CN104567870B - 一种单像素星敏感器及其目标星空探测方法 - Google Patents

一种单像素星敏感器及其目标星空探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单像素星敏感器及其目标星空探测方法，包括遮光罩、光学望远镜、空间光调制器、单光子探测设备、电子学读出设备、星载时频装置、以及星载数据处理设备。经遮光罩和光学望远镜收集的光学信号通过空间光调制器调制后反射进入单光子探测设备，通过星载时频装置对获得的光学信号和空间光调制器进行时间同步，并在星载数据处理设备中对空间光调制器从星载数据处理设备中调入的调制矩阵和调制后的光学信号进行处理。利用计算量子成像技术，汇聚光学信号，通过空间光调制器调制，再接入单光子探测器，计算实现单像素对星空的成像，本发明更容易探测到较暗的星体，探测灵敏度大大提高。

Description

一种单像素星敏感器及其目标星空探测方法
技术领域
本发明涉及一种基于量子成像技术的星敏感器及其目标星空探测方法，尤其是一种单像素星敏感器及其目标星空探测方法，属于星敏感器领域。
背景技术
星敏感器最早在上个世纪五十年代研制成功，主要应用于飞机和导弹导航。至今经历过三个阶段的发展，已广泛应用于导弹、飞机、宇宙飞船、卫星等航天航空器件，涉及多个测量领域。比较几种常用的传感器，星敏感器具有精度高、重量轻、功耗低、无漂移和工作方式多等优点。早期的星敏感器使用析像管作为探测器件，这种构造装置较为简单，主要应用于大型天文望远镜和导弹制导等地面仪器，但由于析像管自身模拟稳定性的限制，不能满足高精度的要求。
1974年，美国喷气实验室(JPL)开始研制开发第二代星敏感器------CCD星敏感器，较第一阶段的星敏感器，CCD星敏感器具有高分辨率、抗辐射性、几何光学线性强等优势，但其相对视场小，虽然单星测量精度高，但是，单星识别和姿态计算太过复杂，同时星敏感器的质量和体积也比较大；到上世纪九十年代，为了满足航天器件的严格要求，基于光学、精密机械、电子学及计算机技术的大幅度提高，第二代CCD星敏感器开始出现，新一代的星敏感器具有视场大、星表小等优势，更有自主导航的功能。现阶段国内国际上应用较多的还是CCD星敏感器，但无论第一代还是第二代星敏感器，CCD星敏感器都基于CCD相机的发展水平，受限于CCD的像元数等参数。
发明内容
本发明的技术解决问题是，针对现有技术的不足，提供一种单像素星敏感器及其目标星空探测方法，本发明基于量子成像这种全新的光场探测方式，利用单光子探测设备探测空间光调制器调制后的光学信号，对弱光探测效率高，因此探测暗星能力强，同时利用强度相关算法及适当的信号处理算法可极大地抑制背景噪声，具有广阔的应用前景。
本发明的技术解决方案是：一种单像素星敏感器，包括遮光罩、光学望远镜、空间光调制器、单光子探测设备、电子学读出设备、星载时频装置、星载数据处理设备；
遮光罩安装在光学望远镜前，用于遮挡来自非目标星体的杂散光，以大幅降低进入光学望远镜的噪声；
光学望远镜用于汇聚来自目标星体的光线；
星载时频装置为空间光调制器和电子学读出设备提供绝对时间标准，同时对空间光调制器和电子学读出设备进行时间同步；
空间光调制器包括微镜阵列和控制器，微镜阵列置于光学望远镜的光学焦平面上，使得目标星空通过光学望远镜成像于微镜阵列上；
控制器通过从星载数据处理设备调用不同的调制矩阵对微镜阵列进行调制，微镜阵列将调制后的光学信号反射到单光子探测设备上；
单光子探测设备接收微镜阵列调制后的光学信号，并将该调制后的光学信号经光电转换为电信号送入电子学读出设备，由电子学读出设备读出该电信号；
星载数据处理设备中预先存储好大量由0和1组成的随机分布的数据矩阵作为空间光调制器的调制矩阵；单像素星敏感器工作时，控制器通过从星载数据处理设备调用调制矩阵对空间光调制器的微镜阵列进行调制，之后对调制矩阵和该调制矩阵对应单光子探测设备输出的光场强度信号进行强度关联计算，从而获得目标星体的图像；根据该目标星体的图像，通过星点提取和星识别获得目标星体在星空中的准确位置；根据该目标星体在星空中的位置信息，经过姿态计算，得到载有该单像素星敏感器的卫星的姿态位置信息，传输给该卫星的控制***，以调整该卫星的姿态。
所述的电子学读出设备还对单光子探测设备所得的电信号进行降噪预处理，记录该电信号的到达时间；同时，星载时频装置分别对空间光调制器调用的每一个调制矩阵的输入时间和记录的电信号打上相同标签。
所述的星载时频装置包括星载原子钟、GPS接收机和时间同步设备，星载原子钟和GPS接收机用于为空间光调制器和电子学读出设备提供绝对时间标准，时间同步设备用于对空间光调制器和电子学读出设备进行时间同步。
一种单像素星敏感器的目标星空探测方法，步骤如下：
(1)调整遮光罩和光学望远镜的姿态，使它们对准探测天区的导航星；
(2)通过遮光罩和光学望远镜将视场内的步骤(1)导航星发出的可见光汇聚在焦平面上，使得导航星发出的可见光，即目标星空，通过光学望远镜成像于微镜阵列上，实现目标星空的光学成像；
(3)空间光调制器的控制器通过从星载数据处理设备调用调制矩阵，对接收到步骤(2)的目标星空的光学成像的微镜阵列进行调制，以调制目标星空的光学成像，即光学信号；
(4)单光子探测设备利用自身的光子计数器对步骤(3)调制后的光学信号进行探测后，再将该光学信号转化为电信号后输出，送至电子学读出设备进行记录；
(5)星载时频装置分别对空间光调制器步骤(3)调用的每一个调制矩阵的输入时间和步骤(4)的电信号打上相同标签，输出至星载数据处理设备；
(6)星载数据处理设备对步骤(3)的调制矩阵和该调制矩阵对应单光子探测设备输出的光场强度信号进行强度关联计算，获得目标星体的图像。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)、探测灵敏度高
本发明利用空间光调制器按照步骤(3)的操作方式对接收的光信号进行空间光调制，并利用单光子探测设备对调制后的光场强度信号进行探测，对弱光探测能力大大提高，最后通过强度关联方法对目标星空计算成像，因此利用本发明更容易探测到较暗的星体，探测灵敏度大大提高。
(2)、探测速度较快
由于本发明利用了空间光调制器和单光子探测设备探测光场强度信号，对比其它类型的星敏感器，对暗星的探测能力有了大幅提高，因此只需扫描较窄的视场就可以获得可用于导航的星体数目，因此探测速度得以提高。
附图说明
图1为本发明的单像素星敏感器的整体结构示意图；
图2为本发明的单像素星敏感器的目标星空探测方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
一种单像素星敏感器，包括遮光罩、光学望远镜、空间光调制器、单光子探测设备、电子学读出设备、星载时频装置、星载数据处理设备，其中，遮光罩安装在光学望远镜前，用于遮挡来自太阳、月球、地球等非目标星体的杂散光，以大幅降低进入光学望远镜的噪声；光学望远镜用于汇聚来自目标星体的光线；星载时频装置为空间光调制器和电子学读出设备提供绝对时间标准，同时对空间光调制器和电子学读出设备进行时间同步；空间光调制器包括微镜阵列和控制器，微镜阵列置于光学望远镜的光学焦平面上，使得目标星空通过光学望远镜成像于微镜阵列上；控制器通过从星载数据处理设备调用不同的调制矩阵对微镜阵列进行调制，微镜阵列将调制后的光学信号反射到单光子探测设备上；单光子探测设备接收微镜阵列调制后的光学信号，并将该调制后的光学信号经光电转换为电信号送入电子学读出设备，由电子学读出设备读出该电信号；星载数据处理设备中预先存储好大量由0和1组成的随机分布的数据矩阵作为空间光调制器的调制矩阵；单像素星敏感器工作时，控制器通过从星载数据处理设备调用调制矩阵对空间光调制器的微镜阵列进行调制，之后对调制矩阵和该调制矩阵对应单光子探测设备输出的光场强度信号进行强度关联计算，从而获得目标星体的图像；根据该目标星体的图像，通过星点提取和星识别获得目标星体在星空中的准确位置；根据该目标星体在星空中的位置信息，经过姿态计算，得到载有该单像素星敏感器的卫星的姿态位置信息，传输给该卫星的控制***，以调整该卫星的姿态。
进一步地，电子学读出设备还对单光子探测设备所得的电信号进行降噪预处理，记录该电信号的到达时间；同时，星载时频装置分别对空间光调制器调用的每一个调制矩阵的输入时间和记录的电信号打上相同标签。
进一步地，星载时频装置包括星载原子钟、GPS接收机和时间同步设备，其中，星载原子钟和GPS接收机用于为空间光调制器和电子学读出设备提供绝对时间标准，时间同步设备用于对空间光调制器和电子学读出设备进行时间同步。
如图1所示，根据本发明的单像素星敏感器包括遮光罩、光学望远镜、空间光调制器、单光子探测设备、电子学读出设备、星载时频装置、星载数据处理设备。
遮光罩安装在光学望远镜前，用于遮挡来自非目标星体(例如，太阳、月亮、地球)的杂散光，以大幅降低进入光学望远镜的噪声；光学望远镜用于汇聚来自目标星体的光线；光学望远镜由光学透镜组和机械支架组成。其具体结构设计可根据实际情况进行调整。
星载时频装置为空间光调制器和电子学读出设备提供绝对时间标准，同时对空间光调制器和电子学读出设备进行时间同步；星载时频装置包括星载原子钟、GPS接收机和时间同步设备，其中，星载原子钟和GPS接收机用于为空间光调制器和电子学读出设备提供绝对时间标准，时间同步设备用于对空间光调制器和电子学读出设备进行时间同步。具体地，时间同步设备可以采用时间同步控制电路来实现。
空间光调制器包括微镜阵列和控制器，微镜阵列置于光学望远镜的光学焦平面上，使得目标星空通过光学望远镜成像于微镜阵列上；通常，空间光调制器的微镜阵列会配置驱动电路和冷却装置，用于使微镜阵列能够实时地获得光学望远镜汇聚得到的图像。
控制器通过从星载数据处理设备调用不同的调制矩阵对微镜阵列进行调制，微镜阵列将调制后的光学信号反射到单光子探测设备上。
单光子探测设备接收微镜阵列调制后的光学信号，并将该调制后的光学信号经光电转换为电信号送入电子学读出设备，由电子学读出设备读出该电信号。
电子学读出设备还对单光子探测设备所得的电信号进行降噪预处理，记录该电信号的到达时间；同时，星载时频装置分别对空间光调制器调用的每一个调制矩阵的输入时间和记录的电信号打上相同标签。
星载数据处理设备中预先存储好大量由0和1组成的随机分布的数据矩阵作为空间光调制器的调制矩阵；单像素星敏感器工作时，控制器通过从星载数据处理设备调用调制矩阵对空间光调制器的微镜阵列进行调制，之后对调制矩阵和该调制矩阵对应单光子探测设备输出的光场强度信号进行强度关联计算，从而获得目标星体的图像；根据该目标星体的图像，通过星点提取和星识别获得目标星体在星空中的准确位置；根据该目标星体在星空中的位置信息，经过姿态计算，得到载有该单像素星敏感器的卫星的姿态位置信息，传输给该卫星的控制***，以调整该卫星的姿态。
如图2所示，本发明的一种单像素星敏感器的目标星空探测的具体工作流程为：
(1)调整遮光罩和光学望远镜的姿态，使它们对准探测天区的导航星；
(2)通过遮光罩和光学望远镜将视场内的步骤(1)导航星发出的可见光汇聚在焦平面上，使得导航星发出的可见光，即目标星空，通过光学望远镜成像于微镜阵列上，实现目标星空的光学成像；
(3)空间光调制器的控制器通过从星载数据处理设备调用调制矩阵，对接收到步骤(2)的目标星空的光学成像的微镜阵列进行调制，以调制目标星空的光学成像，即光学信号；
(4)单光子探测设备利用自身的光子计数器对步骤(3)调制后的光学信号进行探测后，再将该光学信号转化为电信号后输出，送至电子学读出设备进行记录；
(5)星载时频装置分别对空间光调制器步骤(3)调用的每一个调制矩阵的输入时间和步骤(4)的电信号打上相同标签，输出至星载数据处理设备；
(6)星载数据处理设备对步骤(3)的调制矩阵和该调制矩阵对应单光子探测设备输出的光场强度信号进行强度关联计算，获得目标星体的图像；星载数据处理设备进一步通过导航星识别算法和姿态滤波算法等，进行判星、单星定位、星识别、星敏感器姿态角和航天器姿态角计算处理，确定星敏感器光轴相对于惯性坐标系的指向，给出星敏感器所在航天器在惯性坐标系下的姿态四元素。
在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单像素星敏感器，其特征在于，包括遮光罩、光学望远镜、空间光调制器、单光子探测设备、电子学读出设备、星载时频装置、星载数据处理设备；
遮光罩安装在光学望远镜前，用于遮挡来自非目标星体的杂散光，以大幅降低进入光学望远镜的噪声；
光学望远镜用于汇聚来自目标星体的光线；
星载时频装置为空间光调制器和电子学读出设备提供绝对时间标准，同时对空间光调制器和电子学读出设备进行时间同步；
空间光调制器包括微镜阵列和控制器，微镜阵列置于光学望远镜的光学焦平面上，使得目标星空通过光学望远镜成像于微镜阵列上；
控制器通过从星载数据处理设备调用不同的调制矩阵对微镜阵列进行调制，微镜阵列将调制后的光学信号反射到单光子探测设备上；
单光子探测设备接收微镜阵列调制后的光学信号，并将该调制后的光学信号经光电转换为电信号，输出光场强度信号的电压值，送入电子学读出设备，由电子学读出设备读出该电信号；
星载数据处理设备中预先存储好大量由0和1组成的随机分布的数据矩阵作为空间光调制器的调制矩阵；单像素星敏感器工作时，控制器通过从星载数据处理设备调用调制矩阵对空间光调制器的微镜阵列进行调制，之后对调制矩阵和该调制矩阵对应的单光子探测设备输出的光场强度信号的电压值进行强度关联计算，从而获得目标星体的图像；根据该目标星体的图像，通过星点提取和星识别获得目标星体在星空中的准确位置；根据该目标星体在星空中的准确位置，经过姿态计算，得到载有该单像素星敏感器的卫星的姿态位置信息，传输给该卫星的控制***，以调整该卫星的姿态。
2.根据权利要求1所述的一种单像素星敏感器，其特征在于：所述的电子学读出设备还对单光子探测设备所得的电信号进行降噪预处理，记录该电信号的到达时间；同时，星载时频装置分别对空间光调制器调用的每一个调制矩阵的输入时间和记录的电信号打上相同标签。
3.根据权利要求1所述的一种单像素星敏感器，其特征在于：所述的星载时频装置包括星载原子钟、GPS接收机和时间同步设备，星载原子钟和GPS接收机用于为空间光调制器和电子学读出设备提供绝对时间标准，时间同步设备用于对空间光调制器和电子学读出设备进行时间同步。
4.一种单像素星敏感器的目标星空探测方法，其特征在于步骤如下：
(1)调整遮光罩和光学望远镜的姿态，使它们对准探测天区的导航星；
(2)通过遮光罩和光学望远镜将视场内的步骤(1)导航星发出的可见光汇聚在焦平面上，使得导航星发出的可见光，即目标星空，通过光学望远镜成像于微镜阵列上，实现目标星空的光学成像；
(3)空间光调制器的控制器通过从星载数据处理设备调用调制矩阵，对接收到步骤(2)的目标星空的光学成像的微镜阵列进行调制，以调制目标星空的光学成像，即光学信号；
(4)单光子探测设备利用自身的光子计数器对步骤(3)调制后的光学信号进行探测后，再将该光学信号转化为电信号后输出，送至电子学读出设备进行记录；
(5)星载时频装置分别对空间光调制器步骤(3)调用的每一个调制矩阵的输入时间和步骤(4)的电信号打上相同标签，输出至星载数据处理设备；
(6)星载数据处理设备对步骤(3)的调制矩阵和该调制矩阵对应单光子探测设备输出的光场强度信号进行强度关联计算，获得目标星体的图像。
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