CN112964247A - 一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统 - Google Patents
一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112964247A CN112964247A CN202110411077.8A CN202110411077A CN112964247A CN 112964247 A CN112964247 A CN 112964247A CN 202110411077 A CN202110411077 A CN 202110411077A CN 112964247 A CN112964247 A CN 112964247A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- field
- imaging system
- gating
- star
- view
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/02—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by astronomical means
- G01C21/025—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by astronomical means with the use of startrackers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Astronomy & Astrophysics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Studio Devices (AREA)
- Navigation (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，包括：前端像方远心望远成像系统、微透镜阵列、微开关阵列、后端共焦面成像系统及阵列探测器。其中，前端像方远心望远成像系统具备较大的视场，并将视场内的恒星成像至一次像面；微透镜和微开关阵列对一次像面的视场进行细分和选通，用于抑制天空背景光；后端共焦面成像系统将各选通视场内的一次像面进行放大成像且均成像于同一阵列探测器上。通过微开关的快速切换，可以实现在同一阵列探测器上准同时出现多颗恒星像。本发明所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统同时具备大视场和强背景光抑制能力，为实现匹配式白天星敏感器的高精度定姿定位提供了一种有效的技术途径。
Description
技术领域
本发明属于全天时自主天文导航设计领域，具体涉及一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统。
背景技术
星敏感器是一种以恒星作为参考源的姿态测量敏感器，具有精度高、抗干扰性强、可不依赖其他设备进行全自主姿态确定的优点，已在卫星平台上得到广泛应用。将星敏感器由大气层外太空环境扩展到近地空间环境使用，可使舰船、飞机、导弹等近地空间平台摆脱对卫星导航系统的依赖，具有广泛的应用前景，但需要星敏感器具备在强天光背景条件下对暗弱恒星目标的探测能力。
从上世纪50年代前后，美国就已经开始白天亮背景条件下的恒星敏感方法研究。到目前为止，美国、意大利等国家针对高空气球、飞机、以及舰船等平台的应用，研发了多种全天时近地空间星敏感器。
目前，常用的天空背景光抑制方法是通过设计小视场长焦距望远镜，减小探测器单像素立体角来实现的。上世纪80年代，美国Northrop公司就开发了NAS-26恒星导航系统，将全天时星敏感器安装在三轴稳定平台上，从全天区61颗恒星中选择目标恒星进行跟踪，实现惯性导航误差修正。2006年8月，美国Northrop公司研制的LN-120G天文/惯导导航系统在RC-135电子侦察机上完成了首次飞行试验。该系统通过“方位转动平台+俯仰扫描摆镜”的形式，从全天57颗2.5等以上恒星中选择目标恒星进行跟踪。由于牺牲了视场，这种星敏感器视场内往往只有单颗恒星目标，无法采用传统多星匹配方式实现自主定姿，而是采用机械转台等伺服机构对视场内的单颗恒星进行跟踪，其测角精度往往不高。2008年美国Trex Enterprises公司申请专利提出了一种自动天文导航系统。该系统通过观测来自多颗恒星的K波段或H波段的近红外光来进行昼夜导航。采用三个相对大口径望远镜刚性地安装在载体平台上，采用三个H波段的InGaAs探测器相机实现同步测量。该方案虽然未采用机械转台等伺服机构，但由于采用多套小视场望远镜组合的方案，因此其体积重量较大，难以满足机载等平台的应用需求。
由此可见，这些传统的机载天文导航系统均采用了大口径、小视场的光学系统，每次探测时视场内仅有一颗目标星，整个系统需要安装在二维转动/扫描平台上或采用多个望远镜实现同步测量。普遍存在系统庞大、精度低、自主性差缺陷，在小型化平台和高精度应用场合存在诸多局限。因此，亟需研究新型的全天时星敏感器，突破现有星敏感器成像体制的束缚，推动我国实现小型化、高精度和高自主性的白天星敏感器的发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对传统白天星敏感器视场大小和天光背景抑制能力难以兼顾的问题，提出一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统。该成像系统利用微透镜与微开关阵列实现瞬时视场的快速选通，并结合选通视场的共靶面设计，同时获得大视场和天光背景的抑制，实现匹配式白天星敏感方法，具有体积小、重量轻、精度高、自主性好等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，包括：
－前端像方远心望远成像系统1，用于将视场内的恒星成像于一次像面；
－微透镜阵列2，用于对一次像面的视场进行细分；
－微开关阵列3，用于对细分视场进行快速选通；
－后端共焦面成像系统4，用于对一次像面上各选通视场内的恒星像进行放大成像；
－阵列探测器5，用于接收各选通视场内经放大成像后的恒星像。
无穷远的恒星信号光由前端像方远心望远成像系统1成像于一次像面；再由微透镜阵列2和微开关阵列3对一次像面的视场进行细分和选通；然后，由后端共焦面成像系统4对一次像面上各选通视场内的恒星像进行放大成像；最后，由阵列探测器5接收各选通视场内经放大成像后的恒星像。
进一步地，所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，前端望远成像系统采用像方远心结构，保证各选通视场内的恒星在成一次像时主光线与微透镜的光轴平行；
进一步地，所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，选通视场的大小可表示为
其中，Ω为探测器单位像元所对应的立体角，n为探测器一维方向的像元数；
进一步地，所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，系统的总有效视场小于前端像方远心望远成像系统的视场，且系统的总视场可表示为：
其中，N2为微透镜阵列的单元数；
进一步地，所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，微开关阵列的单元数与微透镜阵列的单元数相同，且阵列单元位置一一对应；
进一步地，所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，单元微透镜的F数应该不小于前端望远成像系统的F数，以保证选通视场内对恒星的成像质量及能量利用率；
进一步地，所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，阵列探测器上最终形成的恒星像直径不超过3×3个探测器像素范围，以保证恒星像的能量集中度，能够在白天环境下获得足够的探测信噪比；
进一步地，所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，各选通视场通过微开关阵列快速切换，每个选通视场在选通时共用同一个阵列探测器，但对于不同的选通视场，阵列探测器上同一点对应的天球坐标不同；
进一步地，所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，各视场的选通时长小于100ms，通过微开关阵列的快速切换，可实现在同一阵列探测器上准同时出现多颗恒星像，用于白天环境下的匹配式星敏定姿。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、与现有的全天时单星跟踪器相比，本发明所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统可以摆脱现有技术方案对转动/扫描机构的依赖，具有自主性高、测量精度高等显著优势；
2、与现有多个望远镜组合的星敏感器相比，本发明所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统仅需要一个望远镜光学系统即可实现视场内多颗恒星的探测，具有体积小，重量轻等优势；
3、与采用大视场长焦距大靶面星敏感器方案相比，本发明所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统无需采用大靶面探测器，各选通视场共用同一个小靶面探测器，大大降低了探测器的技术难度和成本。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统的结构示意图；
图中：1为前端像方远心望远成像系统，11为前端像方远心望远成像系统对恒星成像的一次像面，2为微透镜阵列，3为微开关阵列，4为后端共焦面成像系统，5为阵列探测器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1：
本发明实施例1，是一个口径为100mm，F数为15，单像素对应视场角为2.74″，工作波段为1.3～1.7μm，总有效视场为2.66°×2.66°的基于视场选通技术的红外波段白天星敏成像系统。如图1所示，本发明所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统包括：前端像方远心望远成像系统1，微透镜阵列2，微开关阵列3，后端共焦面成像系统4和阵列探测器5。其中前端像方远心望远成像系统1的视场为5°×5°，口径为100mm，焦距为300mm；微透镜阵列2的单元口径为3.8mm，焦距为6mm，单元数为7×7；微开关阵列3的单元口径也为3.8mm，单元数也为7×7；后端共焦面成像系统4的口径为30mm，焦距为30mm；阵列探测器5的像元尺寸为20μm，像元阵列数为512×512。
无穷远的恒星信号光由前端像方远心望远成像系统1成像于一次像面，成像质量达到近衍射极限，对应恒星象的尺寸为艾里斑大小，即
再由微透镜阵列2和微开关阵列3对一次像面的视场进行细分和选通，细分视场大小为0.38°×0.38°，对应探测器单像素对应视场角为0.38°/500＝2.74″，提供较强的背景光抑制能力。由于微透镜阵列的单元数为7×7，因此，成像系统的总视场为(0.38°×7)×(0.38°×7)＝2.66°×2.66°；然后，由后端共焦面成像系统4对一次像面上各选通视场内的恒星像进行5倍放大成像；最后，由探测器5接收经放大成像后的恒星像，成像质量达到衍射极限，对应恒星像的尺寸为艾里斑大小，即11μm×5＝55μm，小于3×3个探测器像元大小，满足对能量集中度和恒星像质心提取的要求。各视场的选通时长为20ms，根据先验信息并通过微开关阵列的快速切换，可实现在60ms时间内同一探测器上准同时出现3颗恒星像，用于白天环境下的匹配式星敏定姿。
实施例2
本发明实施例2，是一个口径为80mm，F数为20，单像素对应视场角为1.5″，工作波段为700nm～900nm，总有效视场为4.58°×4.58°的基于视场选通技术的可见光波段白天星敏成像系统。如图1所示，本发明所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统包括：前端像方远心望远成像系统1，微透镜阵列2，微开关阵列3，后端共焦面成像系统4和阵列探测器5。其中前端像方远心望远成像系统1的视场为6°×6°，口径为80mm，焦距为320mm；微透镜阵列2的单元口径为3mm，焦距为7mm，单元数为11×11；微开关阵列3的单元口径也为3mm，单元数也为11×11；后端共焦面成像系统4的口径为35mm，焦距为35mm；阵列探测器5的像元尺寸为13μm，像元阵列数为1024×1024。
无穷远的恒星信号光由前端像方远心望远成像系统1成像于一次像面，成像质量达到近衍射极限，对应恒星象的尺寸为艾里斑大小，即
再由微透镜阵列2和微开关阵列3对一次像面的视场进行细分和选通，细分视场大小为0.42°×0.42°，对应探测器单像素对应视场角为0.42°/1000＝1.5″，提供较强的背景光抑制能力。由于微透镜阵列的单元数为11×11，因此，成像系统的总视场为(0.42°×11)×(0.42°×11)＝4.58°×4.58°；然后，由后端共焦面成像系统4对一次像面上各选通视场内的恒星像进行5倍放大成像；最后，由探测器5接收经放大成像后的恒星像，成像质量达到衍射极限，对应恒星像的尺寸为艾里斑大小，即7.8μm×5＝39μm，等于3×3个探测器像元大小，满足对能量集中度和恒星像质心提取的要求。各视场的选通时长为100ms，根据先验信息并通过微开关阵列的快速切换，可实现在400ms时间内同一探测器上准同时出现4颗恒星像，用于白天环境下的匹配式星敏定姿。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，其特征在于：包括：
－前端像方远心望远成像系统(1)，用于将视场内的恒星成像于一次像面；
－微透镜阵列(2)，用于对一次像面的视场进行细分；
－微开关阵列(3)，用于对细分视场进行快速选通；
－后端共焦面成像系统(4)，用于对一次像面上各选通视场内的恒星像进行放大成像；
－阵列探测器(5)，用于接收各选通视场内经放大成像后的恒星像。
其中，无穷远的恒星信号光由前端像方远心望远成像系统(1)成像于一次像面；再由微透镜阵列(2)和微开关阵列(3)对一次像面的视场进行细分和选通；然后，由后端共焦面成像系统(4)对一次像面上各选通视场内的恒星像进行放大成像；最后，由阵列探测器(5)接收各选通视场内经放大成像后的恒星像。
2.根据权利要求1所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，其特征在于：前端望远成像系统采用像方远心结构，保证各选通视场内的恒星在成一次像时主光线与微透镜的光轴平行。
3.根据权利要求1所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，其特征在于：选通视场的大小可表示为
其中，Ω为探测器单位像元所对应的立体角，n为探测器一维方向的像元数。
4.根据权利要求1所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，其特征在于：系统的总有效视场小于前端像方远心望远成像系统的视场，且系统的总视场可表示为：
其中，N2为微透镜阵列的单元数。
5.根据权利要求1所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，其特征在于：微开关阵列的单元数与微透镜阵列的单元数相同，且阵列单元位置一一对应。
6.根据权利要求1所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，其特征在于：单元微透镜的F数应该不小于前端望远成像系统的F数，以保证选通视场内对恒星的成像质量及能量利用率。
7.根据权利要求1所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，其特征在于：阵列探测器上最终形成的恒星像直径不超过3×3个探测器像素范围，以保证恒星像的能量集中度，能够在白天环境下获得足够的探测信噪比。
8.根据权利要求1所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，其特征在于：各选通视场通过微开关阵列快速切换，每个选通视场在选通时共用同一个阵列探测器，但对于不同的选通视场，阵列探测器上同一点对应的天球坐标不同。
9.根据权利要求1所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，其特征在于：各选通视场的时长小于100ms，通过微开关阵列的快速切换，可实现在同一阵列探测器上准同时出现多颗恒星像，用于白天环境下的匹配式星敏定姿。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011048080X | 2020-09-29 | ||
| CN202011048080.XA CN112212858A (zh) | 2020-09-29 | 2020-09-29 | 一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112964247A true CN112964247A (zh) | 2021-06-15 |
| CN112964247B CN112964247B (zh) | 2022-05-17 |
Family
ID=74051937
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011048080.XA Withdrawn CN112212858A (zh) | 2020-09-29 | 2020-09-29 | 一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统 |
| CN202110411077.8A Active CN112964247B (zh) | 2020-09-29 | 2021-04-16 | 一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统 |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011048080.XA Withdrawn CN112212858A (zh) | 2020-09-29 | 2020-09-29 | 一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (2) | CN112212858A (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113607385A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-11-05 | 西安航空学院 | 一种用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统 |
| CN113670299B (zh) * | 2021-08-16 | 2022-10-25 | 北京航空航天大学 | 一种用于星敏感器的串行并行组合式视场选通成像方法 |
| CN113835211B (zh) * | 2021-08-20 | 2023-06-30 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种提高视场选通成像系统视场占空比的方法 |
| CN113820850B (zh) * | 2021-08-23 | 2023-08-11 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种集成球面反射镜的mems微快门阵列器件 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050246073A1 (en) * | 2004-04-29 | 2005-11-03 | The Boeing Company | Multiple stayout zones for ground-based bright object exclusion |
| CN101750068A (zh) * | 2009-12-31 | 2010-06-23 | 苏州大学 | 一种太阳敏感器及其测量方法 |
| CN108955872A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-12-07 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种消除天光背景影响的脉冲激光信标波前探测装置及方法 |
| CN110308553A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-10-08 | 天津大学 | 基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学系统 |
| CN111458045A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-07-28 | 电子科技大学 | 一种基于焦面哈特曼波前传感器的大视场波前探测方法 |
-
2020
- 2020-09-29 CN CN202011048080.XA patent/CN112212858A/zh not_active Withdrawn
-
2021
- 2021-04-16 CN CN202110411077.8A patent/CN112964247B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050246073A1 (en) * | 2004-04-29 | 2005-11-03 | The Boeing Company | Multiple stayout zones for ground-based bright object exclusion |
| CN101750068A (zh) * | 2009-12-31 | 2010-06-23 | 苏州大学 | 一种太阳敏感器及其测量方法 |
| CN108955872A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-12-07 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种消除天光背景影响的脉冲激光信标波前探测装置及方法 |
| CN110308553A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-10-08 | 天津大学 | 基于微透镜阵列进行视场切换的中红外成像光学系统 |
| CN111458045A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-07-28 | 电子科技大学 | 一种基于焦面哈特曼波前传感器的大视场波前探测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112964247B (zh) | 2022-05-17 |
| CN112212858A (zh) | 2021-01-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112964247B (zh) | 一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统 | |
| CN106405573B (zh) | 一种基于共轴三反无焦望远镜的四波束激光三维成像系统 | |
| US11079234B2 (en) | High precision—automated celestial navigation system | |
| US8115994B2 (en) | Scanning wide field telescope and method | |
| US5483865A (en) | Aircraft sighting system | |
| CN102927982B (zh) | 双光谱的自主导航敏感器及其设计方法 | |
| RU2517800C1 (ru) | Способ обзора небесной сферы с космического аппарата для наблюдения небесных объектов и космическая система обзора небесной сферы для наблюдения небесных объектов и обнаружения тел солнечной системы, реализующая указанный способ | |
| CN103345062B (zh) | 高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统 | |
| FR2655503A1 (fr) | Systeme optoelectronique d'aide aux missions aeriennes d'attaque et de navigation. | |
| US6066850A (en) | Satellite attitude sensor using thermal imaging | |
| CN104977708A (zh) | 多光谱共口径光学系统 | |
| CN104090355A (zh) | 一种实现全天候的星敏感器光学系统 | |
| Eisenman et al. | New generation of autonomous star trackers | |
| CN109870804A (zh) | 一种离轴三反五通道可见红外成像与激光接收光学系统 | |
| CN107677266B (zh) | 基于自旋-仰角跟踪理论的星光导航系统及其解算方法 | |
| CN109540129A (zh) | 一种机载式全天时星敏感器导航星库的制作方法 | |
| US5225885A (en) | Apparatus for determining the attitude of a celestial body orbiting spacecraft or satellite relative to the celestial body | |
| Pernechele et al. | Hyper hemispheric lens applications in small and micro satellites | |
| CN111093015A (zh) | 一种静止轨道高分辨率监视成像卫星系统及方法 | |
| US20210318120A1 (en) | Compact Star Tracker Using Off‐Axis Parabolic Mirror | |
| CN114353740B (zh) | 一种以地球为目标的飞行器的飞行姿态的成像方法和系统 | |
| CN113835211B (zh) | 一种提高视场选通成像系统视场占空比的方法 | |
| Cassidy | Advanced stellar sensors-A new generation | |
| CN115308809B (zh) | 侧面遮挡全周向日球成像仪 | |
| CN116519146A (zh) | 支持异速像移补偿功能的三波段红外探测器及航空相机 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |