CN111637969B - 一种应用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统，包括：光学组件、探测器组件和控制电路；其中，探测器组件包括探测器模块和低温前置电路；目标入射光线经光学组件后得到目标恒星光信号；探测器模块接收目标恒星光信号，并将目标恒星光信号转换为电信号，并将电信号传输给低温前置电路，低温前置电路将电信号进行AD转换和去噪处理后得到全帧图像数据，将全帧图像数据传输给控制电路；控制电路将全帧图像数据进行截取得到子阵列图像数据，再对子阵列图像数据进行二维相位互相关和升采样后得到亚像素像移信息；其中，低温前置电路工作在低温环境下。本发明利用光学系统获得高精度像移，实时地为精密稳像控制系统提供补偿信息。
Description
技术领域
本发明属于航天光学遥感器技术领域，尤其涉及一种应用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统。
背景技术
空间红外天文望远镜可以摆脱大气对观测的影响，具有观测范围广、背景噪声低、可接近衍射极限的优点，日益成为空间探测领域里的研究热点。然而，由于天文望远镜受到卫星平台姿态的变化、轨道的变动及机械制冷机振动的影响，导致光轴偏离焦平面中心，造成成像质量的下降。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统，利用光学系统获得高精度像移，实时地为精密稳像控制系统提供补偿信息。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种应用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统，包括：光学组件、探测器组件和控制电路；其中，所述探测器组件包括探测器模块和低温前置电路；目标入射光线经所述光学组件后得到目标恒星光信号；所述探测器模块接收目标恒星光信号，并将目标恒星光信号转换为电信号，并将电信号传输给所述低温前置电路，所述低温前置电路将电信号进行AD转换和去噪处理后得到全帧图像数据，将全帧图像数据传输给所述控制电路；所述控制电路将全帧图像数据进行截取得到子阵列图像数据，再对子阵列图像数据进行二维相位互相关和升采样后得到亚像素像移信息；其中，所述低温前置电路工作在低温环境下。
上述应用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统中，所述光学组件包括无焦望远光路、分光光路和精密导星测量光路；其中，目标入射光线经无焦望远光路后准直成平行光，再经过分光光路入射进入精密导星测量光路，通过精密导星测量光路将目标恒星光线成像到探测器组件。
上述应用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统中，所述无焦望远光路包括主镜、次镜、折镜和三镜；其中，目标入射光线依次经过主镜、次镜、折镜和三镜后准直得到平行光，其中，平行光的口径小于目标入射光线的口径。
上述应用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统中，所述分光光路包括分色片、可见滤光片和分束器；其中，分色片将平行光中的可见近红外光谱分离出来，再通过可见滤光片实现谱段的设置，通过分束器进行分束。
上述应用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统中，所述精密导星测量光路包括第一抛物镜、第二抛物镜、椭球面反射镜和球面反射镜；其中，第一抛物镜和第二抛物镜组成1:1中继系统；椭球面反射镜和球面反射镜组成两反成像系统。
上述应用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统中，低温为40～60K。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明利用光学系统获得高精度像移，实时地为精密稳像控制系统提供补偿信息；
(2)本发明的低温前置电路就近完成探测器信号的读出和A/D转化，并具备简单的片上数据处理功能。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的应用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统的结构框图；
图2是本发明实施例提供的光学组件的光路图；
图3是本发明实施例提供的探测器组件的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的应用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统的结构框图。如图1所示，该应用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统包括：光学组件、探测器组件和控制电路三个模块组成，其中，
如图2所示，光学组件由无焦望远光路、分光光路和精密导星测量光路组成。按照光线走向，无焦望远光路由主镜、次镜、折镜、三镜组成，目标入射光线经无焦望远光路后准直成平行光，再依次经过分光光路中的分色片、可见滤光片、分束器，入射进入精密导星测量光路。精密导星测量光路由抛物镜1和抛物镜2组成的1:1中继系统和由一块椭球面反射镜和球面反射镜组成的两反成像系统组成，最后两反成像系统将目标恒星光线成像到焦面上。
工作原理：无焦望远光路通过大口径的主镜获取目标恒星辐射信号，并通过主镜、次镜、三镜系统将入射平行光压缩成小口径出射平行光；分光光路通过分色片将可见近红外光谱从整个宽谱段中分离出来，再通过滤光片实现谱段的精确设置，通过分束器获取精密导星测量光路所需的合适的能量比例。精密导星测量光路中1:1中继系统，首先通过抛物镜1将平行光成中间像，用于杂光抑制，再通过抛物镜2准直成平行光。两反成像系统通过椭球面反射镜和球面反射镜组成摄远系统，将目标恒星光线成像到像面上。
进一步的，探测器组件包括低温前置电路和探测器，其中，
如图3所示，低温前置电路包括：通用数字接口、偏压产生器、信号调理、AD转换、数控区、数据寄存器、程序存储器、数字IO接口、数据存储器。
工作原理：红外探测器工作所需要的偏置电源包括数字信号电源、模拟信号电源、二极管偏置电源、复位电压、参考电压等。由综合电子学提供一路电源，CFEE内部产生红外探测器所需的各种偏置电源，偏置电源幅值可编程配置。红外探测器工作所需的时序信号主要包括主时钟、积分脉冲、串行数据输入、复位信号等；由于不同探测器工作频率设置不同，积分脉冲信号随不同工作模式需求变化，由后端综合电子学给CFEE提供一个主时钟及帧同步信号，CFEE根据接收的配置数据(指令)，产生并调整给探测器的主时钟频率，同时根据接收的配置数据对积分信号宽度、边沿特性等进行调整。CFEE接收探测器输出的模拟信号，经过调理并进行AD变换成数字量进行处理和输出。CFEE具备多路模拟信号接收处理能力，各路模拟通道分别独立。对接收到的探测器输出模拟信号进行采样保持，与通过DA配置后的模拟信号相减去除底电平。接收探测器输出的参考像元模拟信号，对有效像元进行校正。
进一步的，精密导星测量系统所有的通信、控制和数据处理功能都在控制电路里实施，它能够驱动和读取探测器电路、与精密稳像控制系统建立闭环控制以及即时地向地面输出科学数据。精密导星测量系统控制电路具有数据处理、接口和供电功能，主要用于数据处理和控制，实时地输出质心数据和图像数据；通过1553总线与卫星数管系统进行通信，通过LVDS与低温前置电路交互数字信号并接收状态遥测；通过二次电源给控制电路、探测器、低温前置电路供电。精密导星测量系统为空间红外天文望远镜提供精导星功能，能够使科学目标定位在仪器的视场内并且保证天文观测期间成像稳定。精密导星测量系统主要由三部分组成：工作在深低温区域的光学组件、探测器和低温前置电路组成的探测器组件以及工作在常温区域实现数据处理的控制电路。精密导星测量系统的系统架构如图1所示。
精密导星测量系统具有与载荷共光路的光学组件部分，根据光学组件的功能特点，可以分成3部分：前端望远镜主光学模块、公共光路模块和科学仪器模块，如图2所示。主光学模块采用无焦望远系统，用于实现探测目标质心的获取，并通过无焦系统实现口径的压缩。公共分光模块位于主光学模块后的孔径较小的平行光路中，通过分色片实现各个成像通道的分离，通过分光片实现精导星通道和可见光通道的分离。科学仪器模块是位于光路末端，实现最终探测或成像。本专利设计了与载荷共光路的中心视场进行成像，杜绝了星斑畸变对质心定位的影响。
为了获得低噪声、高稳定性的探测，读出电路应尽量地靠近探测器，因此将读出电路与探测器一同置于低温环境下，低温前置电路功能如图3所示。其主要作用是就近完成探测器信号的读出和A/D转化，并具备简单的片上数据处理功能。低温前置电路能够工作在深低温环境下(降低电子学热噪声)、体积小、重量轻，能够紧靠焦平面放置，对图像信号在前端进行量化，能够减小长距离传输中拾取的干扰。
在常规科学观测中，软件实现主要由以下步骤组成：
辨识：在观测图像完全稳定的时候，获得全帧图像数据，选定的精密导星测量系统视场内的导星能够通过精密导星测量系统软件辨识到；
跟踪：以辨识的导星为中心，获取子阵列图像数据，导星的质心定位更加精确；
导行：以跟踪的导星为中心，获得固定位置、子阵列图像数据。以遥测形式返回导星质心位置，用来稳定视场或者针对移动观测稳定连续的图像。
在“辨识模式”中，为了减小在积分时间内宇宙射线撞击的影响，解决信号非常微弱、长时间积分的问题，采用斜坡采样的读出方式读取全帧图像数据。在辨识到导星区域之后，将被命令切换到“跟踪模式”，绕着导星读取32*32像元窗。该阶段也采用斜坡采样的非破坏性读出方式来降低读出噪声、提高探测信噪比。在这个模式中，导星仍然可以在视场内移动。最后，当定位误差降低到一定程度时，命令进入“导星模式”，为精密稳像控制系统提供连续的像移信息。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (2)
1.一种应用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统，其特征在于包括：光学组件、探测器组件和控制电路；其中，
所述探测器组件包括探测器模块和低温前置电路；
目标入射光线经所述光学组件后得到目标恒星光信号；
所述探测器模块接收目标恒星光信号，并将目标恒星光信号转换为电信号，并将电信号传输给所述低温前置电路，所述低温前置电路将电信号进行AD转换和去噪处理后得到全帧图像数据，将全帧图像数据传输给所述控制电路；
所述控制电路将全帧图像数据进行截取得到子阵列图像数据，再对子阵列图像数据进行二维相位互相关和升采样后得到亚像素像移信息；其中，
所述低温前置电路工作在低温环境下；
所述光学组件包括无焦望远光路、分光光路和精密导星测量光路；其中，
目标入射光线经无焦望远光路后准直成平行光，再经过分光光路入射进入精密导星测量光路，通过精密导星测量光路将目标恒星光线成像到探测器组件；
所述无焦望远光路包括主镜、次镜、折镜和三镜；其中，
目标入射光线依次经过主镜、次镜、折镜和三镜后准直得到平行光，其中，平行光的口径小于目标入射光线的口径；
所述分光光路包括分色片、可见滤光片和分束器；其中，
分色片将平行光中的可见近红外光谱分离出来，再通过可见滤光片实现谱段的设置，通过分束器进行分束；
所述精密导星测量光路包括第一抛物镜(1)、第二抛物镜(2)、椭球面反射镜和球面反射镜；其中，
第一抛物镜(1)和第二抛物镜(2)组成1:1中继系统；
椭球面反射镜和球面反射镜组成两反成像系统。
2.根据权利要求1所述的应用于空间红外天文望远镜的精密导星测量系统，其特征在于：低温为40～60K。
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