CN113280810B - 一种星敏感器及其探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星敏感器及其探测方法，星敏感器包括干涉单元、角度调制单元、光学成像单元、探测单元；干涉单元使星光经过时发生干涉，包括周期相等、刻线方向形成夹角ε、间距为d的光栅G1和光栅G2；角度调制单元对同一入射星光产生不同方向的偏转，包括阵列的光楔列阵；光学成像单元将不同方向的光会聚成像在探测单元的不同位置上。本发明设计的星敏感器结构简单，克服传统星敏感器精度与视场、体积、质量等因素难以兼顾的问题，并且由于干涉单元和角度调制单元的设置，使得本发明的星敏感器在对单星测量时，分辨率可以达到0.1″，相较于传统的星敏感器提高了探测精度。
Description
技术领域
本发明属于航空探测装置技术领域，尤其涉及一种星敏感器及其探测方法。
背景技术
星敏感器是除太阳外的恒星为观测对象，利用星体在星敏感器上所成的像获得星体在星敏感器坐标系中的单位矢量，通过计算星体在星敏感器坐标系中的单位矢量相对于星体在天体坐标系中单位矢量的坐标变换矩阵，得到载体飞行姿态的敏感器。其输出的姿态测量精度可以达到角秒级甚至亚角秒级，并且具有无时间累积误差、能够自主导航的优势，已经成为目前测量精度最高的姿态敏感器，在地球遥感、地球测绘、洲际导弹、行星测绘等方面得到了广泛应用。随着航空航天事业的飞速发展以及应用场合的特殊化，高精度、大视场、轻小化已经成为星敏感器发展的趋势。
由于星敏感器精度与视场、体积和质量等难以兼顾，传统微型星敏感器测量精度普遍较低，其精度等级较大型星敏感器相差近一个量级。典型的微型星敏感器主要有：STC-2星敏感器、Picostar星敏感器、ST-16星敏感器。STC-2星敏感器是目前已知质量最轻的星敏感器，不计遮光罩仅重65g，视场19.64°，功耗仅为250mW，但是其姿态测量精度只有10″；Picostar星敏感器质量仅70g，体积仅为30×38×80mm3，视场12.51°，但是由于其图像传感器分辨率较低，姿态测量精度仅为36″；ST-16星敏感器，在轻小型星敏感器中姿态测量精度相对较高，x/y轴姿态测量精度达到了7″，视场20.03°，但是其姿态更新率仅为2Hz。
浙江大学在此基础上提出了一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，其理论上单星测量精度达0.2″。该装置可以同时提高x、y方向星光入射角度的测量精度，但是该装置用到+1级或-1级的光栅衍射级次，宽波段的星光在衍射方向会存在严重色散；另外从x、y方向分别对入射光强细分，会使探测器上光斑信号进一步减弱，增加了探测难度，实用性有待提高。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种星敏感器，解决了传统星敏感器精度与视场、体积、质量等因素难以兼顾的问题，具体包括：
干涉单元、角度调制单元、光学成像单元、探测单元；
干涉单元使星光经过时发生干涉，包括周期相等、刻线方向形成夹角ε、间距为d的光栅G1和光栅G2，
d＞0mm，p为光栅周期，B为干涉条纹周期；角度调制单元对同一入射星光产生不同方向的偏转，包括阵列的光楔列阵；光学成像单元将不同方向的光会聚成像在探测单元的不同位置上。
优选的，光栅G1和光栅G2的周期为50μm、间距为50mm。
优选的，干涉单元的电子学细分采用1024倍细分。
优选的，光楔列阵为4个光楔且4个光楔纵向列阵。
优选的，光学成像单元为聚焦透镜组。
优选的，探测单元为探测器。
一种上述星敏感器的探测方法，包括如下步骤：
S1：建立星敏感器坐标系O-xyz和星敏感器靶面坐标系x'O'y'；
S2：计算单颗星在选定平面上的平面光波场Ui(x,y)，选定平面为任一平行于xOy面的平面；
S3：单颗星发出的星光经过光栅G1后发生衍射，根据角谱理论计算此处衍射光场分布的空间频谱F1(fx,fy)；
S4：步骤S3中的星光入射至光栅G2之前，由于光栅G1与光栅G2之间存在间隙，计算此时光场分布的空间频谱F1'(fx,fy)；
S5：星光经过光栅G2后，各级衍射光发生干涉，计算此处干涉光场分布的空间频谱F2(fx,fy)；
S6：当步骤S5中的星光经过光楔阵列后，计算此处干涉光场分布的空间频谱F3(fx,fy)；
S7：光栅G1衍射后的m级衍射光在入射至光栅G2之前，产生传播距离为d的相移，计算该相移
S8：计算x'O'y'平面上的光场分布UF(x',y')。
优选的，平面光波场Ui(x,y)的计算公式为：
其中，A为实数，代表光波场振幅；λ为星光发出的任一平面波的波长；θx,θy分别为平面光波与星敏感器坐标系x轴、y轴夹角的余角。
优选的，星光经过光栅G1后，衍射光场分布的空间频谱F1(fx,fy)为：
F1(fx,fy)＝Fi(fx,fy)*G1(fx,fy) (2)
其中，Fi(fx,fy)为星光光场的频谱，即平面光波场Ui(x,y)的傅里叶变换，G1(fx,fy)表示光栅G1的频谱。
优选的，步骤S4中，星光经过光栅G1后且未透过光栅G2时，计算此时光场分布的空间频谱F1'(fx,fy)：
F1'(fx,fy)＝F1(fx,fy)H(fx,fy) (3)
其中，H(fx,fy)为传递函数。
优选的，步骤S5中，星光经过光栅G2后的干涉光场分布的空间频谱F2(fx,fy)为：
F2(fx,fy)＝F1'(fx,fy)*G2(fx,fy) (4)
其中，G2(fx,fy)表示光栅G2的频谱。
优选的，步骤S6中，星光经过光楔阵列的干涉光场分布的空间频谱为F3(fx,fy)为：
其中，T(fx,fy)为光楔阵列的频谱；
为脉冲函数；n代表光楔阵列中第n块光楔，n＝1,2,3,4；a为光楔在x轴方向上的长度，b为光楔在y轴方向的长度；m为光栅G1的m级衍射，m'为光栅G2的m'级衍射；Cm为光栅G1的m级衍射系数，Cm'为光栅G2的m'级衍射系数。
优选的，步骤S7中的相移
为：
优选的，x'O'y'平面上的光场分布UF(x',y')为：
其中，F为光学成像单元焦距，d0为所述光楔阵列到光学成像单元中第一块透镜的距离。
有益效果：本发明设计的星敏感器结构简单，克服传统星敏感器精度与视场、体积、质量等因素难以兼顾的问题，并且由于干涉单元和角度调制单元的设置，使得本发明的星敏感器在对单星测量时，分辨率可以达到0.1″，相较于传统的星敏感器提高了探测精度。
附图说明
图1为本发明一种实施例的星敏感器结构示意图；
图2为本发明一种实施例的星敏感器坐标系O-xyz和星敏感器靶面坐标系x'O'y'示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要注意的是，本文使用术语第一、第二、第三等来描述各种部件或零件，但这些部件或零件不受这些术语的限制。这些术语仅用来区别一个部件或零件与另一部件或零件。术语诸如“第一”、“第二”和其他数值项在本文使用时不是暗示次序或顺序，除非由上下文清楚地指出。为了便于描述，本文使用空间相对术语，诸如“内部”、“外部”、“上端”、“下端”、“左侧”、“右侧”、“上部的”、“左”、“右”等，以描述本实施例中部件或零件的方位关系，但这些空间相对术语并不对技术特征在实际应用中的方位构成限制。
为克服传统星敏感器精度与视场、体积、质量等因素难以兼顾的问题，本发明基于衍射光栅的高精度干涉星敏感器，利用角谱理论，建立了星光入射角度与探测器上像点位置和强度之间的数学模型，确定了星敏感器利用像点位置和强度分别进行粗定位、精定位、粗精定位结合的方法，理论分析了星敏感器单星测量角分辨率仅由光栅周期、两块光栅间的距离及电子学细分倍数决定。并发现，在光栅周期为50μm，两块光栅距离为50mm，电子学采用1024倍细分的情况下，单星测量角分辨率达到0.1″，与传统星敏感器相比，精度有效的提高了。
如图1，本发明的一种实施例的星敏感器包括干涉单元、角度调制单元、光学成像单元、探测单元；干涉单元使星光经过时发生干涉，包括周期相等、刻线方向形成夹角ε、间距为d的光栅G1和光栅G2；角度调制单元对同一入射星光产生不同方向的偏转，包括阵列的光楔列阵；光学成像单元将不同方向的光会聚成像在探测单元的不同位置上。
本发明的星敏感器的具体结构为：主要由干涉单元、角度调制单元和光学成像单元等三部分组成。星光经过干涉单元发生干涉后，到达角度调制单元，角度调制单元对同一入射星光产生不同方向的偏转，光学成像单元将不同方向的光成像至探测器不同位置。其中干涉单元由两块周期相同、刻线方向间有一微小夹角ε且距离为d的光栅G1、G2组成，角度调制单元由四块光楔组成，光学成像部分与传统星敏感器相似，由聚焦透镜组组成。干涉单元和角度调制单元是本发明的星敏感器与传统星敏感器的区别之处。其中，
d＞0mm，p为光栅周期，B为干涉条纹周期。
其中，优选的一种实施例为：光栅G1和光栅G2的周期为50μm、间距为50mm。干涉单元的电子学细分采用1024倍细分；光楔列阵包括四个光楔且四个光楔纵向列阵，光学成像单元为聚焦透镜组，探测单元为探测器。本发明星敏感器的上述数据是通过创造性实验得出的，并在此条件下的星敏感器，单星测量角分辨率达0.1″，而传统的星敏感器并不能做到。
如图2所示，一种上述星敏感器的探测方法，包括如下步骤：
S1：建立星敏感器坐标系O-xyz和星敏感器靶面坐标系x'O'y'。
步骤S1的具体操作为：为方便分析星光光场在星敏感器中的传输过程，准确得到探测器上像点与星光入射角度之间的关系，建立了如图2所示的星敏感器靶面坐标系x'O'y'和星敏感器坐标系O-xyz。在星敏感器靶面坐标系x'O'y'中，O'为探测器的几何中心，x'轴、y'轴分别与探测器阵列的行、列平行。在星敏感器坐标系O-xyz中，以主点O为坐标原点，其中，O点为沿光轴距离靶面坐标系为F的点，F为星敏感器光学系统的焦距；光轴指向为z轴正方向，另外，与探测器像元阵列行、列平行的分别为x轴、y轴，并且星敏感器坐标系符合右手准则，P点代表星像点。
结合图1和图2，图1中光栅G1刻线方向沿y方向，光栅G2刻线方向与y轴方向有一微小夹角ε，两块光栅周期均为p，并且两光栅间距为d。光楔阵列在平行于xOy面的平面上沿y轴方向摆放，且光楔在x方向上的长度为a，y方向上的长度为b。
S2：计算单颗星在选定平面上的平面光波场Ui(x,y)，选定平面为任一平行于xOy面的平面；
平面光波场Ui(x,y)的计算公式为：
其中，A为实数，代表光波场振幅；λ为星光发出的任一平面波的波长；θx,θy分别为平面光波与星敏感器坐标系x轴、y轴夹角的余角。
S3：单颗星发出的星光经过光栅G1后发生衍射，根据角谱理论计算此处衍射光场分布的空间频谱F1(fx,fy)；
星光经过光栅G1后，衍射光场分布的空间频谱F1(fx,fy)为：
F1(fx,fy)＝Fi(fx,fy)*G1(fx,fy) (2)
其中，Fi(fx,fy)为星光光场的频谱，即平面光波场Ui(x,y)的傅里叶变换，G1(fx,fy)表示光栅G1的频谱。
S4：步骤S3中的星光入射至光栅G2之前，由于光栅G1与光栅G2之间存在间隙，计算此时光场分布的空间频谱F1'(fx,fy)；
星光经过光栅G1后且未透过光栅G2时，计算此时光场分布的空间频谱F1'(fx,fy)：
F1'(fx,fy)＝F1(fx,fy)H(fx,fy) (3)
其中，H(fx,fy)为传递函数。
S5：星光经过光栅G2后，各级衍射光发生干涉，计算此处干涉光场分布的空间频谱F2(fx,fy)为：
F2(fx,fy)＝F1'(fx,fy)*G2(fx,fy) (4)
其中，G2(fx,fy)表示光栅G2的频谱。
S6：当步骤S5中的星光经过光楔阵列后，计算此处干涉光场分布的空间频谱F3(fx,fy)为：
其中，T(fx,fy)为光楔阵列的频谱；n代表光楔阵列中第n块光楔，n＝1,2,3,4；a为光楔在x轴方向上的长度，b为光楔在y轴方向的长度；m为光栅G1的m级衍射，m'为光栅G2的m'级衍射；Cm为光栅G1的m级衍射系数，Cm'为光栅G2的m'级衍射系数。
S7：光栅G1衍射后的m级衍射光在入射至光栅G2之前，产生传播距离为d的相移，计算该相移
为：
S8：计算x'O'y'平面上的光场分布UF(x',y')为：
其中，F为光学成像单元焦距，d0为所述光楔阵列到光学成像单元中第一块透镜的距离。
上述交代了由星敏感器在光栅G1和光栅G2的周期为50μm、间距为50mm、干涉单元的电子学细分采用1024倍细分、光楔列阵包括四个光楔且四个光楔纵向列阵的情况下，可以实现单星测量角分辨率为0.1″的探测。为了证明本发明的星敏感器的数据的可靠性，本发明通过对干涉星敏感器的光学传输过程进行了数学建模，确定了利用像点质心位置和像点光强分别进行粗定位和精定位的方法及粗精定位结合的方法，分析了单星测量精度的影响因素，并通过模拟仿真验证了星敏感器精定位和粗精定位结合的可行性。其中具体包括：
首先进行粗定位：由于光楔阵列由四块不同楔角的光楔组成，所以同一方向的入射光经过光楔阵列之后会偏转成为四束不同方向的光。又因为不同方向的光经过聚焦透镜组后会成像在后焦面的不同位置，所以入射星光经过光楔阵列之后会在星敏感器上形成四个像点，这是个像点就是光斑。
其中假设光栅G1和光栅G2只有0级和±1级衍射，即m＝0,±1；m'＝0,±1。由于非零级衍射级次存在色散，影响像点质心定位精度。所以仅考虑0级即(0,0)，(+1,-1)和(-1,+1)级衍射光干涉后的频谱。则经过第n块光楔偏转后的星光，在透镜组后焦面上像点的光强分布为：
其中，UF,n(x',y')表示经过第n块光楔偏转后的星光在后焦面上的光场分布。
设探测器第(i,j)像元的中心坐标为(x′ij,y′ij)，以像元尺寸(pixel)为单位，则星光经过第n块光楔偏转后形成的像点在该像元内能量为：
采用灰度加权质心法，得到经过第n块光楔偏转后的星光在探测器上像点的质心坐标(xn',yn')，即：
由公式(8)像点光强分布结合sinc函数的性质，得出像点质心坐标(xn',yn')与光楔偏转角(δxn,δyn)的关系为：
由公式(11)可以得出，光楔引入的角度偏移在透镜后焦面上表现为星体像点位置的平移。所以在不设置光楔阵列的情况下，目标星在星敏感器上像点坐标(X0,Y0)为：
并且：
因此可以通过探测器上像点坐标(xn',yn')与光楔偏转角(δxn,δyn)的关系，得到不设置光楔阵列情况下目标星的像点坐标(X0,Y0)，从而获得星光入射角度，进行粗定位。
其中，由公式(8)像点光强分布的相位项可以看出，像点光强分布与星光入射角度有关，因此存在星光入射角度变化使得某像点光强分布In(x',y')为零的情况，造成该像点坐标(xn',yn')无法被提取到。为了有效获取像面上的星点坐标(X0,Y0)，对瞬时状态下，提取到的单个星体在星敏感器上像点的质心坐标进行加权运算，即：
其中，I′n为星光经过第n块光楔偏转后在探测器上的光斑强度，即公式(8)像点光强分布的积分：
其中，Ia＝(Aab/λF)2。
进行精定位：由于公式(15)中，光斑强度的相位项中包含了与星光入射角度有关的信息，所以可以通过单个星体在探测器上所成四个光斑的相对强度得到光斑相位，进而获得星光入射角度θx。
根据公式(6)，计算θx：
其中，
由公式(16)可以得出，光斑强度中包含
的项与波长有关，会干扰
的计算，所以抑制光栅零级衍射，即C0＝0。
令光楔沿y轴的长度
将b代入式(15)并整理，四个光斑点的强度分别为：
其中，I'a＝2(C+1C-1)2Ia，由式中的相位项可以看出入射星光经过相邻光楔偏转后，在探测器阵列上形成的光斑之间具有
相位差。所以：
其中，
通过星点提取光斑相对强度可以得到
作为星敏感器的精定位信息。
进行粗定位和精定位的结合：将公式(13)与公式(16)的第二个式子联立，可得
由于光学像差不可消除，星点提取得到的光斑质心坐标存在较大误差，因此不能直接将星像点坐标(X0,Y0)代入公式(19)作为光斑相位信息。需要对N进行限定，对N的取值为：
公式(20)的中括号表示对该括号内的数取整。所以利用星光不经过光楔发生偏转时的像点坐标(X0,Y0)即可得到
由以上分析可以看出，单个星体在星敏感器上形成四个光斑，通过星点提取得到各光斑质心坐标及强度。对提取到的光斑质心坐标进行加权运算，得到在不设置光楔阵列情况下，目标星体在星敏感器上的像点坐标(X0,Y0)。利用坐标(X0,Y0)进行粗定位，利用四个光斑的相对强度进行精定位，并将粗定位与精定位结合，获得星光入射角度θx。
星光入射角度变化Δθx使得探测器上光斑强度变化一个周期，即
所以星光入射角度变化Δθx为：
在电子学细分采用M倍细分时，单星测量角分辨率σ表示为：
由公式(22)可以看出，星敏感器单星测量精度仅由光栅周期、两块光栅之间的距离及电子学细分倍数决定。当光栅周期为50μm，两块光栅距离为50mm，并且电子学细分采用1024倍细分时，经计算得到单星测量角分辨率为0.1″。
所以本发明的星敏感器在光栅周期为50μm，两块光栅距离为50mm，并且电子学细分采用1024倍细分时，能够达到单星测量角分辨率为0.1″的探测标准，且现有技术的星敏感器达不到的本发明星敏感器的探测标准。
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种星敏感器的探测方法，包括：干涉单元、角度调制单元、光学成像单元、探测单元；
所述干涉单元使星光经过时发生干涉，包括周期相等、刻线方向形成夹角ε、间距为d的光栅G1和光栅G2，其中，d＞0mm，p为光栅周期，B为干涉条纹周期；
所述角度调制单元对同一入射星光产生不同方向的偏转，包括阵列的光楔列阵；
所述光学成像单元将所述不同方向的光会聚成像在所述探测单元的不同位置上；其特征在于，包括如下步骤：
S1：建立星敏感器坐标系O-xyz和星敏感器靶面坐标系x'O'y'；
S2：计算单颗星在选定平面上的平面光波场Ui(x,y)，所述选定平面为任一平行于xOy面的平面；所述平面光波场Ui(x,y)的计算公式为：
其中，A为实数，代表光波场振幅；λ为星光发出的任一平面波的波长；θx,θy分别为平面光波与星敏感器坐标系x轴、y轴夹角的余角；
S3：单颗星发出的星光经过光栅G1后发生衍射，光栅G1的刻线方向平行于y轴，根据角谱理论计算此处衍射光场分布的空间频谱F1(fx,fy)；
S4：所述步骤S3中的星光入射至光栅G2之前，由于所述光栅G1与所述光栅G2之间存在间隙，计算此时光场分布的空间频谱F1'(fx,fy)；
S5：所述星光经过所述光栅G2后，各级衍射光发生干涉，计算此处干涉光场分布的空间频谱F2(fx,fy)；
S6：当所述步骤S5中的星光经过光楔阵列后，计算此处干涉光场分布的空间频谱F3(fx,fy)；
S7：所述光栅G1衍射后的m级衍射光在入射至光栅G2之前，产生传播距离为d的相移，计算该相移
S8：计算所述x'O'y'平面上的光场分布UF(x',y')；所述x'O'y'平面上的光场分布UF(x',y')为：
其中，F为光学成像单元的焦距，d0为所述光楔阵列到所述光学成像单元中第一块透镜的距离，δxn和δyn分别为光束经过光楔后带来的沿x方向和y方向的偏转角，P为星像点，n代表光楔阵列中第n块光楔，n＝1,2,3,4；a为光楔在x轴方向上的长度，b为光楔在y轴方向的长度；m为光栅G1的m级衍射，m'为光栅G2的m'级衍射；Cm为光栅G1的m级衍射系数，Cm'为光栅G2的m'级衍射系数；ε为光栅G2刻线方向与G1刻线方向的微小夹角。
2.根据权利要求1所述的星敏感器的探测方法，其特征在于，所述星光经过光栅G1后，衍射光场分布的空间频谱F1(fx,fy)为：
F1(fx,fy)＝Fi(fx,fy)*G1(fx,fy)(3)
其中，Fi(fx,fy)为星光光场的频谱，即平面光波场Ui(x,y)的傅里叶变换，G1(fx,fy)表示光栅G1的频谱。
3.根据权利要求1所述的星敏感器的探测方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述星光经过光栅G1后且未透过所述光栅G2时，计算此时光场分布的空间频谱F1'(fx,fy)：
F1'(fx,fy)＝F1(fx,fy)H(fx,fy)(4)
其中，H(fx,fy)为传递函数。
4.根据权利要求1所述的星敏感器的探测方法，其特征在于，所述步骤S5中，星光经过所述光栅G2后的干涉光场分布的空间频谱F2(fx,fy)为：
F2(fx,fy)＝F1'(fx,fy)*G2(fx,fy)(5)
其中，G2(fx,fy)表示光栅G2的频谱。
5.根据权利要求2所述的星敏感器的探测方法，其特征在于，所述步骤S6中，星光经过所述光楔阵列的干涉光场分布的空间频谱为F3(fx,fy)为：
其中，T(fx,fy)为光楔阵列的频谱；为脉冲函数。
6.根据权利要求5所述的星敏感器的探测方法，其特征在于，所述步骤S7中的相移为：
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