0.029°，此时干涉条纹移动半个条纹，光能量变化了最大能量的50％，若最大能量的探测灰度等级达到1000，则移动半个条纹的最大能量探测灰度等级达到500，从而利用该方法获得的光线定位精度可达α/500，即0.2″。

若采用网状分布的二维光栅，可在两块光栅后得到莫尔条纹图样如图5，即一系列网状分布的方块状条纹。旋转第二块光栅角度，即可在光楔阵列处得到一个方块状莫尔条纹。令光栅阵列的排布如下：其中左上光楔楔角朝上，右上光纤楔角朝右，右下光楔楔角超下，左下光楔楔角朝左。当入射光线角度发生变化时，四个星点的相对强度发生变化，如图6。如图6(a)，当光线正入射时，条纹水平与垂直方向的相位移动均为0，方块亮纹位于孔径中心，经四块光楔后能量四等分，因此得到的四个光斑强度相等；如图6(b)，当入射光线仅在竖直方向倾斜时，条纹在水平方向发生移动，，方块亮纹位于孔径的偏右方，因此对应于光楔阵列左半边的上光斑和左光斑偏暗，对应于光楔阵列右半边的右光斑和下光斑偏亮；如图6(c)，当入射光线在竖直方向和水平方向同时倾斜时，条纹在垂直方向和水平方向均发生移动，方块亮纹位于孔径的偏右下方，因此对应于光楔阵列右下部分的下光斑最亮，对应于光楔阵列左上部分的上光斑最暗。由于该二维的莫尔条纹可看作水平方向与垂直方向两组莫尔条纹的叠加，通过测量四个光斑的能量积分值，可求取横竖两组条纹的能量变化，该能量变化与光相位呈正弦关系，因此可通过根据能量变化曲线得到相位变化曲线。设水平或竖直方向相位变化为则可推出该方向入射角度变化为/>其中p为光栅周期，z_t为两光栅距离，代入即可求得入射光线角度变化。通过更改光栅周期和光栅距离，可进一步提高探测精度。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，包括光学成像系统和CCD，其特征在于：还包括泰伯干涉组件；泰伯干涉组件设置于光学成像系统前端，所述的泰伯干涉组件由两块相隔一定距离的二维光栅及楔形镜组阵列所组成；所述的泰伯干涉组件中第二二维光栅设置于第一二维光栅的某一泰伯距离处，构成泰伯干涉仪，且第二二维光栅相对于第一二维光栅沿光轴旋转一定角度使得在通光孔径内仅得到一个莫尔条纹；所述的楔形镜组阵列由四块相同的方形光楔组成，四块光楔胶合在同一底板平面上，且楔角分别朝向四个方向，构成一个方形的光楔阵列，该光楔阵列紧贴第二二维光栅后表面；光楔阵列的排布如下：其中左上光楔楔角朝上，右上光纤楔角朝右，右下光楔楔角朝下，左下光楔楔角朝左；

所述的装置还包括像增强器及光纤传像器件，所述的像增强器及光纤传像器件设置于CCD前端，用于增强星点探测灵敏度；所述的光学成像系统对四块光楔所分为的四个方向的光束进行聚焦，通过像增强器及光纤传像设备后，在CCD上得到四个星点，通过探测四个星点相对强度的变化求解横竖两组莫尔条纹的初相位，获得入射星光的角度变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，其特征在于：所述的两块二维光栅均采用二维的相位光栅。

3.根据权利要求1所述的一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，其特征在于：所述的光纤传像器件为光锥。