[发明专利]星敏感器系统成像结构

说明书

技术领域

本发明及一种飞行器姿态控制系统所应用的恒星测量敏感器，尤其是涉及一种星敏感器系统成像结构。

背景技术

星敏感器是飞行器姿态控制系统所经常采用的一种姿态测量敏感器，在飞行器控制领域发挥非常重要的作用。星敏感器一般由光学成像系统、CCD(Charge Coupled Devices，电荷耦合器件)或APS(Active PixelSensor，有源像素传感器)成像电子线路、DSP(Data Signal Processor，数字信号处理器)信息处理单元、星图处理软件、通讯接口等几大部分构成。其中光学系统完成将恒星成像在CCD焦平面上的功能。

星敏感器光学系统与一般的成像系统相比具有如下的特点：

(1)对于点目标成像，不要求成像的细节，代之以较高的消色差和畸变水平，而且还要求像点在CCD/APS上占有至少2×2个像素，以便保证星点能量中心的准确提取。

(2)要求采用全分离式光学结构设计，以防胶合面空间使用脱胶。

(3)要求一定的弥散斑尺寸的调整能力，以便在标定时确定最终的弥散斑大小；

(4)要求各个光谱的弥散斑能量中心误差在规定以内，一般不超过1微米；

(5)尽可能少的光学零件数目；

(6)尽可能小的镜头轴向尺寸和径向尺寸。

国内外目前在该领域对其研究工作主要有以下方式，第一是在2004年第2期光子学报上发表的“折反式大视场星敏感器光学系统”；第二是在2004年第11期光子学报上发表的“轻小型星敏感器光学系统设计”；第三是在2005年第12期光子学报上发表的“宽视场大相对孔径星敏感器光学系统设计”。上述已知技术均不完全具备以上所述的6个特点，而且都存在着各自的不足。

在“轻小型星敏感器光学系统设计”中提出的光学系统焦距22.7mm，相对孔径1/1.4，视场角17.1°^o×17.1°^o，总长度与焦距之比为2∶1，虽然视场较大，但是没有设计为近远心光路，对弥散斑调整带来不便，另外像面位于最后一面的球心附近，易产生鬼像。

上述提出的一种折反射式星敏感器光学系统，视场角Ф20°，入瞳直径36.3mm，相对孔径1/1.2，焦距为43.56mm。该系统虽具有色差校正良好，覆盖谱段宽等优点，其主要不足是外形尺寸较大，而且不是像方远心光路；

上述提到的宽视场大相对孔径星敏感器光学系统设计，虽然视场较大，相对孔径也较高，但是使用了9片镜片(包括一片窗口)，而且采用了一个空间系统应避免采用的双胶合结构，而且也不是像方近远心光学系统，不便于弥散斑调整。

综上所述，现有的星敏感器设计存在的问题主要是，多采用非像方远心光学系统，偏重于成像质量的提高，忽略了空间环境要求、星敏感器标定要求、研制工艺要求与成像质量的综合性能提高，得到的星敏感器光学系统在综合性能上存在不足。例如，镜片之间的边缘间隔不够大，造成对心加工工艺难以实现；镜头的光学筒长与焦距相比较长，不利于空间产品的轻量化要求；像方没有采用近远心光路，不利于星敏感器克服热离焦和发射冲击离焦，也不利于在标定星敏感器过程中的弥散斑调整。

本发明内容

本发明的目的克服上述现有技术的缺陷，提出一种综合性能优良的星敏感器光学系统成像结构，这种成像结构首先能够保证星敏感器所特有的成像要求，如各色光能量中心偏差要求在像元素尺寸的十分之一以内，除了满足星敏感器所特有的成像要求外，还综合考虑了空间环境热离焦和发射力学离焦等影响的减弱设计、高精度对心加工工艺要求、星敏感器标定的弥散斑可调性等星敏感器总体工程技术要求的满足。所提出的成像结构具有近像方远心光路设计、全分离与宽边缘空气间隔、采用少量种类的光学玻璃、短的光学筒长等优良的综合性能。