CN109724589A - 高数据更新率星敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高数据更新率星敏感器，包括光学系统及电子学系统；所述光学系统包括光学镜头以及分光棱镜；所述电子学系统包括三个EMCCD成像单元、与所述EMCCD成像单元一一对应连接的数据处理单元、曝光时序控制单元和数据整合与系统监控单元；所述分光棱镜用于将经过光学镜头的光线均匀的分别投射至所述三个EMCCD成像单元以在EMCCD成像单元进行成像；每个数据处理单元用于对对应一个EMCCD成像单元获取的图像进行处理；曝光时序控制单元用于对三个EMCCD成像单元和数据处理单元的工作时序同步控制；所述数据整合与系统监控单元用于对数据处理单元的图像以三个EMCCD成像单元的曝光频率之和进行图像输出。本发明可实现提高星敏感器数据更新率的目的。

Description

高数据更新率星敏感器

技术领域

本发明涉及姿态测量敏感设备及星敏感器技术领域，特别是涉及一种高数据更新率星敏感器。

背景技术

星敏感器的测量原理是通过对星空成像来测量恒星矢量在星敏感器坐标系中的分量，再利用已知恒星精确位置来确定载体相对于惯性坐标系的三轴姿态。传统星敏感器一般在卫星等稳定载体平台中进行慢速高精度姿态测量来修正惯导漂移。近年来随着星惯组合导航技术的不断发展，对星敏感器的要求也越来越高，迫切需要提高星敏感器的姿态测量采样频率以便对高动态载体进行精确的高时间分辨率姿态测量。

数据更新率是指星敏感器输出姿态数据的频率，决定了星敏感器测姿的时间分辨率。制约数据更新率提高的主要因素有积分(曝光)时间和数据处理时间。星敏感器要对特定星等以上恒星清晰稳定成像，就需要对星点目标持续曝光，如果积分时间过短则无法探测到暗弱恒星；在成像后星敏感器还需要数据处理时间进行星识别和姿态计算。受焦距、体积、重量的限制，星敏感器光学系统口径无法大幅提高，目前大多数星敏感器积分时间需30ms至100ms，即使优化算法缩短数据处理时间，数据更新率也只能到5Hz至10Hz，并且在现有星敏感器体系结构下，数据更新率难以进一步提高。因此要实现对高动态载体姿态的快速采样，需要一种全新构型的高数据更新率星敏感器。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种共光路分时曝光的高数据更新率星敏感器实现方案。

一种高数据更新率星敏感器，包括光学系统及电子学系统；所述光学系统包括光学镜头以及分光棱镜；所述电子学系统包括三个EMCCD成像单元、与所述EMCCD成像单元一一对应连接的数据处理单元、曝光时序控制单元和数据整合与系统监控单元；所述分光棱镜用于将经过光学镜头301的光线均匀的分别投射至所述三个EMCCD成像单元以在EMCCD成像单元进行成像；每个数据处理单元用于对对应一个EMCCD成像单元获取的图像进行处理；曝光时序控制单元用于对三个EMCCD成像单元和数据处理单元的工作时序同步控制；所述数据整合与系统监控单元用于对数据处理单元处理的图像以三个EMCCD成像单元的曝光频率之和进行图像输出。

本发明的有益效果在于，将三个EMCCD成像单元和三个数据处理单元以固定时序整合成个EMCCD成像单元的曝光频率之和进行图像输出，从而实现提高星敏感器数据更新率的目的。

附图说明

图1为本发明提供的高数据更新率星敏感器的组成框图；

图2为图1所示的高数据更新率星敏感器的工作时序示意图；

图3为图1所示的高数据更新率星敏感器的分光原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人士在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图1至附图3，详细说明本发明提供的高数据更新率星敏感器的技术方案。

本发明提供的一种高数据更新率星敏感器，包括光学系统及电子学系统；所述光学系统30包括光学镜头301以及分光棱镜；所述电子学系统包括三个EMCCD(即电子倍增CCD)成像单元、与所述EMCCD成像单元一一对应连接的数据处理单元、曝光时序控制单元和数据整合与系统监控单元；所述分光棱镜用于将经过光学镜头301的光线均匀的分别投射至所述三个EMCCD成像单元以在EMCCD成像单元进行成像；每个数据处理单元用于对对应一个EMCCD成像单元获取的图像进行处理；曝光时序控制单元用于对三个EMCCD成像单元和数据处理单元的工作时序进行同步控制；所述数据整合与系统监控单元用于对数据处理单元处理的图像以三个EMCCD成像单元的曝光频率之和进行图像输出。

具体的，如图2所示，所述分光棱镜包括分光面相平行的第一分光棱镜302及第二分光棱镜303；所述镜头的中心轴与第一分光棱镜302及第二分光棱镜303的分光面成45度角设置；其中一个EMCCD成像单元304(即图1中所EMCCD成像单元A)的中心轴与第一分光棱镜302的分光面成45度角并与镜头的中心轴垂直，其中一个EMCCD成像单元305(即图1中所EMCCD成像单元B)的中心轴与第二分光棱镜303的分光面成45度角并与光学镜头301的中心轴垂直；所述第一分光棱镜302及第二分光棱镜设置于另一个中心轴与镜头的中心轴重合的EMCCD成像单元之间,所述第一分光棱镜302靠近光学镜头，所述第二分光棱镜靠近所述另一个EMCCD成像单元。

在本实施方式中，所述第一分光镜302的透射反射光强比为2:1，第二分光棱镜为半透半反棱镜，透射反射光强比为1:1。

在本实施方式中，经光学镜头的光为恒星发出的光；每个数据处理单元分别对对应一个EMCCD成像单元获取的恒星图像进行恒星目标提取、恒星识别以及姿态计算。

在本实施方式中，每个EMCCD成像单元以30Hz的帧频曝光(即每个EMCCD成像单元的曝光频率为30Hz)，并由对应的数据处理单元对当前帧进行数据处理；所述曝光时序控制单元控制三个EMCCD成像单元依次曝光，三个数据处理单元依次处理各自对应的当前帧图像，由数据整合与系统监控单元将三个30Hz数据整合成90Hz姿态数据输出。

进一步的，所述高数据更新率星敏感器还包括机构结构；所述机械结构包括外壳、安装于外壳内的分光棱镜固定基座及电路板固定基座；所述光学镜头安装于壳体上；所述分光棱镜单元安装于光棱镜固定架上，所述电子学系统安装于所述电路板固定架上。

进一步的，所述机械结构还包括与所述分光棱镜固定基座连接的用于带动所述分光棱镜固定基座移动的调整机构。具体的，调整机构可以是步进马达。

进一步的，所述光学系统还包括固定于外壳上的并环绕于光学镜头的光罩以及立方棱镜；所述机械结构还包括收容于壳体内的立方棱镜基座；所述立方棱镜安装于所述立方棱镜基座上。

进一步的，所述镜头的视场角范围为8°×8°至15°×15°之间。

请再次参阅图1，以下对高数据更新率星敏感器的工作原理进行说明，光学系统30对特定天区收集恒星的光能量，通过分光棱镜将星光能量分为三路，分别称为光路A、光路B、光路C(如图1所示)。每条光路能量衰减为入射能量的1/3，但天区指向三个光路完全一致，使三个EMCCD成像单元的图像无需视场拼接，分时直接输出数字恒星图像。由于分光棱镜的作用，对应于每路的星光能量是原能量的1/3，因此，在实施方式中必须采用高灵敏度的成像单元，以补偿入射能量的不足。本实施方式中采用三个EMCCD传感器为核心器件的成像单元进行光电转换，分别为图1所示的EMCCD成像单元A、EMCCD成像单元B、EMCCD成像单元C(也即图3所示的EMCCD成像单元304、305、306)，三个EMCCD成像单元输出的数字恒星图像传输个与之对应的三个数据处理单元A、B、C，分别对恒星图像进行恒星目标提取、恒星识别、姿态计算。三个数据处理单元将各自处理结果输出给数据整合与系统监控单元，由该单元进行通信组帧，对外输出最后姿态数据。

经分光棱镜分光后，高数据更新率星敏感器的EMCCD成像单元和数据处理单元均分为硬件上完全一致的三路，三路工作时序如图2所示，曝光时序控制单元用于三路成像单元和数据处理单元的工作时序同步控制，生成如图2的当前帧起始工作时刻。图2中的A路、B路、C路脉冲为成像单元工作时序，单路为30Hz，三路合成后的数据输出为90Hz。

在一些实施方式中，成像单元的探测器可选择EMCCD探测器CCD351，该型EMCCD探测器的最高帧频可达到30Hz，能够满足实施方式的应用要求。

在一些实施方式中，数据更新率可能被积分时间限制，可通过增加光学系统口径的方式缩短EMCCD成像单元的积分时间，从而进一步提高曝光频率。

在一些实施方式中，数据更新率可能被成像单元的探测器图像读出时间限制，可通过像元合并方式缩短图像读出时间，保证数据处理时间，从而提高数据更新率。

在本实施方式中，立方棱镜用于在安装星敏感器时的基准传递。本发明的有益效果在于：1)将三路最高数据更新率30Hz的成像单元和三路数据处理单元以固定时序整合成90Hz图像采集与处理系统；2)采用共光路分光方式保证三路成像单元图像一致性，从而保证三路姿态数据一致性；3)利用高灵敏度EMCCD探测器保证分光能量衰减后，各路成像单元仍能探测到恒星。本发明通过上述三个技术途径将星敏感器数据更新率提高到90Hz，同时，不影响姿态测量精度、星识别概率等其它指标。

以上所述实施方式仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种高数据更新率星敏感器，其特征在于，包括光学系统及电子学系统；所述光学系统包括光学镜头以及分光棱镜；所述电子学系统包括三个EMCCD成像单元、与所述EMCCD成像单元一一对应连接的数据处理单元、曝光时序控制单元和数据整合与系统监控单元；所述分光棱镜用于将经过光学镜头的光线均匀的分别投射至所述三个EMCCD成像单元以在EMCCD成像单元进行成像；每个数据处理单元用于对对应一个EMCCD成像单元获取的图像进行处理；曝光时序控制单元用于对三个EMCCD成像单元和数据处理单元的工作时序同步控制；所述数据整合与系统监控单元用于对数据处理单元处理的图像以三个EMCCD成像单元的曝光频率之和进行输出。

2.根据权利要求1所述的高数据更新率星敏感器，其特征在于，所述分光棱镜包括分光面相平行的第一分光棱镜及第二分光棱镜；所述镜头的中心轴与第一分光棱镜及第二分光棱镜的分光面成45度角设置；其中一个EMCCD成像单元的中心轴与第一分光棱镜的分光面成45度角并与镜头的中心轴垂直，其中一个EMCCD成像单元的中心轴与第二分光棱镜的分光面成45度角并与镜头的中心轴垂直；所述第一分光棱镜及第二分光棱镜设置镜头于另一个中心轴与镜头的中心轴重合的EMCCD成像单元之间，所述第一分光棱镜靠近所述光学镜头，所述第二分光棱镜靠近所述另一个EMCCD成像单元。

3.根据权利要求2所述的高数据更新率星敏感器，其特征在于，所述第一分光镜的透射反射光强比为2:1，第二分光镜透射反射光强比为1:1。

4.根据权利要求1所述的高数据更新率星敏感器，其特征在于，经镜头的光为恒星发出的光；每个数据处理单元分别对对应一个EMCCD成像单元获取的恒星图像进行恒星目标提取、恒星识别以及姿态计算。

5.根据权利要求4所述的高数据更新率星敏感器，其特征在于，每个EMCCD成像单元以30Hz的帧频曝光，并由对应的数据处理单元对当前帧进行数据处理；所述曝光时序控制单元控制三个EMCCD成像单元依次曝光，三个数据处理单元依次处理各自对应的当前帧图像，由数据整合与系统监控单元将三个30Hz数据整合成90Hz姿态数据输出。

6.根据权利要求1所述的高数据更新率星敏感器，其特征在于，还包括机构结构；所述机械结构包括外壳、安装于外壳内的分光棱镜固定基座及电路板固定基座；所述光学镜头安装于壳体上；所述分光棱镜单元安装于光棱镜固定架上，所述电子学系统安装于所述电路板固定架上。

7.根据权利要求6所述的高数据更新率星敏感器，其特征在于，所述机械结构还包括与所述分光棱镜固定基座连接的用于带动所述分光棱镜固定基座移动的调整机构。

8.根据权利要求6所述的高数据更新率星敏感器，其特征在于，所述光学系统还包括固定于外壳上的并环绕于光学镜头的光罩以及立方棱镜；所述机械结构还包括收容于壳体内的立方棱镜基座；所述立方棱镜安装于所述立方棱镜基座上。

9.根据权利要求1所述的高数据更新率星敏感器，其特征在于，所述镜头的视场角范围为8°×8°至15°×15°之间。