CN112433328A - 一种基于仿生复眼的大视场星敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大视场星敏感器，为解决现有星敏感器采用较小视场成像系统时，还需配合使用跟踪云台，而现有采用基于类似复眼结构的设计，又存在系统一体化和集成化不足的问题，提供一种基于仿生复眼的大视场星敏感器，包括沿光路依次设置的球面透镜组单元、光学变换单元和数据处理单元；球面透镜组单元包括支撑壳体和多个透镜组；多个透镜组均安装在支撑壳体上，且相互独立设置，入射面分布在支撑壳体的球面上，入射光轴指向支撑壳体前部球面所在球体的球心，共同构成预设角度的视场；光学变换单元包括多块同轴设置的透镜，且光轴穿过支撑壳体前部球面所在球体的球心；数据处理单元，用于接收连续平面像，转换为离散数字图像，从中提取恒星质心点。

Description

一种基于仿生复眼的大视场星敏感器

技术领域

本发明涉及大视场星敏感器，具体涉及一种基于仿生复眼的大视场星敏感器。

背景技术

星敏感器是一种通过观测恒星位置，并以其作为参考坐标系，用以解算不同恒星位置信息及自身空间姿态的装置。其工作原理为，实时拍摄恒星图像后，通过处理算法获得恒星质心位置，再结合导航星图估算自身位置姿态。

目前，星敏感器主要使用单个或数个20°以下的较小视场成像系统对特定天区进行观测，需要配合使用跟踪云台，使相机部件保持对被观测恒星的跟踪。还有部分星敏感器基于类似复眼结构设计，采用多个独立光学系统视场拼接的方法获取星图，需要使用多个光学探测器分别与相互独立的光学系统匹配，使读出电路和多个光学探测器的驱动电路复杂化，不利于系统的一体化与集成化。

发明内容

本发明为解决现有星敏感器采用较小视场成像系统时，还需配合使用跟踪云台，而现有采用基于类似复眼结构的设计，又存在系统一体化和集成化不足的问题，提供一种基于仿生复眼的大视场星敏感器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于仿生复眼的大视场星敏感器，其特殊之处在于，包括沿光路依次设置的球面透镜组单元、光学变换单元和数据处理单元；

所述球面透镜组单元包括支撑壳体和多个透镜组；

所述支撑壳体的前部呈球面设置；

多个所述透镜组均安装在支撑壳体上，且相互独立设置，入射面分布在支撑壳体的前部，指向支撑壳体前部球面所在球体的球心，共同构成预设角度的视场，用于采集恒星图像；

所述光学变换单元包括多块同轴设置的透镜，且光轴穿过支撑壳体前部球面所在球体的球心，用于将多个透镜组形成的连续焦曲面像转换为连续平面像；

所述数据处理单元，用于接收连续平面像，将连续平面像转换为离散数字图像，从中提取恒星质心点，并对图像进行重构。

进一步地，所述透镜组设置有16个，呈4*4正方形阵列分布在支撑壳体的前部，沿正方形阵列横向和纵向相邻两个透镜组光轴夹角为30°，沿正方形阵列对角线方向相邻两个透镜组光轴夹角为40°；

每个所述透镜组的视场角为±15°。

进一步地，所述光学变换单元包括由11块透镜组成的远心视光路。

进一步地，所述数据处理单元包括图像传感器和数字处理电路；

所述图像传感器用于接收连续平面像，将连续平面像转换为离散数字图像，发送至数字处理电路；

所述数字处理电路用于从接收到的离散数字图像中提取恒星质心点，并对图像进行重构。

进一步地，所述图像传感器采用面阵大于40mm*40mm的CMOS传感器、面阵大于40mm*40mm的CCD传感器或等效面阵大于40mm*40mm的拼接探测器。

进一步地，所述支撑壳体为金属材质。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明基于仿生复眼的大视场星敏感器，能够实现大视场范围内的恒星探测，可根据实际需要的视场要求，调整支撑壳体上透镜组的分布和设置数量，改善了原有星敏感器设计视场小，需要运动跟踪辅助的问题，降低了系统消耗且提高了稳定性；另外，相对现有分系统的复眼星敏感器结构，采用单个探测器即可采集所有视场的图像信息，避免了多探测器可能存在的驱动电路复杂化等问题，同时，也大幅度提高了系统的集成度和一体化程度。

2.本发明中设置16个透镜组，按照4*4正方形阵列分布，并适当设计各透镜组光轴夹角，使本发明的大视场星敏感器视场能够达到150°以上，可探测最优星等达6等星。

3.本发明中光学变换单元采用由11块透镜组成的远心视光路，物面在不同视场的出射光线与像平面垂直，能够最大限度消除探测器离焦对不同视场角的影响差别。

4.本发明中支撑壳体的材质为金属，能够对透镜组起到足够强度的支撑作用，增强了星敏感器的整体可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明基于仿生复眼的大视场星敏感器实施例的结构示意图；

图2为本发明图1的内部结构示意图；

图3为本发明实施例中球面透镜组单元的结构示意图。

其中，1-球面透镜组单元、101-支撑壳体、102-透镜组、2-光学变换单元、3-数据处理单元、301-图像传感器、302-数字处理电路。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

目前，主要的星敏感器普遍使用较长的焦距及较小的视场角，采用动部件跟踪目标恒星。为了适应星图导航的大范围天区观测需要，提高自身位置与姿态的解算精度，并减少系统中动件带来的不稳定影响，本发明提出一种基于仿生复眼的大视场星敏感器，采用多孔径镜头配合中继转像系统，可使用单个面阵探测器与中继系统，实现复眼结构中多个视场的像质矫正与图像信息的即时获取，以获得成像效果较好的大视场图像，可实现对150°视场范围的恒星目标成像及星图匹配，有效提高星敏感器系统的集成度与探测精度。

如图1和图2，本发明提出的基于仿生复眼的大视场星敏感器，包括沿光路依次设置的球面透镜组单元1、光学变换单元2和数据处理单元3。

球面透镜组单元1主要作用是大视场场景内的图像采集，也是大视场星敏感器的核心部件，包括支撑壳体101和多个透镜组102，支撑壳体101的前部呈球面设置，可以设计为一个带有多个安装孔的金属球壳，该金属球壳可通过精密数控机床加工，保证加工精密度，透镜组102安装在安装孔内，每个安装孔内安装一个透镜组，支撑壳体101起到支撑透镜组的作用，还能防止相邻安装孔内透镜组102间的串扰，起到孔径光阑的作用，各透镜组102在对应的安装孔内相互独立设置，入射面分布在支撑壳体101的前部球面上，指向支撑壳体101前部球面所在球体的球心，多个透镜组102共同构成预设角度的大视场，获取大范围内的恒星图像，每个透镜组102均为镜筒内安装多块镜片，镜片的设置数量和设置方式可根据采集需求进行调整，另外，透镜组102的设置数量，以及在支撑壳体101前部的分布方式，都可根据需要的视场角度和采集需求进行调整，由透镜组102排成曲面进行大范围成像，可对远距离恒星成像，相应的也可对应有效观测星等。

光学变换单元2作为中继转像单元，包括多块同轴设置的透镜，且所处轴线穿过支撑壳体101前部球面所在球体的球心，可以将球面透镜组单元1所成球面像变换到平面图像，被数据处理单元3所接受，以此解决了成像焦曲面和平面图像被相应传感器接收不匹配的问题，可以通过光学变换单元2中同光轴设置的透镜矫正所有透镜组102的成像效果，可在相对低消耗的前提下，提高系统的成像质量和精度。其中，多块同轴设置的透镜可采用远心视光路设计，物面在不同视场的出射光线与像平面垂直，能够最大限度消除探测器离焦对不同视场角的影响差别。

数据处理单元3包括图像传感器301和数字处理电路302，图像传感器301用于接收连续平面像，将连续平面像转换为离散数字图像，发送至数字处理电路302，可选用面阵大小大于40mm*40mm的大面阵CMOS传感器，或面阵大小大于40mm*40mm的CCD传感器，或等效面阵大小大于40mm*40mm的拼接探测器。数字处理电路302用于从接收到的离散数字图像中提取恒星质心点，并对图像进行重构。数据处理单元3的主要功能为，驱动图像传感器301进行数据采集，读出获取的图像数据，通过圆检测等方法对图像进行视场分割、星点位置获取等前期数据处理，可以把光学连续图像采样为离散数字图像，在数字处理电路302中进行恒星质心点的提取以及多孔径图像的拼合重构，具体的提取方法和拼合重构方法可采用现有的处理方法。

如下是本发明的一个具体实施例，实现对150°视场范围的恒星目标成像及星图匹配，有效观测星等为6等星：

如图1至图3，本实施例中球面透镜组单元1的支撑壳体101上共安装有16组透镜组102，支撑壳体101为机械加工制作，透镜组102安装在支撑壳体101前部的球面上，为近半球壳表面，设计中可以使不同透镜组102之间距离接近相等，不同透镜组102所成图像拥有一定重叠率，最终可通过重构算法获得大视场范围内的图像。在本实施例中，单个透镜组102的视场角为±15°，16个透镜组102在支撑壳体101前部球面上呈4*4正方形阵列分布，沿正方形阵列横向和纵向相邻两个透镜组光轴夹角为30°，单组透镜组102全视场角大小为30°，沿正方形阵列对角线方向相邻两个透镜组光轴夹角为40°，以使沿该方向的总视场角可达到150°，且子视场间边缘相接。光学变换单元2为中继转像子系统，该系统包含11块镜片，将16个透镜组102组成的阵列形成的焦曲面像转换为平面像，光学变换单元2之后连接数据处理单元3，数据处理单元3中包含图像传感器301。球面透镜组单元1中的每个透镜组102由支撑框及7片透镜组成，安装在支撑壳体101上，透镜组102的焦距为41mm，最大视场为±15°，光学总长为55mm，分布在半径为61mm的球面上。光学变换单元2为中继转像系统，包含11块镜片，将透镜组102组成的阵列所成焦曲面像转换为焦平面，光学变换单元2的焦距为20mm，光学总长为183mm，其视场角应保证能接收到结构设计中最边缘透镜组102的入射光线。安装中，还应保证球面透镜组单元1所排布的半球面，其球心位置位于光学变换单元2光轴上，支撑壳体101前部球面所处球体的球心位置在光学变换单元2第一面后31mm处。球面透镜组单元1与光学变换单元2组合的光学系统焦距为13mm，最大视场为±75°，光学总长为275mm，整体系统通光孔径10mm。数据处理单元3由图像传感器301与数字处理电路302组成，由数字处理电路302对图像传感器进行供电与控制，同时数字处理电路302可进行简单的数据前期处理，包括圆形子视场检测及恒星像检测与质心点位置的获取。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于仿生复眼的大视场星敏感器，其特征在于：包括沿光路依次设置的球面透镜组单元(1)、光学变换单元(2)和数据处理单元(3)；

所述球面透镜组单元(1)包括支撑壳体(101)和多个透镜组(102)；

所述支撑壳体(101)的前部呈球面设置；

多个所述透镜组(102)均安装在支撑壳体(101)上，且相互独立设置，入射面分布在支撑壳体(101)的球面上，入射光轴指向支撑壳体(101)前部球面所在球体的球心，共同构成预设角度的视场，用于采集恒星图像；

所述光学变换单元(2)包括多块同轴设置的透镜，且光轴穿过支撑壳体(101)前部球面所在球体的球心，用于将多个透镜组形成的连续焦曲面像转换为连续平面像；

所述数据处理单元(3)，用于接收连续平面像，将连续平面像转换为离散数字图像，从中提取恒星质心点，并对图像进行重构。

2.根据权利要求1所述一种基于仿生复眼的大视场星敏感器，其特征在于：

所述透镜组(102)设置有16个，呈4*4正方形阵列分布在支撑壳体(101)的前部，沿正方形阵列横向和纵向相邻两个透镜组光轴夹角为30°，沿正方形阵列对角线方向相邻两个透镜组光轴夹角为40°；

每个所述透镜组的视场角为±15°。

3.根据权利要求2所述一种基于仿生复眼的大视场星敏感器，其特征在于：

所述光学变换单元(2)包括由11块透镜组成的远心视光路。

4.根据权利要求1至3任一所述一种基于仿生复眼的大视场星敏感器，其特征在于：所述数据处理单元(3)包括图像传感器(301)和数字处理电路(302)；

所述图像传感器(301)用于接收连续平面像，将连续平面像转换为离散数字图像，发送至数字处理电路(302)；

所述数字处理电路(302)用于从接收到的离散数字图像中提取恒星质心点，并对图像进行重构。

5.根据权利要求4所述一种基于仿生复眼的大视场星敏感器，其特征在于：所述图像传感器(301)采用面阵大于40mm*40mm的CMOS传感器、面阵大于40mm*40mm的CCD传感器或等效面阵大于40mm*40mm的拼接探测器。

6.根据权利要求5所述一种基于仿生复眼的大视场星敏感器，其特征在于：所述支撑壳体(101)为金属材质。

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