CN107677264A - 一种反射式星敏感器 - Google Patents

Abstract

一种反射式星敏感器，包括离轴三反射式光学系统、遮光罩、探测器、信息处理器，光学系统为带有中间像光栏和里奥光栏的离轴三反射镜系统，探测器为固体成像器件，信息处理器为嵌入式类型的具有采集、存储探测器所成的光电数字图像并计算输出姿态信息的系统。本发明的星敏感器同时具备了现有技术所不能同时具备一系列优点，诸如无色差带来的星敏感器低频误差、采用接近零热膨胀系数的光机材料所带来的极小光轴热漂移、采用中间像光栏和里奥光栏带来的消杂光方便性等等。

Description

一种反射式星敏感器

技术领域

本发明涉及一种反射式星敏感器，可应用于航天器姿态测量和旋转角速率测量领域。

背景技术

目前对于航天器的姿态测量经常使用星敏感器，这种敏感器的主要原理是：利用恒星位置相对于惯性空间基本不动的规律，通过对一个天区的恒星光电成像获取星图，再星图进行处理和识别得到测量敏感器光轴在惯性空间指向，经过星敏感器在航天器安装坐标系与航天器姿态坐标系的转换即可得到航天器的三轴姿态。

现有技术中，星敏感器硬件包括遮光罩、光学系统(镜头)、电子学系统、电器和结构接口。电子学系统有包括探测器成像组件、信息处理单元、电源模块、内部外部电连接。星敏感器的主要技术指标包括三轴测角精度、数据更新率、杂光抑制能力等，星敏感器的数据更新率指标是每秒钟能够输出的姿态信息的更新次数，一般目前大多数星敏感器的数据更新率是10Hz左右。以往技术中，星敏感器光学系统一般都采用透射式光学系统，在透射式光学系统中也有采用折射衍射的设计方案的。折反射或者反射式光学系统虽然有学者研究，但是真正应用到星敏感器产品中的却很少。

现有技术主要存在的不足如下：

(1)透射式光学系统普遍存在色差，其倍率色差引起的星敏感器低频误差是难以消除的，而低频误差是影响星敏感器实现甚高精度的主要误差。

(2)受到色差校正能力和星点尺寸大小的限制，现有透射式星敏感器所采用的透射式光学系统的工作谱段不能太宽，太宽的工作谱段会引起较大的倍率色差和星点像斑尺寸的增大，不能满足星敏感器设计要求，此外工作谱段的缩小导致星敏感器灵敏度降低、探测器的量子效率不能得到充分发挥、恒星星表的光谱型范围受到限制。

(3)现有透射式星敏感器的遮光罩尺寸重量较大，消杂光能力受到一定限制，镜头内部消杂光手段有限。

(4)现有透射式星敏感器光学系统由于透镜的热光学特性受到温度场的变化难以消除，通过光机结构热补偿的手段有限，在工作环境温度场变化时会引起成像星点的位置漂移，导致星敏感器光轴指向漂移。

发明内容

本技术发明解决的问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种反射式星敏感器，保证了整机热稳定性和光轴漂移最小化；采用全反射式光学系统，消除由于色差导致的星敏感器低频误差，使得星表恒星可选范围扩大，使得探测灵敏度提高，利用中间像场光栏和实出瞳处里奥光栏以及内部消杂光光栏，消除太阳等外部杂光对成像干扰

本发明的技术解决方案是：一种反射式星敏感器，包括孔径光栏、主反射镜、次反射镜、第三反射镜、光电探测器、中间像光栏、信息处理器、第一段遮光罩、第二段遮光罩、第三段遮光罩、第四段遮光罩、支撑结构、里奥光栏；恒星目标光线从孔径光栏进入，经过第一段遮光罩，进入主反射镜，经过主反射镜反射后的光线经过第二段遮光罩，到达次反射镜；由次反射镜反射后的光线依次经过中间像光栏和第三段遮光罩，到达第三反射镜，中间像光栏位于第三段遮光罩前端入口处；由第三反射镜反射后的光线经过里奥光栏和第四段遮光罩到达光电探测器，在光电探测器的感光面上成像，里奥光栏位于第四段遮光罩中部实出瞳位置处；信息处理器采集并储存光电探测器输出的数字图像；孔径光栏、主反射镜、次反射镜、第三反射镜、光电探测器、信息处理器、第一段遮光罩、第二段遮光罩、第三段遮光罩、第四段遮光罩安装在支撑结构上。

所述第一段遮光罩、第二段遮光罩、第三段遮光罩、第三段遮光罩的内部表面喷消光黑漆，吸光系数不小于97％。

所述主反射镜为凹面的非球面反射镜，非球面的次数等于或高于二次。

所述的次反射镜为凸面反射镜，为非球面或球面，当是非球面时，非球面的次数等于或高于二次。

所述的第三反射镜为凹面非球面反射镜，非球面的次数等于或高于二次。

所述主反射镜、次反射镜或第三反射镜的材料为微晶玻璃、熔石英、德国ULE、SiC或殷钢。

所述支撑结构的材料为殷钢、钛合金或铝基SiC。

还包括像增强器，像增强器位于里奥光栏、光电探测器之间，像增强器的成像荧光屏与光电探测器光敏面重合。

还包括光纤光锥，光纤光锥位于里奥光栏、光电探测器之间；光纤光锥的前端面与光线经过里奥光栏之后的成像面重合，后端面与光电探测器光敏面重合。

还包括光纤光锥、像增强器，光纤光锥、像增强器位于里奥光栏、光电探测器之间；光纤光锥的前端面与光线经过里奥光栏之后的成像面重合，后端面与像增强器的光电阴极感光面重合；像增强器的成像荧光屏与光电探测器光敏面重合。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明克服现有技术中星敏感器透射式光学系统存在倍率色差所导致的星点质心位置光谱变化，从而消除由于色差导致的星敏感器低频误差，星敏感器的低频误差是星敏感器测量中存在的短周期误差，主要由于探测器的离散性和各个光谱型恒星在不同视场或同一视场的星点位置不确定性误差引起，是很难消除的一种误差，反射式星敏感器不存在色差，所以不同光谱的恒星在同一视场成像形状是一样的，因此可以消除这种光谱导致的不确定性误差，有利于低频误差的减小。

(2)本发明克服现有技术中所摄取恒星的光谱范围受到光学系统光谱透过的限制，可充分利用探测器的光谱响应区域，使得星表恒星可选光谱型范围扩大，使得探测灵敏度提高。

(3)本发明克服现有技术中遮光罩较大的问题，利用中间像场光栏和实出瞳处里奥光栏以及内部消杂光光栏，消除太阳等外部杂光对成像干扰。克服透射式镜头对于温度场变化的耐受能力低的问题，采用全反射式光学系统，由于纯反射系统的反射镜片采用近零热膨胀系数的材料，所以镜面面型随着温度场变化很小，能保证星敏感器具有热稳定性，同时采用SiC基的结构材料，使得镜片和镜头据有相近热膨胀系数，且都很小，保证了整机热稳定性和光轴漂移最小化。

附图说明

图1为本发明反射式星敏感器的结构示意图；

图2为本发明反射式星敏感器的光学系统平面结构型式图；

图3为本发明反射式星敏感器的光学系统三维空间结构型式图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行进一步说明。

如图1、图2、图3所示，一种反射式星敏感器，包括孔径光栏1、主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、光电探测器5、探测器电路6、信息处理器电路7、中间像光栏8、信息处理器9、第一段遮光罩10、第二段遮光罩11、第三段遮光罩12、第四段遮光罩13、支撑结构14、里奥光栏15。恒星目标光线首先通过如图1的孔径光栏1，再经过第一段遮光罩10，进入主反射镜2，再经过第二段遮光罩11，到达次反射镜3，再依次经过中间像光栏8和第三段遮光罩12，到达第三反射镜4，再经过第三段遮光罩12到达第三反射镜4，再经过里奥光栏15和第四段遮光罩13到达系统实出瞳光电探测器5，在光电探测器5的感光面上恒星成像，信息处理器电路7对光电探测器5的恒星图像进行采集、存储、处理，再将星敏感器软件处理结果通过信息处理器电路盒上的通讯接口传输到上位机，主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、电路盒等均固定在支撑结构14上，主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4可先组合成一体，再安装在支撑结构14上。星敏感器通用软件在信息处理器中运行，光电探测器5和信息处理器电路7采用现有技术完成。

探测器电路6驱动光电探测器5并通过信息处理器9采集光电探测器5输出的数字图像；信息处理器电路7对光电探测器5的恒星图像进行采集、存储、处理，对恒星图像进行去噪、图像分割、星图提取、星图识别、敏感器姿态确定，并将敏感器姿态信息和角速率信息传输至外部设备。

恒星目标首先通过入射孔径光栏1，进入到主反射镜2，孔径光栏1和主反射镜2之间是第一段遮光罩10，孔径光栏1可以是圆形，也可以是圆角的矩形，取决于外形布局。主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4之间的相对位置关系是固定的，具体的相对位置尺寸参数由光学设计结果确定，离轴三反射系统中固定主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4的结构一般是采用多杆桁架结构，以达到良好的整体刚性和减轻重量，也可以采用普通的镜筒结构，不管采用哪种方案都应该具有反射镜相对位置和倾斜角的调整能力，以便三反射系统的整机装调实现。第一段遮光罩10、第二段遮光罩11、第三段遮光罩12、第三段遮光罩13分别位于主反射镜2之前、主反射镜2和次反射镜3之间、次反射镜3和第三反射镜4之间、第三反射镜4之后，其作用是消除进入孔径光栏1内部的太阳等杂光源引起的杂光。第一段遮光罩10、第二段遮光罩11、第三段遮光罩12、第三段遮光罩13的内部表面喷消光黑漆，以达到抑制杂光散射传播的目的，同时也可以起到加强结构强度的作用。中间像光栏8的位置、大小、形状由光学设计结果给出，该光栏内边缘应当制成锋利的刀口，并严格发黑，以保证降低边缘散射。里奥光栏15位于三反系统的实出瞳上，其位置、大小、形状由光学设计结果给出，该光栏内边缘应当制成锋利的刀口，并严格发黑，以保证降低边缘散射。

所述的反射式星敏感器，其光学系统是三片反射镜构成的三反系统，三块反射镜的光轴可以在一个轴上，也可以不在一个轴上，取决于光学设计结果。所述反射式星敏感器主反射镜2是一个凹面的非球面反射镜，非球面的次数可以是二次，也可以是高于二次，取决于光学设计结果。所述的次反射镜3是一个凸面的反射镜，可以是非球面，也可以是球面，当是非球面时可以是二次非球面，也可以是高次非球面。所述的第三反射镜4也是一个凹面非球面反射镜，可以是二次或者高次，均取决于光学设计的结果。

所述的反射式星敏感器，其探测光谱段完全取决于探测器的响应光谱段，一般可以包括从近紫外到近红外的宽谱段，因此使得可探测的恒星光谱型范围扩大，使得探测灵敏度增加。

所述的反射式星敏感器，因为没有色差的缘故，无论哪种光谱型的恒星，其在同一个视场成像的星点形状和位置完全相同，这样的结果可以降低星敏感器的低频误差。还可以采用固定的补偿手段对低频误差进行补偿，这是现有技术难以实现的。

所述的反射式星敏感器，其反射镜材料采用近零膨胀系数的材料，如微晶玻璃、熔石英、德国ULE、SiC等，连接和固定反射镜的结构材料也采用近零膨胀系数的材料，如殷钢、铝基SiC等，这样整个光学系统的材料热特性相匹配，且对于温度场变化的稳定能力非常高，具有很强的热稳定性。

所述的光电探测器5是具有高帧率的固体成像探测器，可以在CCD、APS CMOS等类型中选用，也可以是其它类型的阵列式光电响应成像器件，一般是专业厂家生产制造的。在光电探测器5的光谱响应范围内选择星敏感器工作的光谱段，可以是全光谱段，也可以是部分光谱段，取决于实际需要，全光谱段的运用可以提高探测灵敏度，使得星敏感器可以采用很短的曝光时间，达到很高的帧率，例如100Hz或者200Hz，这样的设计将使得反射式星敏感器既具有优于1角秒的精度，又可以使得它具备100Hz左右的数据更新率，这种性能将使得反射式星敏感器差分出姿态角速率，获得陀螺的功用。

所述的光电探测器5也可以采用ICCD(Intensified CCD)或者IAPS(IntensifiedAPS)器件，当采用这类器件时，要将像增强器出射像面和CCD或者APS耦合起来使用，一般像增强器的出射端是要通过光纤光锥导像，光纤光锥是一个由很多条单根光纤光锥排列在一起，固封而成的一个器件，主要功能是将落在一端的光学图像通过光纤光锥的传导，在其另一端显现出来，由于两端尺寸可以不同，所以可以起到放大或缩小图像尺寸的作用。

所述的像增强器光纤光锥17和光电探测器5之间采用光学透明结构胶粘接，在粘接过程中应保证光纤端点与探测器6的对应像素对齐，中心偏差不超过1/10探测器像素，超过1/10探测器像素将严重损失像面能量的传递效率，这种对齐实施方案可在长工作距显微镜下完成，其工作距应当长于光纤光锥的轴向长度，当光纤光锥出射面与探测器粘合时，用长工作距显微镜在光纤光锥入射端面观察探测器像元中心是否与光纤中心重合，显微镜的放大倍率按照人眼能分辨出探测器1/10像素的要求计算得到。

本发明成像结构中可以不采用光纤光锥17，此时成像面直接落在光电探测器5上，有探测器电路转换为电子数字图像，存储于信息处理器9的存储器中。

所述信息处理器9是一种数字信号处理器，其特点是运算速度足以支撑50帧/s以上的光电探测器5的图像帧率，同时要对于像增强器的增益电压、MEMS惯性测量组件、卫星导航接收器等外设设备进行数据接收和参数控制。其主要构成和功能与现有星敏感器技术原理类似，可以作为通用技术看待，不同点在于增加了像增强器的增益控制功能和多个外设设备的控制和数据接收存储。

实施例1：

反射式星敏感器的方案：由孔径光栏1、主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、光电探测器5、探测器电路6、信息处理器电路7、中间像光栏8、信息处理器9、第一段遮光罩10、第二段遮光罩11、第三段遮光罩12、第四段遮光罩13、支撑结构14、里奥光栏15。

恒星目标光线首先通过如图1的孔径光栏1，再经过第一段遮光罩10，进入主反射镜2，再经过第二段遮光罩11，到达次反射镜3，再依次经过中间像光栏8和第三段遮光罩12，到达第三反射镜4，再经过第三段遮光罩12到达第三反射镜4，再经过里奥光栏15和第四段遮光罩13到达系统实出瞳光电探测器5，在光电探测器5的感光面上恒星成像，信息处理器电路7对光电探测器5的恒星图像进行采集、存储、处理，再将星敏感器软件处理结果通过信息处理器电路盒上的通讯接口传输到上位机，主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4、电路盒等均固定在支撑结构14上。星敏感器通用软件在信息处理器中运行，探测器和处理器电路采用现有技术完成。

所述的反射式星敏感器，其主反射镜2是一个凹面的非球面反射镜，非球面的次数可以是二次。所述的次反射镜3是一个凸面的反射镜是非球面，且是二次非球面。所述的第三反射镜4也是一个凹面二次非球面反射镜。其光学系统是三片反射镜构成的三反系统，三块反射镜的光轴不在一个轴上。

恒星目标首先通过入射孔径光栏1，进入到主反射镜2，孔径光栏1和主反射镜2之间是第一段遮光罩10，如图3所示，孔径光栏1是圆形，主反射镜2是圆形，次反射镜3是矩形，第三反射镜4是矩形，主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4之间的相对位置关系是固定的，具体的相对位置尺寸参数如下表1：

表1相对位置尺寸参数表

离轴三反射系统中固定主反射镜2、次反射镜3、第三反射镜4的结构采用普通的镜筒结构，具有反射镜相对位置和倾斜角的调整能力，以便三反射系统的整机装调实现。第一段遮光罩10、第二段遮光罩11、第三段遮光罩12、第三段遮光罩13分别位于主反射镜2之前、主反射镜2和次反射镜3之间、次反射镜3和第三反射镜4之间、第三反射镜4之后，其作用是消除进入孔径光栏1内部的太阳等杂光源引起的杂光。第一段遮光罩10、第二段遮光罩11、第三段遮光罩12、第三段遮光罩13的内部表面喷消光黑漆，以达到抑制杂光散射传播的目的，同时也可以起到加强结构强度的作用。中间像光栏8内边缘应当制成锋利的刀口，并严格发黑，以保证降低边缘散射，中间像光栏8在次反射镜和第三反射镜之间，距离次镜20mm，形状为对称矩形，16mm×16mm，绕X轴倾斜20°，Y向偏心25.5mm,如图3所示。本实施例中光学系统设计采用美国ORA公司的CODE-V软件设计，各个光学元件的坐标系定义也采用该软件定义，沿着光轴方向为Z轴，以光线传播方向为+Z方向，迎着+Z方向向上为+Y轴，X轴与Z轴和Y轴构成右手坐标系。平移的数据符号即与上述坐标系正负对应，旋转方向为迎着各个轴的正方向顺时针为正，逆时针为负。

里奥光栏15的内边缘应当制成锋利的刀口，并严格发黑，以保证降低边缘散射，其位于三反系统的实出瞳上，其形状为圆形，内孔直径Ф15mm，Y向偏心-7.5mm,绕X轴倾斜角为-15°，如图3所示。

所述的反射式星敏感器，其探测光谱段完全取决于探测器的响应光谱段，一般可以包括从近紫外到近红外的宽谱段，采用APS探测器，其光谱响应范围是400nm～1100nm，因此使得可探测的恒星光谱型范围扩大到近紫外和近红外，使得探测灵敏度增加。

所述的反射式星敏感器，因为没有色差的缘故，无论哪种光谱型的恒星，其在同一个视场成像的星点形状和位置完全相同，这样的结果可以降低星敏感器的低频误差。还可以采用固定的补偿手段对低频误差进行补偿，这是现有技术难以实现的。

所述的反射式星敏感器，其反射镜材料采用近零膨胀系数的材SiC，连接和固定反射镜的结构材料也采用近零膨胀系数的材料铝基SiC，这样整个光学系统的材料热特性相匹配，且对于温度场变化的稳定能力非常高，具有很强的热稳定性，同时具有良好的导热性和比刚度。

光电探测器5的型号选择为CMV4000探测器，属于APS CMOS类型的探测器，它的驱动和采集电路按照现有成熟技术。所采用的信息处理器采用DSP TMS320C6455，带有4M急速存储空间，带有512M高速内存空间，主频率最高达1.2GHz,独立的64bit的EMIF总线接口。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种反射式星敏感器，其特征在于，包括孔径光栏(1)、主反射镜(2)、次反射镜(3)、第三反射镜(4)、光电探测器(5)、中间像光栏(8)、信息处理器(9)、第一段遮光罩(10)、第二段遮光罩(11)、第三段遮光罩(12)、第四段遮光罩(13)、支撑结构(14)、里奥光栏(15)；恒星目标光线从孔径光栏(1)进入，经过第一段遮光罩(10)，进入主反射镜(2)，经过主反射镜(2)反射后的光线经过第二段遮光罩(11)，到达次反射镜(3)；由次反射镜(3)反射后的光线依次经过中间像光栏(8)和第三段遮光罩(12)，到达第三反射镜(4)，中间像光栏(8)位于第三段遮光罩(12)前端入口处；由第三反射镜(4)反射后的光线经过里奥光栏(15)和第四段遮光罩(13)到达光电探测器(5)，在光电探测器(5)的感光面上成像，里奥光栏(15)位于第四段遮光罩(13)中部实出瞳位置处；信息处理器(9)采集并储存光电探测器(5)输出的数字图像；孔径光栏(1)、主反射镜(2)、次反射镜(3)、第三反射镜(4)、光电探测器(5)、信息处理器(9)、第一段遮光罩(10)、第二段遮光罩(11)、第三段遮光罩(12)、第四段遮光罩(13)安装在支撑结构(14)上。

2.根据权利要求1所述的一种反射式星敏感器，其特征在于，所述第一段遮光罩(10)、第二段遮光罩(11)、第三段遮光罩(12)、第三段遮光罩(13)的内部表面喷消光黑漆，吸光系数不小于97％。

3.根据权利要求1或2所述的一种反射式星敏感器，其特征在于，所述主反射镜(2)为凹面的非球面反射镜，非球面的次数等于或高于二次。

4.根据权利要求3所述的一种反射式星敏感器，其特征在于，所述的次反射镜(3)为凸面反射镜，为非球面或球面，当是非球面时，非球面的次数等于或高于二次。

5.根据权利要求4所述的一种反射式星敏感器，其特征在于，所述的第三反射镜(4)为凹面非球面反射镜，非球面的次数等于或高于二次。

6.根据权利要求1或2所述的一种反射式星敏感器，其特征在于，所述主反射镜(2)、次反射镜(3)或第三反射镜(4)的材料为微晶玻璃、熔石英、德国ULE、SiC或殷钢。

7.根据权利要求6所述的一种反射式星敏感器，其特征在于，所述支撑结构(14)的材料为殷钢、钛合金或铝基SiC。

8.根据权利要求1所述的一种反射式星敏感器，其特征在于，还包括像增强器(16)，像增强器(16)位于里奥光栏(15)、光电探测器(5)之间，像增强器(16)的成像荧光屏与光电探测器(5)光敏面重合。

9.根据权利要求1所述的一种反射式星敏感器，其特征在于，还包括光纤光锥(17)，光纤光锥(17)位于里奥光栏(15)、光电探测器(5)之间；光纤光锥(17)的前端面与光线经过里奥光栏(15)之后的成像面重合，后端面与光电探测器(5)光敏面重合。

10.根据权利要求1所述的一种反射式星敏感器，其特征在于，还包括光纤光锥(17)、像增强器(16)，光纤光锥(17)、像增强器(16)位于里奥光栏(15)、光电探测器(5)之间；光纤光锥(17)的前端面与光线经过里奥光栏(15)之后的成像面重合，后端面与像增强器(16)的光电阴极感光面重合；像增强器(16)的成像荧光屏与光电探测器(5)光敏面重合。