[发明专利]一种基于EMCCD的高动态星敏感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于EMCCD(电子倍增图像传感器)的高动态星敏感器。

背景技术

星敏感器是以恒星为姿态参考源的光学敏感器，它无需先验的姿态和角速度信息，进行全天球自主姿态捕获和确定，具有精度高、几乎没有漂移、可靠性高等优点，是卫星的关键姿态测量部件。

影响星敏感器动态性能的因素较为复杂，目前高动态星敏感器的主流研究方案是，综合设计曝光时间、镜头孔径、光学视场等指标，辅助以软件增强等手段，提高星敏感器的探测能力，以提高星敏感器的动态性能。但这些手段均有一定的缺点，

1)增加曝光时间

通过增加曝光时间可以增强光信号以提高信噪比，但是在动态条件下，较长的曝光时间会造成星点在像面上拖尾，造成星点能量分散，达不到提高探测能力的目的，而且星图拖尾会造成星点提取的困难。

2)增大光学系统孔径

通过增大光学系统的通光孔径可以提高星敏感器的探测能力，但是通光孔径的增大意味星敏感器的体积、重量的增大，而且大孔径光学系统的焦距也大，这意味着视场的减小和探测星数也减少，在高动态条件下会可能会由于跟踪窗口移出视场而导致跟踪失败。

3)降低噪声

通过降低噪声的方法可以提高信噪比，比如选用低噪声图像传感器件、半导体致冷技术、低噪声视频电路设计，但这些方法难以大幅提高星敏感器的探测能力。

4)软件补偿

通过软件的方法来提高动态性能，比如图像信噪比增强技术、低信噪比图像的星点提取技术等，但这些方法对星敏感动态性能的提高也是有限的。

5)采用像增强器

在图像传感器前端增加像增强器来提高星敏感器的探测能力，像增强器一般由光电阴极、微通道板(MCP)、荧光屏组成，此外还需要一个额外的光学中继装置(光纤/透镜)将增强的图像投影到星敏感器的图像传感器上，实现提高探测灵敏度的目的，该技术的缺点主要在于：(a)成像过程要经历光电、电光、光电三次转换，成像环节多，引入的额外噪声较大；(b)像增强器与图像传感器之间的光学中继组件耦合损失较大，传像质量会下降，并且较多的组件会带来一定的可靠性问题；(c)结构、工艺复杂，国内的工艺成熟度不高，性能不太稳定，地面使用寿命通常不超过15000h；(d)像增强器和光学中继组件存在先天的面均匀性低问题，而且长时间使用时面均匀性还会发生变化，因此也影响了星敏感器测量精度和可靠性。

鉴于上述技术限制，目前主流星敏感器的动态性能一般为2°/s左右，采用像增强器实现的方案可达10°/s左右，但精度和可靠性稍差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种基于EMCCD的探测灵敏度高、信噪比可调、动态性能高的星敏感器。

本发明包括如下技术方案：

一种基于EMCCD的高动态星敏感器，包括：成像组件和视频电路；

成像组件包括光学系统、电子倍增图像传感器EMCCD、致冷器、致冷器导热结构、抽气阀门、气密接插件、O形橡胶圈、密封腔壳体、密封腔底座、CCD电路板和热敏电阻；视频电路包括FPGA、高速DAC、高压驱动模块、时钟驱动模块、图像采样模块和致冷器驱动模块；

光学系统用于收集恒星光学信号，并成像在EMCCD的焦面上；EMCCD可根据倍增时钟信号对恒星光学信号进行电子倍增，转换成增强的模拟图像信号，EMCCD的电子倍增倍数能够通过FPGA实现在线调节；致冷器用于对EMCCD进行致冷；密封腔壳体安装在密封腔底座上方，在密封腔壳体上安装抽气阀门，光学系统位于密封腔壳体上方；密封腔壳体侧面安装气密接插件；光学系统的镜片与密封腔壳体之间通过O形橡胶圈密封，密封腔壳体与密封腔底座之间、抽气阀门与密封腔壳体之间都通过O形橡胶圈密封；EMCCD、致冷器、致冷器导热结构、CCD电路板位于密封腔壳体与密封腔底座形成的密封腔内；通过抽气阀门抽真空使得密封腔保持真空状态；EMCCD通过导热胶粘接在致冷器冷面上，EMCCD的管脚通过引线焊接至CCD电路板上，CCD电路板的输入输出信号通过气密接插件引出至密封腔外与视频电路相连；致冷器热面焊接在致冷器导热结构上，致冷器的冷端和热端粘贴热敏电阻；致冷器导热结构安装在密封腔底座上方；