CN109343208B - 一种星光折射星敏感器光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星光折射星敏感器光学系统，包括：第一反射镜、第二反射镜和像平面，所述第一反射镜和第二反射镜的反射面相对设置，所述第一反射镜和第二反射镜的中部均开有内孔，第一反射镜内孔与第二反射镜内孔之间设有第三反射镜，像平面位于第二反射镜反射面的后方，入射光线依次经过第一反射镜反射到达第二反射镜，第二反射镜将光反射到第三反射镜，第三反射镜将光反射形成反射光，反射光穿过第二反射镜内孔到达像平面；本发明有效获得环形360°的折射恒星观测视场，有效解决了星光折射星敏感器观测折射恒星数量有限的难题。同时在像平面前设置消杂光结构件，能够有效规避地气杂光进入到探测器像平面，降低了地气光对恒星信号的提取影响。

Description

一种星光折射星敏感器光学系统

技术领域

本发明涉及一种星敏感器光学系统，特别涉及一种星光折射星敏感器光学系统，属于光学技术领域。

背景技术

在已知的惯性导航设备中，星敏感器作为测量精度最高之一的姿态测量设备，广泛应用于空间高轨、中轨以及低轨飞行器的三轴姿态角测量。在空间观测恒星仅能够获得角度信息，无法进一步得到位置信息。近年来，随着航天技术的发展，航天飞行器在飞行过程中不仅需要获得精确地姿态角信息以保证稳定飞行，同时也需要获得惯性空间的三维位置信息，尤其在高轨飞行时对位置信息的需求更加迫切，但测量手段十分有限。恒星通过大气临边后，由于发生折射，恒星到达观测系统的角度将会偏离之前的理论位置。而且，偏折角的大小和恒星通过的大气高度密切相关。通过建立恒星偏折角与大气高度的模型关系，一旦测量得到该偏折角，就可以获得星光穿越大气的高度，通过3颗及以上的恒星就可以解算出航天飞行器的位置信息。这就是星光折射星敏感器技术。

星光折射星敏感器的核心技术是其光学系统技术。由于可供稳定观测的折射恒星所处大气高度一般为平流层，高度为10km～30km。能够通过该大气层的折射恒星数量十分有限，比如在高轨3万千米处探测折射恒星，沿地球径向方向的有效观测视场仅0.05°。为了获得尽可能多的大气临边观测视场，同时规避地球自身进入到光学系统内干扰暗弱的恒星探测，研究有效的光学系统是十分有意义的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：星光折射星敏感器观测大气临边折射恒星视场小，且易受地气光进入视场干扰恒星提取的问题。

本发明解决其技术问题的解决方案是：包括：第一反射镜、第二反射镜和像平面，所述第一反射镜和第二反射镜的反射面相对设置，所述第一反射镜和第二反射镜的中部均开有内孔，第一反射镜内孔与第二反射镜内孔之间设有第三反射镜，所述像平面位于第二反射镜反射面的后方，入射光线依次经过第一反射镜反射到达第二反射镜，第二反射镜将光反射到第三反射镜，第三反射镜将光反射形成反射光，反射光穿过第二反射镜内孔到达像平面；

所述第一反射镜为凹面高次非球面反射镜，且满足如下条件：

-0.8f’≤f’₁≤-0.5f’，e₁₂＝-1.243，B₁＝2.549E-12，C₁＝1.819E-16；

所述第二反射镜为凸面球面反射镜，且满足如下条件：

0.2f’≤f’₂≤0.34f’；

所述第三反射镜为凹面高次非球面反射镜，且满足如下条件：

-0.32f’≤f’₃≤-0.5f’，e₃₂＝0.801，B₃＝7.805E-10；

其中f’为所述光学系统的焦距，f’₁，f’₂，f’₃分别为光学系统第一反射镜、第二反射镜及第三反射镜的焦距，e₁₂，e₃₂分别为第一反射镜和第三反射镜的非球面二次系数，B₁，B₃分别为第一反射镜和第三反射镜非球面第六阶系数，C₁为第一反射镜非球面第八阶系数。

进一步，所述第二反射镜内孔与第三反射镜之间设有孔径光阑。

进一步，所述光学系统的工作光谱范围为500nm～1000nm，系统焦距为60mm，相对孔径为F/2.5，子午视场角为8.5°～9.6°。

进一步，所述第二反射镜内孔与像平面之间设有消杂光结构件，所述消杂光结构件的材质为铝合金，且所述消杂光结构件表面喷涂着消杂光黑漆。

进一步，所述消杂光结构件的横截面为三角形。

本发明的有益效果是：本发明有效获得环形360°的折射恒星观测视场，有效解决了星光折射星敏感器观测折射恒星数量有限的难题。同时在像平面前设置消杂光结构件，能够有效规避地气杂光进入到探测器像平面，降低了地气光对恒星信号的提取影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明光学系统的结构图；

图2是本发明光学系统探测折射恒星的有效视场分布示意图；

图3是本发明光学系统的能量集中度曲线图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，参照图1，一种星光折射星敏感器光学系统，包括：第一反射镜1、第二反射镜2和像平面6，所述第一反射镜1和第二反射镜2的反射面相对设置，所述第一反射镜1和第二反射镜2的中部均开有内孔，第一反射镜内孔11与第二反射镜内孔21之间设有第三反射镜3，所述像平面6位于第二反射镜2的反射面的后方，入射光线依次经过第一反射镜1反射到达第二反射镜2，第二反射镜2将光反射到第三反射镜3，第三反射镜3将光反射形成反射光，反射光穿过第二反射镜内孔21到达像平面6；

所述第一反射镜1为凹面高次非球面反射镜，且满足如下条件：

-0.8f’≤f’₁≤-0.5f’，e₁ ²＝-1.243，B₁＝2.549E-12，C₁＝1.819E-16；

所述第二反射镜2为凸面球面反射镜，且满足如下条件：

0.2f’≤f’₂≤0.34f’；

所述第三反射镜3为凹面高次非球面反射镜，且满足如下条件：

-0.32f’≤f’₃≤-0.5f’，e₃ ²＝0.801，B₃＝7.805E-10；

其中f’为所述光学系统的焦距，f’₁，f’₂，f’₃分别为光学系统第一反射镜1、第二反射镜2及第三反射镜3的焦距，e₁ ²，e₃ ²分别为第一反射镜1和第三反射镜3的非球面二次系数，B₁，B₃分别为第一反射镜1和第三反射镜3非球面第六阶系数，C₁为第一反射镜1非球面第八阶系数。

所述第一反射镜1和第二反射镜2为带孔反射镜。

作为优化，所述第二反射镜内孔21与第三反射镜3之间设有孔径光阑4。

由于采用了全反射式光学系统，不需要采用H-FK61，CaF2等昂贵的特殊材料即可避免产生较大的色差及二级光谱，从而实现宽光谱的恒星探测，提高了折射恒星的探测星等。在设计中第一反射镜1与第三反射镜3引入非球面面型，增加了像差校正的自由度，有利于校正系统的初级像差。由于光路高度折叠，在设计中控制光线的角度走向，避免光线折叠时光学元件不会遮拦光线。

凸面反射镜选择球面反射镜，避免了凸面非球面反射镜加工检测补偿器设计与制造难度大的问题，有利于降低光学系统的制造成本及装配成本。第一反射镜1和第三反射镜3可以在同一个基底材料上(如SiC)进行共基准加工，降低加工的复杂度以及装配的难度。

通过将孔径光阑4设置在第二反射镜内孔21与第三反射镜3之间，可以一次性探测环形360°视场内的折射恒星，有效解决了星光折射星敏感器7观测折射恒星数量有限的难题。根据飞行器的高度，设定相应的角度作为光学系统子午方向的视场，确保大气折射恒星在此观测视场范围。位于该视场角以外的目标信号不能到达探测器像平面6；位于有效探测视场角以内的地球区域被像平面6前设置的消杂光结构件5遮挡，确保不会成为强杂光干扰信号。

本发明中第一反射镜1、第二反射镜2和第三反射镜3组成同轴三反光学系统，采用孔径光阑4远离于第一反射镜1、且靠近像平面6能够获得环形360°的折射恒星观测视场，有效解决了星敏感器观测折射恒星数量有限的难题。同时在像平面6前设置消杂光结构件5，能够有效规避地气杂光进入到探测器像平面6，降低了地气光对恒星信号的提取影响。

作为优化，所述光学系统的工作光谱范围为500nm～1000nm，系统焦距为60mm，相对孔径为F/2.5，子午视场角为8.5°～9.6°。

本光学系统结构非常紧凑，光学系统的长度与焦距比值不超过0.4，有利于星光折射星敏感器7的小型化，特别适合重量和尺寸有严格要求的航天飞行器平台使用。

作为优化，所述第二反射镜内孔21与像平面6之间设有消杂光结构件5，所述消杂光结构件5的材质为铝合金，且所述消杂光结构件5表面喷涂着消杂光黑漆。

杂光进入光学系统后，经过多次反射，在像平面6实际成像区域偏离目标成像区域，消杂光结构件5表面的消杂光黑漆有利于吸收和阻挡杂光在像平面6成像。

作为优化，所述消杂光结构件5的横截面为三角形。

横截面为三角形的消杂光结构件5的倾斜面有利于避免杂光反射返回原光路影响正常光信号。

参考图2，对子午视场角作进一步说明如下：计算模型图如图2所示，其中H为星光折射星敏感器7所处的轨道高度，R为地球半径，O为地球球心，θ为星光折射星敏感器7特定轨道下观测折射恒星方向与重心方向的夹角，也为子午观测视场角，Δθ为恒星通过大气高度10km～30km范围时进入星光折射星敏感器7视场夹角；Ω为本发明在弧矢方向获得的探测视场；Ω₁为常规方式探测折射恒星在弧矢平面的视场角，一般远小于环形360°，S为穿过大气层的折射恒星。

当星光折射星敏感器7位于轨道高度H取32000km时，根据地球半径R为6371km，可以计算出折射恒星入射方向与地心矢量方向的夹角θ为9.55°；当位于轨道高度H取36000km时，折射恒星入射方向与地心矢量方向的夹角θ为8.64°；折射恒星越过大气高度为10km～30km，在轨道36000km处的观测夹角Δθ为0.03°。故选择子午视场角为8.5°～9.6°可以满足在轨道H取32000km～36000km对大气临边折射恒星的探测。

参考图3，图3为星光折射星敏感器光学系统的能量集中度分布，其中曲线8代表探测视场8.5°，曲线9代表探测视场9°，曲线10代表探测视场9.6°。探测视场8.5°、探测视场9°和探测视场9.6°这3个视场的能量集中度分布，均在φ30μm内能量集中度超过85％的能量，满足应用需求。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种星光折射星敏感器光学系统，其特征在于：包括：第一反射镜、第二反射镜和像平面，所述第一反射镜和第二反射镜的反射面相对设置，所述第一反射镜和第二反射镜的中部均开有内孔，第一反射镜内孔与第二反射镜内孔之间设有第三反射镜，所述像平面位于第二反射镜反射面的后方，入射光线依次经过第一反射镜反射到达第二反射镜，第二反射镜将光反射到第三反射镜，第三反射镜将光反射形成反射光，反射光穿过第二反射镜内孔到达像平面；

所述第一反射镜为凹面高次非球面反射镜，且满足如下条件：

-0.8f’ ≤ f’₁≤ -0.5f’，e₁ ²=-1.243，B₁=2.549E-12，C₁=1.819E-16；

所述第二反射镜为凸面球面反射镜，且满足如下条件：

0.2f’ ≤ f’₂≤ 0.34f’；

所述第三反射镜为凹面高次非球面反射镜，且满足如下条件：

-0.32f’ ≤ f’₃≤ -0.5f’，e₃ ²=0.801，B₃=7.805E-10；

其中f’为所述光学系统的焦距，f’₁，f’₂，f’₃分别为光学系统第一反射镜、第二反射镜及第三反射镜的焦距，e₁ ²，e₃ ²分别为第一反射镜和第三反射镜的非球面二次系数，B₁，B₃分别为第一反射镜和第三反射镜非球面第六阶系数，C₁为第一反射镜非球面第八阶系数；所述第二反射镜内孔与第三反射镜之间设有孔径光阑；所述光学系统的工作光谱范围为500nm~1000nm，系统焦距为60mm，相对孔径为F/2.5，子午视场角为8.5°~9.6°。

2.根据权利要求1所述的一种星光折射星敏感器光学系统，其特征在于：所述第二反射镜内孔与像平面之间设有消杂光结构件，所述消杂光结构件的材质为铝合金，且所述消杂光结构件的表面喷涂着消杂光黑漆。

3.根据权利要求1所述的一种星光折射星敏感器光学系统，其特征在于：所述消杂光结构件的横截面为三角形。