CN110954086B - 基于光学相控阵技术的星敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学相控阵技术的星敏感器，包括光学相控阵组件、小视场测星组件和控制组件；所述光学相控阵组件包括从前到后依次设置的线偏振片、1/4波片、电控1/2波片X、电控液晶偏振光栅X、电控1/2波片Y和电控液晶偏振光栅Y；所述小视场测星组件包括长焦镜头和大面阵探测器；所述大面阵探测器安装在所述长焦镜头的后端位置。本发明所述的基于光学相控阵技术的星敏感器，采用光学相控阵技术，用电控光学扫描方式替代机械扫描方式，结合数字图像窗口扫描，实现星光入射方向精确指向控制，既继承了传统小视场测星的优点，同时也避免了小视场测星在体积重量功耗及精度方面的缺点。

Description

基于光学相控阵技术的星敏感器

技术领域

本发明属于天文导航技术领域，尤其涉及一种基于光学相控阵技术的星敏感器。

背景技术

天文导航技术从测星方式上可分为基于大视场多星矢量测量方式的星敏感器和基于小视场单星测量方式的星体跟踪器。星敏感器一次可以测量多颗星目标，不需要机械运动机构，因此测量精度高，导航解算实时性好，体积重量功耗小；但由于其探测视场大，受白天大气背景光影响严重，无法实现白天测星，因此不利于大气层内载体使用。

星体跟踪器视场小，受白天大气背景光影响小，可有效解决微弱星光高灵敏探测与强光背景噪声抑制的突出矛盾，实现昼夜全天时测星，可应用于大气层内载体；但需要机械扫描机构进行星体测量，机械扫描结构会引入额外的轴系误差，降低了星体测量精度，还存在体积、重量、功耗及使用寿命等方面的劣势，影响适装性。

为实现大气层内大视场白天测星，有文献及专利提出了多孔径技术，就是将多个小视场合成大视场的方式，既避免了大视场白天测星容易饱和的缺点，又具有大视场可同时多星测量的优点。但这种方式对于探测视场的扩大有限，而且随着孔径数量的增加，系统体积重量功耗迅速上升，实用性不高。因此需要研究一种全新体制的星敏感器技术，来解决大视场白天测星这一天文导航领域技术难题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于光学相控阵技术的星敏感器，其能够综合传统大气层外匹配式大视场星敏感器小型化与传统大气层内中小视场星敏感器测星能力强的优点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于光学相控阵技术的星敏感器，包括光学相控阵组件、小视场测星组件和控制组件；所述光学相控阵组件设置在所述小视场测星组件的前端；所述控制组件与光学相控阵组件和小视场测星组件通信连接。

作为本发明实施例的优选，光学相控阵组件包括从前到后依次设置的线偏振片、1/4波片、X方向光学相控阵和Y方向光学相控阵；所述线偏振片用于对入射光进行线偏振选择；所述1/4波片用于将线偏振光转换为圆偏振光；所述X方向光学相控阵用于控制偏振光在X方向偏转；所述Y方向光学相控阵用于控制偏振光在Y方向偏转。

作为本发明实施例的优选，所述X方向光学相控阵包括电控1/2波片X和电控液晶偏振光栅X；所述Y方向光学相控阵包括包括电控1/2波片Y和电控液晶偏振光栅Y。

作为本发明实施例的优选，所述小视场测星组件包括长焦镜头和大面阵探测器；所述大面阵探测器安装在所述长焦镜头的后端位置。

作为本发明实施例的优选，所述控制组件包括用于控制X方向光学相控阵和Y方向光学相控阵的控制电路；所述控制电路包括控制信号源、反相器、两路光电开关、X方向光学相控阵驱动电源以及Y方向光学相控阵驱动电源，所述X方向光学相控阵驱动电源与第一路所述光电开关的常开触点串联后连接所述电控1/2波片X的输入端；所述控制信号源的输出端串联反相器后连接第一路所述光电开关的控制端；所述Y方向光学相控阵驱动电源与第二路所述光电开关的常开触点串联后连接所述电控1/2波片X的输入端，所述控制信号源的输出端连接第二路所述光电开关的控制端。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述的基于光学相控阵技术的星敏感器，采用光学相控阵技术，用电控光学扫描方式替代机械扫描方式，结合数字图像窗口扫描，实现星光入射方向精确指向控制，既继承了传统小视场测星的优点，同时也避免了小视场测星在体积重量功耗及精度方面的缺点。

(2)本发明所述的基于光学相控阵技术的星敏感器，通过光学相控阵技术在实现光学扫描速度方面具有机械扫描无可比拟的优势，可在较大的探测视场内迅速指向到星目标位置，因此兼有大视场星敏感器的优点。

(3)本发明所述的基于光学相控阵技术的星敏感器，采用光学相控阵组件和小视场测星组件进行安装，具有体积小，重量轻，控制简便，可实现星敏感器的小型化。

(4)本发明所述的基于光学相控阵技术的星敏感器，是一种全新体制的星敏感器，同时兼有传统天文导航领域里的大、小视场测星技术优势，可在大气层内、外及多兵种、多平台的天文导航设备中得以广泛应用。

附图说明

图1为本发明基于光学相控阵技术的星敏感器的结构示意图；

图2为本发明中光学相控阵组件的组成框图；

图3为本发明中三种角度光线在光学相控阵组件里的传播示意图；

图4为本发明中光学相控阵扫描示意图；

图5为本发明中数字图像窗口扫描示意图；

图6为本发明中光学相控阵+数字图像两级扫描示意图；

图7为本发明中电控1/2波片的控制电路图；

图8为本发明中电控1/2波片的控制信号及驱动信号示意图。

具体实施方式

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

参阅图1至8所示，本发明实施例提供一种基于光学相控阵技术的星敏感器，具体包括光学相控阵组件1、小视场测星组件2和控制组件3；其中，光学相控阵组件1设置在小视场测星组件2的前端，导航与控制组,3与光学相控阵组件1和小视场测星组件2通信连接。在本实施例中，光学相控阵组件1通过光学相控阵技术，实现星光入射方向的粗指向控制(简单来说就是用电控光学扫描方式驱动一个小视场快速扫描一个较大的视场，以此实现大视场测星)。小视场测星组件2利用高帧频数字图像的小窗口跟踪，完成小角度范围精确跟踪扫描。控制与导航组件3在结构形式上独立于光学相控阵组件1与小视场测星组件2，,通过控制与导航组件3的控制电路完成光学相控阵的指向控制信号产生及偏振电机的控制信号。

下面我们对光学相控阵组件1、小视场测星组件2和控制组件3的结构和应用做详细的介绍：

在本实施例中，光学相控阵组件1采用基于液晶材料的液晶偏振光栅(LCPG)，液晶偏振光栅(LCPG)具有较薄的液晶层厚度，扫描速度快；偏转角度大，可多片LCPG级联实现更大角度偏转；可以实现宽光谱工作，光效率高；光学面积大，目前最大直径可做到150mm。本发明选择的液晶偏振光栅(LCPG)具体参数如下：

光学面积：50mm；

工作波长：900-1100mm；

衍射效率：95％；

扫描速度：3ms；

偏转角度：0，±2度。

参阅图2所示，在本实施例中，光学相控阵组件1包括从前到后依次设置的线偏振片1.1、1/4波片1.2、电控1/2波片X1.3、电控液晶偏振光栅X1.4、电控1/2波片Y1.5和电控液晶偏振光栅Y1.6。其中，线偏振片1.1用于对入射光进行线偏振选择，经过线偏振片后的光为线偏振光；1/4波片1.2用于将线偏振光转换为圆偏振光；电控1/2波片X1.3、电控液晶偏振光栅X1.4组成控制X方向偏转的光学相控阵，电控1/2波片1.3用来控制光线圆偏振的方向，该波片可以通过加电方式控制，当1/2波,1.3不加电时不改变光线圆偏振方向，当1/2波片1.3加电时光线的圆偏振方向反相。电控液晶偏振光栅X1.4用于对光线X方向进行偏转控制，也是通过电方式控制，当电控液晶偏振光栅X1.4不加电时，光线不发生偏转，当电控液晶偏振光栅X1.4加电时，光线根据当前的圆偏振方向进行不同方向的偏转；电控1/2波片Y1.5和电控液晶偏振光栅Y1.6组成组成控制Y方向偏转的光学相控阵，工作原理与X方向相同，不再赘述。

基于图2中光学相控阵组件1对光线一维上三个角度的控制，图3中示意了三种角度的随机偏振入射光线，在图3中经过线偏振片后变成线偏振光，再经过1/4波片后变成圆偏振光(假设为左旋)；再经过1/2波片，当1/2波片不加电时光线圆偏振方向不变，当1/2波片加电时光线圆偏振方向反向为右旋；再经过液晶偏振光栅(LCPG)，当LCPG不加电时光线不发生偏转，当LCPG加电时对左旋圆偏振光线发生+2度的偏转，对右旋圆偏振光线发生-2度的偏转。从以上分析可以看出，通过1/2波片及LPCPG的加电与断电组合，可以实现光线在0度、±2度的方向控制。

在本实施例中光学相控阵组件1采用光学相控阵技术，实现星光入射方向的粗指向控制，简单来说就是用电控光学扫描方式驱动一个小视场快速扫描一个较大的视场，以此实现大视场测星，

参阅图4所示，光学相控阵控制瞬时光学视场在二维空间内扫描，每一维扫描固定在三个角度，0度、±2度，这样在二维空间可实现在9个2*2度视场扫描。

在本实施例中，光学相控阵组件的主要性能参数如下：

二维偏转角：-2度，0度，+2度；

偏转速度：3ms。

参阅图1所示，在本实施例中，小视场测星组件2包含长焦镜头2.1和大面阵探测器2.2，将大面阵探测器2.2安装在长焦镜头2.1的后端。其中，长焦镜头2.1采用传统的卡塞格林镜头，这里不做详细描述，镜头的主要参数如下：

有效口径：50mm；

焦距：366mm；

工作波段：900-1100mm；

中心遮拦比：0.35。

大面阵探测器2.2安装在长焦镜头之后，在本实施例中选择InGaAs短波红外探测器，主要参数如下：

像元数：1024*1024；

像元大小：12.5um；

工作波段：900-1650nm；

量子效应效率：≥65@1000nm；

读出噪声：30e-；

暗电流噪声：50fA@20℃。

测星组件的重点在于对大面阵探测器进行256*256像元的窗口访问操作。探测器上电默认为全像元读出，需要在探测器上电后通过数据口写控制指令选择探测器像元读出为256*256的图像窗口。设置图像窗口大小后还需要设置图像窗口的起始位置，起始位置在每一帧读出前设置，这样就可以控制图像窗口的实时扫描。

在本实施例中，光学相控阵完成的是角度粗扫描，扫描角度控制在0度、±2度，再由大面阵探测器2.2和高速信号读出的数字图像窗口方式完成角度精扫描。

参阅图5所示，在本实施例中，所采用的大面阵成像探测器2.2像元数1024*1024，像元大小12.5um，光学系统焦距366mm，因此全像元下对应的光学视场约2度。如果采用全像元工作，整幅图像的读出时间会比较长，约大几十ms到上百ms，会影响系统工作的动态性。另外2度的视场容易引入较多的杂光，影响系统的测星能力。因此实际工作时选择256*256个像元的图像窗口，读出时间可控制在5ms以下。256个像元对应的视场角大约为0.5度，通过对探测器自由选择256*256个像元窗口即可实现对2度视场内的精扫描，扫描分辨率即为像素分辨率约7角秒。

参阅图6所示，基于光学相控阵+数字图像两级扫描示意图，在实际工作中是导航组件根据姿态、时间、位置、航向等导航信息计算星敏感器指向空域的星目标大致位置，先控制光学相控阵(即光学相控阵组件1)指向到一个粗位置，再控制数字图像(小视场测星组件2)的窗口位置进行精位置控制。两级位置控制到位后再进行常规的星目标检测、提取等操作。然后再根据上述操作再探测下一颗星目标，探测三颗星目标后即可开始进行常规导航解算工作。由于光学相控阵及数字图像窗口扫描速度非常快，每颗星目标的测星流程时间可控制在5ms以内。

在本实施例中，控制组件3主要为控制电路，控制电路完成对液晶偏振光栅及1/2波片的电气控制。电控1/2波片(电控1/2波片X和电控1/2波片Y)的加电需要10kHz的交流方波驱动，电压峰值10V。

参阅图7所示，在本实施例中，采用以下控制电路实现对电控1/2波片的驱动，控制电路包括控制信号源、反相器、两路光电开关(AQW210)、X方向光学相控阵驱动电源以及Y方向光学相控阵驱动电源，所述X方向光学相控阵驱动电源与第一路所述光电开关的常开触点串联后连接所述电控1/2波片X的输入端，所述控制信号源的输出端串联反相器后连接第一路所述光电开关的控制端；所述Y方向光学相控阵驱动电源与第二路所述光电开关的常开触点串联后连接所述电控1/2波片X的输入端，所述控制信号源的输出端连接第二路所述光电开关的控制端(需要说明的是，+10V与-10V电源即驱动信号，图中control控制信号仅用于控制光耦的开关通道导通与关断)。控制电路的工作原理为：控制信号通过两路输出，其中一路输出通过反相器，然后两路输出各与光耦的一个开关通道的控制端连接，+10V电源与第一个光耦通道、1/2玻片串联后接地，-10V电源与第二个光耦通道、1/2玻片串联后接地；当输入控制信号为高电平时，第二个光耦通道导通，第一个光耦通道在反相器的作用下不导通，此时1/2玻片接收到-10V电源；当输入控制信号为低电平时，第一个光耦通道在反相器的作用下导通，第二个光耦通道不导通，此时1/2玻片接收到+10V电源。参阅图8所示，基于图7中的控制电路，电控1/2波片的控制信号及驱动信号输出图。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于光学相控阵技术的星敏感器，其特征在于：包括光学相控阵组件(1)、小视场测星组件(2)和控制组件(3)；所述光学相控阵组件(1)设置在所述小视场测星组件(2)的前端；所述控制组件(3)与光学相控阵组件(1)和小视场测星组件(2)通信连接，所述控制组件(3)实现光线在0度、±2度的方向控制；

所述光学相控阵组件(1)包括从前到后依次设置的线偏振片(1.1)、1/4波片(1.2)、X方向光学相控阵和Y方向光学相控阵；

所述线偏振片(1.1)用于对入射光进行线偏振选择；

所述1/4波片(1.2)用于将线偏振光转换为圆偏振光；

所述X方向光学相控阵用于控制偏振光在X方向偏转；

所述Y方向光学相控阵用于控制偏振光在Y方向偏转。

2.根据权利要求1所述的基于光学相控阵技术的星敏感器，其特征在于：所述X方向光学相控阵包括电控1/2波片X(1.3)和电控液晶偏振光栅X(1.4)；所述Y方向光学相控阵包括电控1/2波片Y(1.5)和电控液晶偏振光栅Y(1.6)。

3.根据权利要求1所述的基于光学相控阵技术的星敏感器，其特征在于：所述小视场测星组件(2)包括长焦镜头(2.1)和大面阵探测器(2.2)；所述大面阵探测器(2.2)安装在所述长焦镜头(2.1)的后端位置。

4.根据权利要求2所述的基于光学相控阵技术的星敏感器，其特征在于：所述控制组件(3)包括用于控制X方向光学相控阵和Y方向光学相控阵的控制电路；

所述控制电路包括控制信号源、反相器、两路光电开关、X方向光学相控阵驱动电源以及Y方向光学相控阵驱动电源，所述X方向光学相控阵驱动电源与第一路光电开关的常开触点串联后连接电控1/2波片X的输入端；所述控制信号源的输出端串联反相器后连接第一路所述光电开关的控制端；所述Y方向光学相控阵驱动电源与第二路光电开关的常开触点串联后连接电控1/2波片X的输入端，所述控制信号源的输出端连接第二路所述光电开关的控制端。

Images