CN109375336A - 一种连续调焦星敏感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连续调焦星敏感器，包括遮光罩组件、镜头组件和电子组件，可对400～900nm波段星光会聚成像，并输出星点坐标和载体姿态。所述的镜头组件的光学系统，包含望远镜组、调焦镜组、补偿镜组和会聚镜组，完成对无穷远星光的光线会聚。由电机带动主、被动齿轮和凸轮机构完成调焦镜组、补偿镜组的相对运动，以保证星敏感器连续变焦；所述主动齿轮为消隙齿轮，可有效防止运动回程，配合霍尔元器件，保证镜片到位精度。所述的电子组件安装了高灵敏的有源型SCMOS探测器，为保证其安装精度，测试探测器靶面与光轴的垂直度，计算电子组件安装时所需垫片的厚度，快速调整电子组件与镜头组件的安装精度，保证星敏感器性能。

Description

一种连续调焦星敏感器
技术领域
本发明属于高精度天文导航领域，可应用于各种有高精度定姿需求的飞行器与舰船。
背景技术
星敏感器一般应用于有高导航精度需求的飞行载体上，为提高星敏感器姿态测量精度，可以通过扩大寻星视场和提高单星测量精度两条途径，前者为保证足够多的参考星进入视场，技术途径包括增大光学系统视场、多孔径设计等；后者的技术途径是减小视场和提高算法精度。
因体积、重量限制和算法精度影响，星敏感器一般较难同时兼顾较大的视场与较高的单星测量精度。本发明阐述的连续调焦星敏感器，在载体运动过程中，可根据星敏感器所观测空域，实时确定视场大小，在保证足够多参考星进入视场的同时，通过信息处理算法和相关学习算法，提高星敏感器测量精度。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种连续调焦星敏感器，可根据载体实际位置调整视场大小，以同时兼顾较大视场和较高的单星测量精度。该星敏感器可配合惯性导航使用，也可以完成独立导航功能。
技术方案
一种连续调焦星敏感器，其特征在于包括遮光罩组件、镜头组件和电子组件，所述遮光罩组件包括遮光罩和安装在遮光罩内的光窗；所述的镜头组件包括光机系统、调焦运动执行机构、壳体和盖板；所述光机系统的光学镜组包括望远镜组、调焦镜组、补偿镜组和会聚镜组，完成对无穷远星光的光线会聚，其中调焦镜组和补偿镜组可进行直线相对运动，完成系统的调焦功能；调焦运动执行机构包括电机、主动齿轮、调焦筒、与调焦镜组固联的凸轮、与补偿镜组固联的凸轮、调焦光杆、补偿光杆、固定筒、调焦后座、塞子和霍尔组件；电机为调焦运动执行机构的动力源，设计有两个相同齿轮特征的消隙主动齿轮与它通过键和螺钉固联；主动齿轮与调焦筒上的被动齿轮特征啮合，推动调焦筒做旋转运动；与调焦镜组固联的凸轮和与补偿镜组固联的凸轮分别在调焦筒的两个凸轮槽内运动，完成调焦运动；调焦光杆和补偿光杆的两端分别与固定筒和调焦后座固联，分别连接了调焦镜组和补偿镜组，起到运动导向的作用；调焦筒和固定筒上分别有相对应的装调孔，为避免漏光，利用塞子塞紧；固定筒上霍尔组件可感应调焦筒上的磁珠，起到到位感应的作用，确保镜片到位精度；镜头组件壳体和镜头组件盖板起到密封的作用；所述的电子组件为灵敏的1K×1K大面阵有源型SCMOS探测器以及其电路部分和壳体。
一种对连续调焦星敏感器的调整方法，其特征在于步骤如下：
将星敏感器安装在平行光管出瞳外，并使其光学系统光轴与光管平行，调整平行光管焦面组件，使探测器上成像最佳，此时，平行光管的离焦量为x，则可计算此
时镜头组件与电子组件之间的距离所对应的最佳成像距离l'：
式中：
l'为星敏感器的最佳成像距离；
f′光管为平行光管的焦距；
d间距为待测敏感器与平行光管的间距；
x为平行光管的离焦量；
若星敏感器的理论最佳成像距离为l′最佳，则根据下式计算星敏感器电子组件与镜头组件的间距d间距的调整量Δd：
式中：
l′最佳为星敏感器的理论最佳成像距离；
f′敏感器为星敏感器的焦距；
再将星敏感器系统固定在一维转台上，通过控制一维转台旋转不同角度，测试待测敏感器轴外视场的调焦情况，根据测试结果，设计全视场调整垫片，所述的垫片安装在电子组件和镜头组件之间。
有益效果
本发明提出的一种连续调焦星敏感器，有益效果如下：1)本发明通过光学构型设计、结构构型设计，可根据观测空域及实时需求，在保证足够多的参考星的同时，确保星敏感器的测量精度；2)采用测试法，计算电子组件与镜头组件的对接垫片，可快速、高精度地完成探测器安装。
附图说明
图1-连续调焦星敏感器外形图
图2-连续调焦星敏感器轴测图
图3-连续调焦星敏感器剖视图
图4-遮光罩组件剖视图
图5-镜头组件剖视图
图6-镜头组件爆炸图
图7-电子组件剖视图
图8-本实例垫片三视图
1-遮光罩组件；2-镜头组件；3-电子组件；4-遮光罩；5-光窗；6-望远镜组；7-调焦镜组；8-补偿镜组；9-会聚镜组；10-电机；11-主动齿轮；12-调焦筒；13-与调焦镜组固联的凸轮；14-与补偿镜组固联的凸轮；15-调焦光杆；16-补偿光杆；17-固定筒；18-调焦后座；19-塞子；20-霍尔组件；21-镜头组件壳体；22-镜头组件盖板；23-SCMOS探测器；24-电路部分；25-电子组件壳体。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的技术方案是，一种连续调焦星敏感器，包括遮光罩组件、镜头组件和电子组件，可对400～900nm波段星光会聚成像，并输出星点坐标和载体姿态。其中，镜头组件完成不同视场下星目标能量会聚，电子组件进行供电、高精度成像和数据分析，遮光罩组件安装有一个光窗，主要达到密封和遮蔽杂散光的目的。
所述遮光罩组件包括遮光罩和安装在遮光罩内的光窗，主要完成规避背景光和消除杂散光的功能。
所述镜头组件为连续调焦的光机构型，其光学系统包括了望远镜组、调焦镜组、补偿镜组和会聚镜组，完成对无穷远星光的光线会聚。所述调焦镜组和补偿镜组分别安装在不同的固定光杆上，两镜组可沿这两个平行的光杆做相对直线运动；所述会聚镜组完成像差校正和光线会聚。调焦镜组和补偿镜组的运动执行机构，包括电机、主动齿轮、调焦筒、固联在调焦镜组和补偿镜组上的凸轮、固定筒、固联在固定筒上的光杆组成，电机带动主动齿轮，然后转动设计有被动齿轮的调焦筒，由凸轮在调焦筒的轨道内运动，完成调焦镜组、补偿镜组和光杆的相对直线运动；所述主动齿轮为设计有一对相同齿轮特征的消隙齿轮，可有效防止运动回程，配合霍尔元器件，保证镜片到位精度。
所述的电子组件包括高灵敏的1K×1K大面阵有源型SCMOS探测器、驱动电路、成像电路、图像处理电路和控制电路；为保证SCMOS探测器的安装精度，通过实验，测试探测器靶面与光轴的垂直度，计算电子组件安装所需垫片的厚度，快速调整电子组件与镜头组件的安装精度，保证星敏感器性能。
本发明公开的连续调焦星敏感器的外形图如图1所示，外形轴测图如图2所示，剖视图如图3所示。
如图1-3所示，本发明公开的连续调焦星敏感器包括遮光罩组件1、镜头组件2和电子组件3。
如图4所示，遮光罩组件1包含遮光罩4和光窗5，完成规避背景光和杂散光的目的。
如图5所示，镜头组件2包括光机系统、调焦运动执行机构、壳体和紧固件。所述光机系统的光学镜组包括望远镜组6、调焦镜组7、补偿镜组8和会聚镜组9，完成对无穷远星光的光线会聚，其中调焦镜组7和补偿镜组8可进行直线相对运动，完成系统的调焦功能。
如图6和图5所示，调焦运动执行机构的动力源是电机10，设计有两个相同齿轮特征的消隙主动齿轮11与它通过键和螺钉固联，消除运动回程，确保镜片到位精度。主动齿轮11与调焦筒12上的被动齿轮特征啮合，推动调焦筒(12)做旋转运动。与调焦镜组7固联的凸轮13和与补偿镜组8固联的凸轮14分别在调焦筒12的两个凸轮槽内运动，完成调焦运动。调焦光杆15和补偿光杆16的两端分别与固定筒17和调焦后座18固联，分别连接了调焦镜组7和补偿镜组8，起到运动导向的作用。
调焦筒12和固定筒17上分别有相对应的装调孔，为避免漏光，利用塞子19塞紧。固定筒17上霍尔组件20可感应调焦筒12上的磁珠，起到到位感应的作用，确保镜片到位精度。
镜头组件壳体21和镜头组件盖板22起到密封的作用。
如图7所示，电子部件3包括灵敏的1K×1K大面阵有源型SCMOS探测器23、电路部分24及壳体25；为保证SCMOS探测器的安装精度，通过实验，测试探测器靶面与光轴的垂直度，计算电子组件安装所需垫片的厚度分布，快速调整电子组件与镜头组件的安装精度，保证星敏感器性能，具体实验方法为：将星敏感器安装在平行光管出瞳外，并使其光学系统光轴与光管平行，调整平行光管焦面组件，使探测器上成像最佳，此时，平行光管的离焦量为x，则可计算出此时镜头组件与电子组件之间的距离所对应的最佳成像距离l'为。
式中：
l'为星敏感器的最佳成像距离；
f′光管为平行光管的焦距；
d间距为待测敏感器与平行光管的间距；
x为平行光管的离焦量。
若星敏感器的理论最佳成像距离为l′最佳，则可根据下式计算出星敏感器电子组件与镜头组件的间距d间距的调整量Δd。
式中：
l′最佳为星敏感器的理论最佳成像距离；
f′敏感器为星敏感器的焦距。
再将星敏感器系统固定在一维转台上，通过控制一维转台旋转不同角度，测试待测敏感器轴外视场的调焦情况，根据测试结果，设计全视场调整垫片。本实例的垫片设计情况如图8所示，该垫片安装在电子组件和镜头组件之间。

Claims (2)

1.一种连续调焦星敏感器，其特征在于包括遮光罩组件(1)、镜头组件(2)和电子组件(3)，所述遮光罩组件(1)包括遮光罩(4)和安装在遮光罩内的光窗(5)；所述的镜头组件(2)包括光机系统、调焦运动执行机构、壳体(21)和盖板(22)；所述光机系统的光学镜组包括望远镜组(6)、调焦镜组(7)、补偿镜组(8)和会聚镜组(9)，完成对无穷远星光的光线会聚，其中调焦镜组(7)和补偿镜组(8)可进行直线相对运动，完成系统的调焦功能；调焦运动执行机构包括电机(10)、主动齿轮(11)、调焦筒(12)、与调焦镜组(7)固联的凸轮(13)、与补偿镜组固联的凸轮(14)、调焦光杆(15)、补偿光杆(16)、固定筒(17)、调焦后座(18)、塞子(19)和霍尔组件(20)；电机(10)为调焦运动执行机构的动力源，设计有两个相同齿轮特征的消隙主动齿轮(11)与它通过键和螺钉固联；主动齿轮(11)与调焦筒(12)上的被动齿轮特征啮合，推动调焦筒(12)做旋转运动；与调焦镜组(7)固联的凸轮(13)和与补偿镜组(8)固联的凸轮(14)分别在调焦筒(12)的两个凸轮槽内运动，完成调焦运动；调焦光杆(15)和补偿光杆(16)的两端分别与固定筒(17)和调焦后座(18)固联，分别连接了调焦镜组(7)和补偿镜组(8)，起到运动导向的作用；调焦筒(12)和固定筒(17)上分别有相对应的装调孔，为避免漏光，利用塞子(19)塞紧；固定筒(17)上霍尔组件(20)可感应调焦筒(12)上的磁珠，起到到位感应的作用，确保镜片到位精度；镜头组件壳体(21)和镜头组件盖板(22)起到密封的作用；所述的电子组件(3)为灵敏的1K×1K大面阵有源型SCMOS探测器(23)以及其电路部分(24)和壳体(25)。
2.一种对权利要求1所述的连续调焦星敏感器的调整方法，其特征在于步骤如下：将星敏感器安装在平行光管出瞳外，并使其光学系统光轴与光管平行，调整平行光管焦面组件，使探测器上成像最佳，此时，平行光管的离焦量为x，则可计算此时镜头组件与电子组件之间的距离所对应的最佳成像距离l'：
式中：
l'为星敏感器的最佳成像距离；
f′光管为平行光管的焦距；
d间距为待测敏感器与平行光管的间距；
x为平行光管的离焦量；
若星敏感器的理论最佳成像距离为l′最佳，则根据下式计算星敏感器电子组件与镜头组件的间距d间距的调整量Δd：
式中：
l′最佳为星敏感器的理论最佳成像距离；
f′敏感器为星敏感器的焦距；
再将星敏感器系统固定在一维转台上，通过控制一维转台旋转不同角度，测试待测敏感器轴外视场的调焦情况，根据测试结果，设计全视场调整垫片，所述的垫片安装在电子组件和镜头组件之间。
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