CN109470236B - 一种星敏感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的星敏感器，包括：前置棋盘格光栅、后置棋盘格光栅、棋盘格光楔阵列、会聚光学***和面阵探测器，由目标光和天空背景光组成的总输入光入射进入由所述前置棋盘格光栅和所述后置棋盘格光栅组成剪切干涉仪中，通过调整所述前置棋盘格光栅和所述后置棋盘格光栅的相对角度，形成一完整周期的二维干涉条纹，所述棋盘格光楔阵列对入射的二维干涉条纹进行二维分光，经所述棋盘格光楔阵列二维分光后形成的分光光束经所述会聚光学***后聚集到所述面阵探测器的靶面，并根据所述靶面的光斑光强和相应的相位提取算法获取所述二维干涉条纹的两维相位信息，从而实现两维同步高精度定位。

Description

一种星敏感器
技术领域
本发明涉及光学跟踪设备技术领域，特别涉及一种星敏感器。
背景技术
光学跟踪技术是一个应用很广泛的通用技术。可用于激光束的精确指向、飞行平台的位置和姿态保持以及大口径光电望远镜的高精度跟瞄等。恒星跟踪设备，通常被称为星敏感器，通过探测较大区域的星场分布从而获得飞行器(卫星等)的位置和姿态信息。
传统的星敏感器一般利用光学镜头将星光会聚到阵列探测器的靶面，通过长焦、小像素和基于内插法的亚像素质心提取等方法实现对目标的高精度定位。目前可达到的精度约为像素的1/10至1/50。对于2K*2K的相机来说，传统星敏感器在20°视场内的定位精度约为1～2″。为了获得更高的定位精度，一般需采用更长焦距的镜头，更大靶面的相机，这会造成更大体积、更多重量和更高功耗，这对资源紧张的飞行平台来说是非常不利的。
为了解决上述难题，OPC(Optical Physics Company)公司提出了一种基于剪切干涉和条纹相位提取方法的新型干涉测量星敏感器。OPC公司已证实该技术可实现20°*20°视场、2Hz响应速度和0.11″(3σ)的精度。然而，他们提出的这种星敏感器只能实现一维测量。为了实现二维测量，他们需要将两***立的星敏感器共轴配准。配准过程增加了制造的复杂度和周期。另外，两台设备组合后的体积、重量和功耗也成倍的增加，不利于飞行平台载荷的优化配置。
发明内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种可以实现二维同步高精度定位的星敏感器。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种星敏感器，包括：前置棋盘格光栅、后置棋盘格光栅、棋盘格光楔阵列、会聚光学***和面阵探测器，所述前置棋盘格光栅和所述后置棋盘格光栅组成剪切干涉仪，其中：
由目标光和天空背景光组成的总输入光入射进入由所述前置棋盘格光栅和所述后置棋盘格光栅组成剪切干涉仪中，通过调整所述前置棋盘格光栅和所述后置棋盘格光栅的相对角度，形成一完整周期的二维干涉条纹；
所述棋盘格光楔阵列对入射的二维干涉条纹进行二维分光，经所述棋盘格光楔阵列二维分光后形成的分光光束经所述会聚光学***后聚集到所述面阵探测器的靶面，并根据所述靶面的光斑的光强和相应相位提取算法获取所述二维干涉条纹的两维相位信息。
在一些较佳的实施例中，所述前置棋盘格光栅及所述后置棋盘格光栅为相位型光栅。
在一些较佳的实施例中，所述棋盘格光楔阵列的尺寸与所述前置棋盘格光栅和所述后置棋盘格光栅组成剪切干涉仪所形成的干涉条纹区域相等或稍小。
在一些较佳的实施例中，所述棋盘格光楔阵列的每个维度的光楔单元数至少为3个。
在一些较佳的实施例中，所述棋盘格光楔阵列的每个维度的光楔单元数与所采用的相位提取算法相对应。
在一些较佳的实施例中，所述会聚光学***为消色差的透镜组。
在一些较佳的实施例中，所述会聚光学***的通光口径大于所述棋盘格光楔阵列所输出的光束阵列范围。
在一些较佳的实施例中，所述会聚光学***的聚焦光斑尺寸约等于所述面阵探测器中1个或2个像素尺寸。
在一些较佳的实施例中，所述面阵探测器为CCD相机或CMOS相机或者光电二极管阵列PDA。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的星敏感器，由目标光和天空背景光组成的总输入光入射进入由所述前置棋盘格光栅和所述后置棋盘格光栅组成剪切干涉仪中，通过调整所述前置棋盘格光栅和所述后置棋盘格光栅的相对角度，形成一完整周期的二维干涉条纹，所述棋盘格光楔阵列对入射的二维干涉条纹进行二维分光，经所述棋盘格光楔阵列二维分光后形成的分光光束经所述会聚光学***后聚集到所述面阵探测器的靶面，并根据所述靶面的光斑光强和相应的相位提取算法获取所述二维干涉条纹的两维相位信息，从而实现两维同步高精度定位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的星敏感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的前置棋盘格光栅及后置棋盘格光栅和所形成的二维干涉条纹的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的棋盘格光楔阵列的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的探测器靶面上光斑阵列分布图。
具体实施方式
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为本发明实施例提供的星敏感器的结构示意图，包括：前置棋盘格光栅2、后置棋盘格光栅3、棋盘格光楔阵列4、会聚光学***5和面阵探测器6，所述前置棋盘格光栅2和所述后置棋盘格光栅3组成剪切干涉仪。
以下详细说明各个部件的具体方案。
所述前置棋盘格光栅2和所述后置棋盘格光栅3组成剪切干涉仪，从而能够同时实现水平和竖直两个方向的剪切干涉，形成二维的干涉条纹分布，二维的干涉条纹分布分别对应目标的二维角位置。
请参阅图2，为由目标光和天空背景光组成的总输入光1入射进入由所述前置棋盘格光栅2和所述后置棋盘格光栅3组成剪切干涉仪中形成的两维干涉条纹10。
在一些较佳的实施例中，所述前置棋盘格光栅2及所述后置棋盘格光栅3为相位型光栅。
可以理解，由于前置棋盘格光栅2和后置棋盘格光栅3应选择相位型光栅，以抑制零级光的干扰。前置棋盘格光栅2和后置棋盘格光栅3的光栅周期和光栅间距离可以根据工作光谱带宽、色散抑制和高级衍射光抑制等具体的功能要求来选择。
优选地，前置棋盘格光栅2和后置棋盘格光栅3的光栅水平和竖直方向的光栅周期可选50μm，两者之间的距离可选5cm。可以理解，其它尺寸的光栅周期和光栅间距离可以根据工作光谱带宽、色散抑制和高级衍射光抑制等具体的功能要求来选择。
在一些较佳的实施例中，所述棋盘格光楔阵列4的每个维度的光楔单元数至少为3个。
可以理解，两维干涉条纹入射到棋盘格光楔阵列4的表面，每个光楔单元可以将入射到其表面的光束引入一个倾斜角。
在一些较佳的实施例中，所述棋盘格光楔阵列4的每个维度的光楔单元数至少为3个，且所述棋盘格光楔阵列4的每个维度的光楔单元数与所采用的相位提取算法相对应。
可以理解，在实际中所述棋盘格光楔阵列4可包括4个光楔单元，也可以更多(可多达5个、8个甚至10个以上)。棋盘格光楔阵列4的每个维度的单元数与所采用的相位提取算法相对应。如果每个维度采用3个单元则选用3步相位提取算法，如果是4个单元则采用4步相位提取算法，以此类推。另外，更多的单元数可以覆盖更多的条纹周期(>1个)，故测量数据具有冗余性从而抑制噪声影响并提高信噪比。
请参阅图3，为本发明是一较佳实施例提供的所述棋盘格光楔阵列4的结构示意图。
在本实施中，光楔单元11和13对应光楔类型27，光楔单元16和18对应光楔类型28，光楔单元19和21对应光楔类型29，光楔单元24和26对应光楔类型30，光楔单元12和14对应光楔类型31，光楔单元15和17对应光楔类型32，光楔单元20和22对应光楔类型33，光楔单元23和25对应光楔类型34。不同的光楔类型具有不同的二维楔角组合(即水平或x轴方向的楔角和竖直或y轴方向的楔角的组合)。
在一些较佳的实施例中，所述棋盘格光楔阵列4的尺寸与所述前置棋盘格光栅2和所述后置棋盘格光栅3组成剪切干涉仪所形成的干涉条纹区域相等或稍小。
在一些较佳的实施例中，所述会聚光学***5为消色差的透镜组。
进一步地，会聚光学***5其通光口径大于棋盘格光楔阵列4所输出的光束阵列范围，其焦距应保证会聚光斑直径较小，约等于面阵探测器6中1个或2个像素尺寸。
所述面阵探测器6为CCD相机或CMOS相机或者光电二极管阵列PDA。可以理解，面阵探测器6的探测灵敏度、工作光谱宽度、分辨率和像素尺寸等指标应根据具体的应用要求来选择。
请再参阅图1及图3，本发明提供的星敏感器，其工作方式如下：
由目标光和天空背景光组成的总输入光1入射进入由所述前置棋盘格光栅2和所述后置棋盘格光栅3组成剪切干涉仪中，通过调整所述前置棋盘格光栅2和所述后置棋盘格光栅3的相对角度，形成一完整周期的二维干涉条纹；
所述棋盘格光楔阵列4对入射的二维干涉条纹进行二维分光，经所述棋盘格光楔阵列4二维分光后形成的分光光束经所述会聚光学***5后聚集到所述面阵探测器6的靶面，并根据所述靶面的光斑光强和相应的相位提取算法获取所述二维干涉条纹的两维相位信息。
可以理解，棋盘格光楔阵列4的输出光束经过会聚光学***5后，会聚到面阵探测器6的靶面上，形成8个亮度不同的光斑。棋盘格光楔阵列4的单元与面阵探测器6靶面光斑的对应关系如下：光楔单元11和13对应光斑35，光楔单元16和18对应光斑36，光楔单元19和21对应光斑37，光楔单元24和26对应光斑38，光楔单元12和14对应光斑39，光楔单元15和17对应光斑40，光楔单元20和22对应光斑41，光楔单元23和25对应光斑42。
可以理解，光斑35、36、37和38的强度分别代表剪切干涉仪形成的两维干涉条纹10中的水平或x轴方向光强分布内等间隔(相位间隔为π/2)分布的4个光强值；光斑39、40、41和42的强度分别代表剪切干涉仪形成的两维干涉条纹10中的竖直或y轴方向光强分布内等间隔(相位间隔为π/2)分布的4个光强值，经过会聚后，干涉条纹的每一维度的光强分布分别对应四个光斑，所以二维分布对应八个光斑，每一维度对应的四个光斑在相位上彼此相差π/2。
可以理解，利用和相移干涉仪类似的相位提取方法，通过四个光斑的光强计算出条纹在该维度的相位，由于条纹相位提取方法较为成熟，且精度优于λ/100，故该方法可以实现高定位精度；同样，另一个维度的条纹相位同样也可以算出，由此通过该星敏感器可实现干涉条纹的两维相位信息的同时提取，从而实现两维同步高精度定位。
当然本发明的星敏感器还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (4)

1.一种星敏感器，其特征在于，包括：前置棋盘格光栅、后置棋盘格光栅、棋盘格光楔阵列、会聚光学***和面阵探测器，所述前置棋盘格光栅和所述后置棋盘格光栅组成剪切干涉仪，其中：
由目标光和天空背景光组成的总输入光入射进入由所述前置棋盘格光栅和所述后置棋盘格光栅组成剪切干涉仪中，通过调整所述前置棋盘格光栅和所述后置棋盘格光栅的相对角度，形成一完整周期的二维干涉条纹；
所述棋盘格光楔阵列对入射的二维干涉条纹进行二维分光，经所述棋盘格光楔阵列二维分光后形成的分光光束经所述会聚光学***后聚集到所述面阵探测器的靶面，并根据所述靶面的光斑光强和相应的相位提取算法获取所述二维干涉条纹的两维相位信息；所述棋盘格光楔阵列的每个维度的光楔单元数至少为3个；光楔单元对应相应的光楔类型，不同的光楔类型具有不同的二维楔角组合。
2.如权利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述前置棋盘格光栅及所述后置棋盘格光栅为相位型光栅。
3.如权利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述棋盘格光楔阵列的每个维度的光楔单元数与所采用的相位提取算法相对应。
4.如权利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述会聚光学***的通光口径大于所述棋盘格光楔阵列所输出的光束阵列范围。
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