CN109506644A - 全天时高灵敏星敏感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全天时高灵敏星敏感器，包括了遮光罩组件、镜头组件和电子组件三部分，所述遮光罩组件包括两段式遮光罩和窄带滤光片，滤除和遮挡背景杂散光，保证星敏感器全天时正常工作；所述镜头组件包括卡式望远部件和会聚部件，其中，卡式望远部件包含了一个随温度伸缩的精密被动调整机构，在不同温度下，使主次镜间的空气间隔发生变化，补偿镜片面型和位置变化对焦面的影响；所述电子组件包含了高灵敏度的EMCCD探测器及其精密调整机构，以保证其与镜头组件的同轴度。本发明公开的全天时高灵敏星敏感器，具有灵敏度高、全天时宽温度范围正常工作等优点，可应用在航天、航空、航海领域组合导航，也可完成独立导航功能。

Description

全天时高灵敏星敏感器
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、全天时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。
因白天背景光较强，一般星敏感器无法正常工作，不能满足观星需求。本发明阐述的全天时高灵敏星敏感器，旨在利用背景滤波、高灵敏度探测器等技术手段，克服星敏感器白天无法观星的难点，且镜头组件应用了被动补偿的方法进行消热补偿，使其可在多地域、宽温度范围内正常工作。
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，本发明提出一种全天时高灵敏星敏感器。可配合惯性导航使用，也可以完成独立导航功能。
技术方案
一种全天时高灵敏星敏感器，其特征在于包括遮光罩组件、镜头组件和电子组件；所述的遮光罩组件包含了一个遮光罩和安装在遮光罩内的滤光片，遮光罩采用了两段式的结构，一级遮光罩内部采用刀口倾斜分布的挡光环，用于视场外小角度入射角度的杂散光抑制，二级遮光罩内部采用刀口垂直分布的挡光环，用于规避角之外大角度入射的杂光抑制；滤光片采用500～800nm窄带片，滤除白天强背景光，以保证全天时观星性能；所述的镜头组件包括卡式望远部件和会聚部件；卡式望远部件包括卡式镜筒、反向补偿层、活动环、固定环和压板；其中卡式镜筒的材料为钛合金，反向补偿层的材料为尼龙，进行反向热驱动，两者通过螺钉固连，两者的联合热作用，可进行消热补偿；反向补偿层的一端与固定环连接，另一端放开，以进行热运动；固定环与压板(通过螺钉固联，且活动环的自由端外圆与卡式镜筒的内圆相配合，固定环的移动端外圆与反向补偿层的内圆相配合；会聚部件与卡式望远部件通过螺钉固连；所述的电子组件包括EMCCD探测器、探测器套筒、探测器压板、螺纹压圈、探测器安装座、销钉、壳体、顶丝和盖板，EMCCD探测器安装在探测器套筒内，并与探测器压板固联，然后利用两个螺纹压圈固定到探测器安装座上；螺纹压圈的旋紧程度适中，保证探测器套筒可平移即可；探测器安装座上的两个销钉与壳体相配合，保证了探测器的初步定位，再通过调整顶丝调节EMCCD探测器光敏面中心轴与镜头组件中心轴同轴度；当探测器偏心调整合适时，拧紧螺纹压圈，最后安装盖板；探测器轴向的调节通过更换不同厚度的垫片实现。
有益效果
本发明通过光学构型设计、结构构型设计，不仅能够保证紧凑的设计空间，而且能够满足星敏感器全天时高灵敏观星的需求。本发明具有以下优点：1)高截止滤光片、EMCCD探测器、卡式系统的综合应用，提高了全天时观星的系统灵敏度，同时缩小了系统体积；2)采用被动补偿的方法对卡式望远系统进行消热补偿，使星敏感器在各温度工况下稳定工作；3)设计了高精度EMCCD调整机构，使得电子组件与镜头组件精密对接。
附图说明
图1-全天时高灵敏星敏感器外形图
图2-全天时高灵敏星敏感器轴测图
图3-全天时高灵敏星敏感器剖视图
图4-遮光罩组件剖视图
图5-镜头组件剖视图
图6-电子组件剖视图
图7-全天时高灵敏星敏感器爆炸图
1-遮光罩组件；2-镜头组件；3-电子组件；4-遮光罩；5-滤光片；6-卡式望远部件；7-会聚部件；8-卡式镜筒；9-反向补偿层；10-活动环；11-固定环；12-压板；13-EMCCD探测器；14-探测器套筒；15-探测器压板；16-螺纹压圈；17-探测器安装座；18-销钉；19-壳体；20-顶丝；21-盖板。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种全天时高灵敏星敏感器，包括镜头组件、电子组件和遮光罩组件，其中，镜头组件完成星目标能量会聚，电子组件进行供电、高精度成像和数据分析，遮光罩组件包含滤光片，主要达到遮蔽杂散光和滤除背景光的目的。
所述镜头组件包括卡式望远部件和会聚部件两部分，其中，卡式望远系统对温度变化较为敏感，因此，卡式望远部件包含了一个随温度伸缩的精密被动调整机构，在不同温度下，使主次镜间的空气间隔发生变化，补偿镜片面型和位置变化对焦面的影响，保证全天时、多地域、宽温度范围条件下的正常工作。。
所述电子组件包括EMCCD探测器及其驱动与增益控制电路、成像电路及图像处理电路，完成信号输入和输出、星点成像、图像质心提取、星表存储与读写、星角距测算、姿态解算等功能。EMCCD具有高灵敏度探测微弱光的优势，在白天观星时，需配合滤光片进行应用，达到滤除白天强背景光的目的。设计高精度EMCCD位置调整机构，使得电子组件与镜头组件精密对接。
所述遮光罩组件包括了遮光罩和滤光片，其中遮光罩为两段式结构，以达到最大限度规避杂散光的目的，在太阳规避角50°情况下，可使杂散光抑制效果达到pst≤10-7；滤光片一方面保证了星敏感器的密封性，另一方面，完成在白天情况下对背景光的滤波，保证星敏感器的全天时观星性能。
本发明公开的全天时高灵敏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，本发明公开的全天时高灵敏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包含了一个遮光罩4和安装在遮光罩内的滤光片5，其中，为了更好地抑制轴外杂散光，遮光罩4采用了两段式的结构，一级遮光罩主要用于视场外小角度入射角度的杂散光抑制，二级遮光罩用于规避角之外大角度入射的杂光抑制。考虑到后期的加工工艺保障能力，一级遮光罩内部采用刀口倾斜分布的挡光环，二级遮光罩内部采用刀口垂直分布的挡光环；滤光片5是500～800nm窄带片，其作用是滤除白天强背景光，以保证全天时观星性能。
如图5所示，镜头组件2包括卡式望远部件6和会聚部件7。为保证全天时星敏感器可在-20℃～40℃的较宽的温度范围内工作，措施一是进行光机无热化设计，措施二是对温度比较敏感的卡式结构进行被动消热补偿，抵消镜片面型变化和位置变化对焦平面的影响。
如图5所示，卡式望远部件6的消热补偿机构主要包括卡式镜筒8、反向补偿层9、活动环10、固定环11、压板12及固定螺钉组成。卡式镜筒8的材料为钛合金，反向补偿层9的材料为尼龙，进行反向热驱动，两者利用螺钉固定连接，两者的联合热作用，可进行消热补偿。反向补偿层9的一端与固定环11连接，另一端放开，以进行热运动。
为保证镜片不发生偏心和倾斜，并保证星敏感器具有足够的力学抗振动能力，固定环11与压板12利用螺钉固联，且活动环10的自由端外圆与卡式镜筒8的内圆精密配合，固定环11的移动端外圆与反向补偿层9的内圆精密配合。
如图6所示，电子组件3包括EMCCD探测器13、探测器套筒14、探测器压板15、螺纹压圈16、探测器安装座17、销钉18、壳体19、顶丝20和盖板21，将EMCCD探测器13安装到探测器套筒14内，并与探测器压板15固联，然后利用两个螺纹压圈16固定到探测器安装座17上。螺纹压圈16的旋紧程度适中，保证探测器套筒14可平移即可。探测器安装座17上的两个销钉18与壳体19精密配合，保证了探测器的初步定位，再通过调整顶丝20调节EMCCD探测器13光敏面中心轴与镜头组件中心轴同轴度，满足高精密调整探测器位置的需求；当探测器偏心调整合适时，拧紧螺纹压圈16，最后安装盖板21。探测器轴向的调节通过更换不同厚度的垫片实现。
图7展示了全天时高灵敏星敏感器爆炸图。
本发明的镜头组件的光学系统包括卡塞格林构型的望远系统及用于校正色差的会聚系统。因卡式望远系统对温度变化较为敏感，为保证全天时、多地域、宽温度范围条件下的正常工作，采用被动补偿的方法对卡式望远系统进行消热补偿：通过卡式镜筒结构的温度伸缩，使主、次镜间的空气间隔发生变化，补偿镜片面型和间隔变化对焦面的影响。
本发明的电子组件，包含高灵敏度EMCCD探测器、配套电路板及探测器精密调整机构，高灵敏度EMCCD探测器安装在套筒内，探测器精密调整机构利用精加工的销钉作初步定位后，通过顶丝和垫片调整套筒的位置，来达到电子组件与镜头组件的高精密对接。
本发明的遮光罩组件，包括了一个遮光罩和安装在遮光罩内的滤光片，遮光罩为两段式结构，以达到最大限度规避杂散光的目的；所述滤光片，一方面保证了星敏感器的密封性，另一方面，完成在白天情况下对背景光的滤波，保证星敏感器的全天时观星性能。
本发明公开的全天时高灵敏星敏感器，具有灵敏度高、全天时宽温度范围正常工作等优点，可应用在航天、航空、航海领域组合导航，也可完成独立导航功能。

Claims (1)

1.一种全天时高灵敏星敏感器，其特征在于包括遮光罩组件(1)、镜头组件(2)和电子组件(3)；所述的遮光罩组件(1)包含了一个遮光罩(4)和安装在遮光罩内的滤光片(5)，遮光罩(4)采用了两段式的结构，一级遮光罩内部采用刀口倾斜分布的挡光环，用于视场外小角度入射角度的杂散光抑制，二级遮光罩内部采用刀口垂直分布的挡光环，用于规避角之外大角度入射的杂光抑制；滤光片(5)采用500～800nm窄带片，滤除白天强背景光，以保证全天时观星性能；所述的镜头组件(2)包括卡式望远部件(6)和会聚部件(7)；卡式望远部件(6)包括卡式镜筒(8)、反向补偿层(9)、活动环(10)、固定环(11)和压板(12)；其中卡式镜筒(8)的材料为钛合金，反向补偿层(9)的材料为尼龙，进行反向热驱动，两者通过螺钉固连，两者的联合热作用，可进行消热补偿；反向补偿层(9)的一端与固定环(11)连接，另一端放开，以进行热运动；固定环(11)与压板(12)通过螺钉固联，且活动环(10)的自由端外圆与卡式镜筒(8)的内圆相配合，固定环(11)的移动端外圆与反向补偿层(9)的内圆相配合；会聚部件(7)与卡式望远部件(6)通过螺钉固连；所述的电子组件(3)包括EMCCD探测器(13)、探测器套筒(14)、探测器压板(15)、螺纹压圈(16)、探测器安装座(17)、销钉(18)、壳体(19)、顶丝(20)和盖板(21)，EMCCD探测器(13)安装在探测器套筒(14)内，并与探测器压板(15)固联，然后利用两个螺纹压圈(16)固定到探测器安装座(17)上；螺纹压圈(16)的旋紧程度适中，保证探测器套筒(14)可平移即可；探测器安装座(17)上的两个销钉(18)与壳体(19)相配合，保证了探测器的初步定位，再通过调整顶丝(20)调节EMCCD探测器(13)光敏面中心轴与镜头组件中心轴同轴度；当探测器偏心调整合适时，拧紧螺纹压圈(16)，最后安装盖板(21)；探测器轴向的调节通过更换不同厚度的垫片实现。
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