[发明专利]一种星敏感器镜头及其用于大温度范围精确测量恒星方位角的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种星敏感器的镜头及其用于大温度范围精确测量恒星方位角的方法。

背景技术

星敏感器是自主测量航天器姿态的常用光电仪器之一。航天器所处的环境温度范围为-20℃至+60℃，镜头焦距的热稳定性对星敏感器的测量误差有明显的影响。在文献已公开的星敏感器中，镜头焦距随环境温度的升降发生显著变化，导致星敏感器对恒星方位角的测量值出现较大误差。通常采取以下两种方法，使星敏感器在环境温度升降的条件下保持较高的测量精度：

(1)减小星敏感器与环境温度有关的测量误差的常用方法是“修正值法”，即在事前了解镜头焦距值的温度偏移规律的基础上，实时检测镜头的温度，在测量数据处理过程中扣除镜头焦距的热偏移量使经修正的方位角的计算值更接近理论值。上述修正方法适合用于中等精度星敏感器，不能满足高精度(例如，亚角秒级)星敏感器的需求。

(2)减小星敏感器与环境温度有关的测量误差的另一种方法是实时检测镜头焦距，在测量数据处理过程中使用准确的镜头焦距数据。但是，附加实时监测焦距的装置会增加航天器的载荷，并增大了星敏感器的复杂程度。

“自动调焦”的含义是使图像传感器的光敏面与景物的成像面始终对齐，从而获得清晰的图像。对于以景物为测量目标的数码照相机、摄像机而言，自动调焦技术具有良好效果和很高实用价值。

成都光电技术研究所作者在2005年发表题为“A Hybrid Athermal CCD Camera”的论文(SPIE Vol.5874，2005)，该文基于金属镜筒的热膨胀量与光学镜头热效应引起的成像面位移量互补的原理，确保CCD照相机在大温差环境中得到高清晰图像。

2006年《航空兵器》第3期刊载“光学系统无热化设计在空空导弹上的应用研究”，提出低热膨胀系数和高热膨胀系数“双金属补偿式”无热化光学成像方案。

以上两文献所提出的技术方案，重在消除像面位移量对图像清晰度的影响。对于使用定焦镜头的数码照相机而言，“调焦”过程中，定焦镜头的焦距不变。在环境温度变化时，焦距随环境温度发生变化。使得普通定焦镜头的焦距值并不始终等于标称焦距值。

综上所述，国内文献已报道的航天光学系统没有专门采取措施抑止温度变化引起的焦距热偏离量

发明内容

本发明的目的在于提供一种在-20℃至+60℃范围内，将物镜焦距的热偏离量减小到最低限度的星敏感器镜头，并提供一种运用所述镜头精确测量恒星像斑质心位置(从而计算恒星方位角)的方法。

本发明的星敏感器的镜头，包括镜筒、底座、透镜、光电图像传感器，兼作保护窗的滤光片和光阑，其特征在于，所述透镜为四片，每两片结合成一组，两组透镜对称放置在光阑的两侧构成球面透镜组，在两组透镜两侧安放有用于微调镜片间隔的伸缩环，在二组透镜的中间设有复位紧固的弹性环，伸缩环和弹性环构成焦距热偏移量自动控制装置。

标定光电图像传感器的位置，使光敏面位于最佳离焦面位置。所述离焦面的特征在于：用ΔR表示同一恒星在视场中心和视场边缘的像斑点列图均方根半径值的差值，点列图均方根半径值约为20微米，ΔR值不大于0.2微米。

伸缩环在-20℃至+60℃温度范围内的热变形效应微调两组透镜之间的间距，该间距微调量引起的镜头焦距偏移量抵消镜头焦距的热偏移量，控制镜头焦距f的热偏移量Δf/f在-20℃至+60℃温度范围内不大于2×10^-6。

在光电图像传感器和底座之间设有微调光电图像传感器位置的支承座，通过支承座与底座的热形变效应，微调图像传感器的光敏面，使之在大温度范围内与离焦面重合。

所述镜片的主要参数为：

所述镜片的材料、球面形状和厚度参数为：

曲面1：曲率半径19.05510mm，厚度3.32860mm，材料牌号：LAK3，折射率1.74693，折射率温度系数0×10^-6/℃，热膨胀系数5.2×10^-6/℃；

曲面2：曲率半径-76.73780mm；间隔1：0.80190mm；

曲面3：曲率半径-37.25010mm，厚度0.85480mm，材料牌号：F13，折射率1.62588，折射率温度系数2.4×10^-6/℃，热膨胀系数9.6×10^-6/℃；

曲面4：曲率半径22.10300mm；

间隔2：1.49406mm；

光阑：曲率半径∞；

间隔2：1.49406mm；