CN212206099U - 一种新型的星敏感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型星敏感器，至少包括底座、光敏感器主体和遮光罩，所述光敏感器主体包括干涉组件、光学组件、图像强化器和CCD探测器，所述干涉组件设置在所述光学组件的光路上游，图像强化器设置在所述光学组件的光路下游，所述图像强化器和CCD探测器之间通过光纤传输器连接，其中，所述光学组件的入光处的平面镜片的平面法线与所述光学组件的光轴垂直，并且所述干涉组件设置于所述平面镜片外侧且与所述平面镜片相邻。本实用新型通过将干涉组件与光学组件垂直设置，从而减少了星敏感器在单一维度的长度，使得星敏感器能够进一步向小体积的正立方体趋势设置。

Description

一种新型的星敏感器

技术领域

本实用新型涉及星敏感器技术领域，尤其涉及一种新型的星敏感器。

背景技术

星敏感器是最常用的姿态确定仪器之一，是以恒星为参照系，以星空为工作对象的高精度空间姿态测量装置，通过探测天球上不同位置的恒星并进行解算，为卫星、洲际战略导弹、宇航飞船等航空航天飞行器提供准确的空间方位和基准，具有重要的应用价值。相对于太阳敏感器、磁强计、地平仪和陀螺仪等其他常见的姿态测量设备而言，星敏感器不仅姿态测量精度比较高，而且能够实现自主导航能力，抗干扰能力也比较强，目前是卫星等航天器上最主要的姿态测量仪器，在导弹、飞机和舰船上也有应用。目前星敏感器已经成为一个完整的位置和姿态测量部件，可完成星图识别、星图匹配和姿态计算，直接输出姿态角数据。未来无陀螺的制导***取代惯性制导***和星惯组合制导***成为必然趋势。作为高精度的姿态测量仪器，星敏感器必然有良好的发展和应用前景。

总体来讲，微小型星敏感器和甚高精度星敏感器将是未来星敏感器主要发展方向。小型化和低成本是未来航天器发展的主要方向之一，随着微小型卫星特别是皮纳卫星的快速发展，微小型甚至纽扣式星敏感器必然会出现在未来的航天器姿态控制***中。微小型星敏感器首先需要解决在姿态输出精度和频率不降低的情况下，如何缩小星敏感器的体积、质量和功耗。因此在未来微小型星敏感器研究中，优化光学***设计和姿态计算方法将是重点研究的方向。

中国专利CN 109470236 A公开了一种星敏感器及折射式高分辨率星敏感器光学***，包括沿光传播方向，依次设置在同一光轴上的窗口玻璃、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜，其中，第一透镜、第二透镜和第三透镜均为正弯月透镜，第四透镜为负弯月透镜，第五透镜为双凹透镜，第六透镜为负弯月透镜，第七透镜为双凸透镜，且第六透镜和第七透镜相邻的表面固定在一起，形成胶合透镜，第八透镜为正弯月透镜。该光学***虽然具有大视场、宽光谱、低畸变、高分辨率的特点。但是不可避免的缺陷在于，光路传输较长，若与干涉组件结合所需要的空间长度更长，并不利于星敏感期的小型化趋势。此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本实用新型时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本实用新型不具备这些现有技术的特征，相反本实用新型已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

实用新型内容

针对现有技术之不足，本实用新型提供一种新型星敏感器，至少包括底座、光敏感器主体和遮光罩，其特征在于，所述光敏感器主体包括干涉组件、光学组件、图像强化器和CCD探测器，所述干涉组件设置在所述光学组件的光路上游，图像强化器设置在所述光学组件的光路下游，所述图像强化器和 CCD探测器之间通过光纤传输器连接，其中，所述光学组件的入光处的平面镜片的平面法线与所述光学组件的光轴垂直，并且所述干涉组件设置于所述平面镜片外侧且与所述平面镜片相邻。

优选的，所述干涉组件至少包括第一二维光栅、第二二维光栅和光楔阵列，第二二维光栅设置于第一二维光栅和光楔阵列之间，第一二维光栅与第二二维光栅之间的距离为相位距离，光楔阵列与所述第二二维光栅零距离设置，或者光楔阵列与第二二维光栅之间的距离为相位距离。

优选的，第一二维光栅和第二二维光栅之间以相对旋转角度的方式设置。

优选的，光楔阵列的每个维度的光楔单元数至少为3个，即至少为3*3 阵列。

优选的，光学组件还包括第一镜组、第二镜组和主镜，第二镜组设置于第一镜组和主镜之间，所述平面镜片设置于所述第一镜组、第二镜组和主镜的同一侧且所述平面镜片的长度与所述第一镜组、第二镜组和主镜共同构成的长度相等，所述第一镜组包括两个彼此之间存在夹角且相对摆动的平面镜片，所述第二镜组固定在框架内的第一平面次镜和第二曲面次镜，第一平面次镜设置于第二曲面次镜的光路上游。

优选的，所述主镜为主镜光瞳为马蹄形的异形镜，其中，所述主镜光瞳的马蹄开口端的两端之间的距离与所述第二镜组所在框架的并行的截面长度相等。

优选的，所述第一镜组中的平面镜均以与主镜光轴存在角度的方式倾斜设置，并且所述第一镜组的摆动角度的极限位置为能够反射所述平面镜片两侧边缘的光线至第二镜组的极限位置。

优选的，所述底座包括第一安装板和第二安装板，所述第一安装板的一端以与第二安装板的夹角α为15°±1°的方式设置，并且所述第二安装板的面积大于所述第一安装板在所述第二安装板的投影面积；所述第一安装板和所述第二安装板之间设置有支撑板，所述光敏感器主体通过螺栓固定在所述第一安装板上。

优选的，所述遮光罩包括壳体和六个挡光环，其中，所述第一挡光环和第六挡光环相对设置在壳体两端，第一挡光环和第六挡光环的刃口连线与壳体中轴线成16°夹角；所述第四挡光环、第五挡光环以及第六挡光环中间分别以旋转安装方式安装有滤光片。

优选的，所述六个挡光环的内表面均设置有黑色消光层；壳体的外表面设置有黄色导电氧化层，内表面设置黑色消光层。

本实用新型的有益技术效果：

本实用新型通过将干涉组件与光学组件垂直设置，从而减少了星敏感器在单一维度的长度，使得星敏感器能够进一步向小体积的正立方体趋势设置。不仅如此，通过将干涉组件与光学组件结合，在缩小星敏感器的提及的基础上，不仅没有降低星光的探测精度和传输精度、分辨精度，还进一步提高了星光的探测精度。特别是马蹄形的主镜光瞳的设置，把现有技术中主镜的圆环形主镜光瞳改变为马蹄形主镜光瞳时，主镜和第二镜组的面型与相对位置都没有改变，光学组件的成像质量仍然达到衍射极限，此时，虽然主镜光瞳不是圆形轮廓，但在衍射的作用下形成的会聚像点仍然是圆形光斑，在小型化的同时没有丧失高精度的特性。

附图说明

图1是光敏感器主体的光学***结构示意图；

图2是光敏感器的整体结构示意图；

图3是光敏感器的光路示意图；

图4是光敏感器的遮光罩示意图；

图5是光敏感器的底座示意图，和

图6是马蹄形主镜光瞳的结构示意图。

附图标记列表

100：底座；200：光敏感器主体；300：遮光罩；101：第一基板；102：第二基板；103：第一螺孔；104：第二螺孔；210：干涉组件；220：光学组件；230：图像强化器；240：光纤传输器；250：CCD探测器；211：第一二维光栅；212：第二二维光栅；213：光楔阵列；221：第一镜组；222：第二镜组；223：主镜；224：平面镜片；201：第一光纤；202：第二光线； 203：第三光线；204：第四光线；310：第一挡光环；320：第二挡光环； 330：第三挡光环；340：第四挡光环350：第五挡光环；360：第六挡光环；α：夹角。

具体实施方式

下面结合附图图1至图5进行详细说明。

如图2所示，光敏感器至少包括底座100、光敏感器主体200和遮光罩300。底座100设置于光敏感器主体200的至少一个侧面上，通过螺栓固定连接。遮光罩300设置于光敏感器主体200的平面镜片处，通过机械的螺栓结构固定连接。其中，光敏感器主体200至少包括干涉组件210、光学组件220、图像强化器230、光纤传输器240和CCD探测器250。其中，干涉组件210设置于光学组件220的光路上游，图像强化器230设置于光学组件220的光路下游。其中，干涉组件210的光线传输的轴向与光学组件的光轴相垂直。图像强化器230、光纤传输器240和CCD探测器250依次连接，使得光信息最终从CCD探测器传输至卫星内部的信息处理器进行处理和计算。优选的，星敏感器是卫星星体的一部分，其内部的部件之间的连接使用螺栓连接。部件普遍设置有螺孔或螺母，在此不针对螺孔、螺母和螺栓进行一一赘述。

干涉组件210至少包括第一二维光栅211、第二二维光栅212和光楔阵列213。

第一二维光栅211和第二二维光栅212为二维的相位光栅，能够对星光进行两个方向维度的衍射。优选的，第一二维光栅211和第二二维光栅 212之间以相对旋转角度的方式间隔设置，并且间隔的距离可以可选5cm，也可以选为泰伯距离。优选的，第一二维光栅211和第二二维光栅212均为方孔阵列光栅，类似棋盘，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。

光楔阵列213与第二二维光栅212贴合设置，也可以间隔一定距离。光楔阵列213为若干楔形镜以阵列的方式设置形成。优选的，光楔阵列4的每个维度的光楔单元数至少为3个，即至少为3*3阵列。

在第一二维光栅211和第二二维光栅212之间设置为泰伯距离的情况下，第二二维光栅212相对于第一二维光栅211沿光轴旋转一定角度，则第二二维光栅212将与第一二维光栅211的自成像叠加，可在第二二维光栅212后面形成互相垂直的两组干涉条纹。当星点入射光线角度发生变化时，将引起第二光栅212后面区域的光相位发生平移，从而引起该区域的光强度分布发生平移，因此两组干涉条纹将随着星点入射光线角度的变化而发生移动。当入射光线角度在水平方向发生变化时，水平方向的干涉条纹将沿着垂直方向移动；当入射光线角度在垂直方向发生变化时，垂直方向的干涉条纹将沿着水平方向移动。

优选的，光楔阵列213使从干涉条纹处出射的两维干涉条纹入射到光楔阵列213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，入射到后端的光学组件220。优选的，在卫星最终对星光进行提取计算的时候，光楔阵列213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。例如，每个维度采用3个单元则选用3步相位提取算法，每个维度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。

本实用新型在光学组件220前设置干涉组件的优势在于，能够将一个星点改变为多个星点，使得多个星点之间的相对强度发生变化。由于二维的莫尔条纹可看作水平方向与垂直方向两组莫尔条纹的叠加，通过测量多个光斑的能量积分值，可求取横竖两组条纹的能量变化，该能量变化与光相位呈正弦关系，因此可通过根据能量变化曲线得到相位变化曲线。设水平或竖直方向相位变化为则可推出该方向入射角度变化为其中p为光栅周期，zt为两光栅距离，代入

即可求得入射光线角度变化。通过更改光栅周期和光栅距离，可进一步提高探测精度，抑制噪声影响并提高信噪比。

优选的，如图1和图3所示，光学组件220至少包括第一镜组221、第二镜组222、主镜223和平面镜片224。光学组件220为会聚光学组件。平面镜片224为高清度玻璃。平面镜片224的光轴与主镜的的光轴垂直。第一镜组221为两个能够彼此同轴转动角度的可反射光的平面镜。第一镜组 221活动倾斜设置在光学组件的光轴上，并倾斜朝向平面镜片224。第二镜组222与主镜223组成Cassegrain两镜***为基础的小视场会聚成像***。

其中，A和B分别是第一镜组221内两个镜片分别摆动的两个极限位置，光线201、202、203、204分别为第一镜组摆动到两个极限位置时所对应两个视场A′和B′的边缘光线。同时，光线201、202所表示的光束和光线203、204所表示的光束分别为星敏感器的最大扫描视场的边缘视场光束。其中，主镜223的光瞳的正视截面为马蹄形的异形，主镜光瞳为马蹄形。如图6所示，马蹄开口朝下，近似于将现有技术中圆环形主镜光瞳下部切除的形状。该马蹄形主镜光瞳的作用有以下3方面：第一，在第一镜组镜摆动到上极限位置A时的A′视场下边缘处光线202随之上移至主镜223 的下边缘，因此第一镜组221的下部也沿光线202切除，降低了光线传播的纵向高度，进一步有利于光敏感器的小型化；第二，马蹄形的主镜光瞳的开口端的两端之间的距离与第二镜组222所在框架的并行的截面的直径相等或近似相等，在第一镜组摆动到上极限位置A时的下边缘光线202将不再被第二镜组222的任一元件所遮挡，因此第一镜组221在轴向的位置不再由光线202决定，继而可以将第一镜组沿轴向移动到离第二镜组222很近的位置，使光学组件所需要空间的轴向长度大幅减小，有利于缩小光敏感器的体积。

优选的，平面镜片224可以不设置，从而进一步减少由于平面玻璃的光传输导致的光损耗。

现有技术中的光敏感器，光栅干涉组件与光学组件为同一条直线设置，从而使得光敏感器主体需要设置较长的横向空间来容纳干涉组件和光学组件，在光敏感器设置为立方体形的情况下就会浪费大量的与光轴垂直的空间，这明显不利于光敏感器的小型化。本实用新型通过将干涉组件与光学组件垂直设置，使得既能够在同时提高探测精度和缩小光轴方向长度的同时，更好的利用了与光轴方向垂直的空间，从而使得光敏感器主体能够进一步缩小立方体的体积趋近于正立方体，避免空间浪费。

优选的，干涉组件210形成的多个星点通过光学组件220的传输和会聚，形成的多个星点传输至图像强化器230。图像强化器230主要包括光阴极(Photocathode)、防离子反馈膜(Ion Barrier Film)、微通道板(Micro ChannelPlate)和荧光屏(FluorescentScreen)。其基本原理是将微弱的光能量入射到阴极面板，基于光电转换原理，光子将能量传递给电子使其运动形成电流，电子因外界获得的能量而跃迁到更高的能阶，获得的能量越多，跃迁到的能阶也越高。电子处在较高的能阶时并不稳定，很快会把获得的能量释放回到原来的能阶。因此能量经微通道板放大，在荧光屏上激发出更强的光能。最后经传像设备将放大的光信号传输到传感器上。因此，图像强化器230 能够将探测到且经过干涉组件210和光学组件220放大差异的星点进一步强化，通过光纤传输器240传输至CCD探测器250上。

优选的，光纤传输器240为光锥。光锥是硬光纤锥形传像器件，依靠成千上万融合在一起的光学纤维细丝传递不同的像素以实现传像功能。其中，光锥纤维呈锥形结构，能够提供放大的或缩小的无畸变的图像传输。与透镜***相比，光锥传输一个2∶1的缩小像的物像距的长度只需要12.5mm，而透镜***大约需要75mm。缩小比越大，越显示出光锥的优越性，而且没有畸变，重量轻，光学和机械性能稳定，大大减轻了光敏感器的重量，提高了图像的清晰度。优选的，CCD探测器250为用于太空探索的主流探测器，为技术成熟的装置，在此不做改进。

优选的，如图5所示，光敏感器的底座100包括第一安装板101和第二安装板102。第一安装板101的一端以与第二安装板102的夹角α为 15°±1°的方式设置。第二安装板102的面积大于第一安装板101在第二安装板102的投影面积。第一安装板101和第二安装板102之间设置有支撑板，光敏感器主体200通过螺栓固定在第一安装板101上。

优选的，如图4所示，遮光罩300包括壳体和六个挡光环。六个挡光环的形状呈喇叭形。六个挡光环分别采用螺钉紧固于壳体上。其中，第一挡光环301和第六挡光环306相对设置在壳体两端。第一挡光环301和第六挡光环306的刃口连线与壳体中轴线成16°夹角。第四挡光环304、第五挡光环305以及第六挡光环306中间分别以旋转安装方式安装有滤光片。并且，第四挡光环304、第五挡光环305以及第六挡光环306的口径依次减小，与对应挡光环通光口径相匹配，用于透可见光、滤近红外。滤光片41、 51、61均为频谱调制滤光片，可过滤非成像光谱干扰，实现光谱滤波，极大的衰减其他谱段杂光干扰，有效的提高抗杂散光性能，本实施例中，一个滤光片滤波效率在10-4，因此需要三个滤光片叠加使用才能达到空间滤波作用。第四挡光环、第五挡光环以及第六挡光环中的滤光片平面度优于1/20 λ，厚度≥2mm，折射率≤1.7，非工作谱段反射率优于99.9％，工作谱段透过率优于99.9％。

优选的，六个挡光环的内表面均设置有黑色消光层，用于吸收光束。壳体的内表面设置黑色消光层。优选的，黑色消光层为电镀的黑色消光漆。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本实用新型公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本实用新型的公开范围并落入本实用新型的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本实用新型说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种新型星敏感器，至少包括底座(100)、光敏感器主体(200)和遮光罩(300)，其特征在于，

所述光敏感器主体(200)包括干涉组件(210)、光学组件(220)、图像强化器(230)和CCD探测器(250)，

所述干涉组件(210)设置在所述光学组件(220)的光路上游，图像强化器(230)设置在所述光学组件(220)的光路下游，所述图像强化器(230)和CCD探测器(250)之间通过光纤传输器(240)连接，其中，

所述光学组件(220)的入光处的平面镜片(224)的平面法线与所述光学组件(220)的光轴垂直，并且所述干涉组件(210)设置于所述平面镜片(224)外侧且与所述平面镜片(224)相邻。

2.根据权利要求1所述的新型星敏感器，其特征在于，所述干涉组件(210)至少包括第一二维光栅(211)、第二二维光栅(212)和光楔阵列(213)，第二二维光栅(212)设置于第一二维光栅(211)和光楔阵列(213)之间，

第一二维光栅(211)与第二二维光栅(212)之间的距离为相位距离，

光楔阵列(213)与所述第二二维光栅(212)零距离设置，或者光楔阵列(213)与第二二维光栅(212)之间的距离为相位距离。

3.根据权利要求2所述的新型星敏感器，其特征在于，第一二维光栅(211)和第二二维光栅(212)之间以相对旋转角度的方式设置。

4.根据权利要求3所述的新型星敏感器，其特征在于，光楔阵列(213)的每个维度的光楔单元数至少为3个，即至少为3*3阵列。

5.根据前述权利要求之一所述的新型星敏感器，其特征在于，光学组件(220)还包括第一镜组(221)、第二镜组(222)和主镜(223)，第二镜组(222)设置于第一镜组(221)和主镜(223)之间，所述平面镜片(224)设置于所述第一镜组(221)、第二镜组(222)和主镜(223)的同一侧且所述平面镜片(224)的长度与所述第一镜组(221)、第二镜组(222)和主镜(223)共同构成的长度相等，

所述第一镜组(221)包括两个彼此之间存在夹角且相对摆动的平面镜片，所述第二镜组(222)固定在框架内的第一平面次镜和第二曲面次镜，第一平面次镜设置于第二曲面次镜的光路上游。

6.根据权利要求5所述的新型星敏感器，其特征在于，所述主镜(223)为主镜光瞳为马蹄形的异形镜，其中，

所述主镜光瞳的马蹄开口端的两端之间的距离与所述第二镜组所在框架的并行的截面长度相等。

7.根据权利要求6所述的新型星敏感器，其特征在于，所述第一镜组(221)中的平面镜均以与主镜(223)光轴存在角度的方式倾斜设置，并且

所述第一镜组(221)的摆动角度的极限位置为能够反射所述平面镜片两侧边缘的光线至第二镜组(222)的极限位置。

8.根据权利要求5所述的新型星敏感器，其特征在于，所述底座(100)包括第一安装板(101)和第二安装板(102)，

所述第一安装板(101)的一端以与第二安装板(102)的夹角α为15°±1°的方式设置，并且

所述第二安装板(102)的面积大于所述第一安装板(101)在所述第二安装板(102)的投影面积；

所述第一安装板(101)和所述第二安装板(102)之间设置有支撑板，

所述光敏感器主体(200)通过螺栓固定在所述第一安装板(101)上。

9.根据权利要求5所述的新型星敏感器，其特征在于，所述遮光罩(300)包括壳体和六个挡光环，其中，第一挡光环(301)和第六挡光环(306)相对设置在壳体两端，第一挡光环(301)和第六挡光环(306)的刃口连线与壳体中轴线成16°夹角；

第四挡光环(304)、第五挡光环(305)以及第六挡光环(306)中间分别以旋转安装方式安装有滤光片。

10.根据权利要求9所述的新型星敏感器，其特征在于，所述六个挡光环的内表面均设置有黑色消光层；

壳体的外表面设置有黄色导电氧化层，内表面设置黑色消光层。

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