[实用新型]一种小型化全天候星敏感器光学系统

说明书

本实用新型公开了一种小型化全天候星敏感器光学系统，包括：第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜和像平面，入射光线依次通过第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜并到达像平面，所述第二反射镜上设有孔径光阑，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的顶点球心均位于同一直线上，所述直线称为光学系统的光轴，第一反射镜和第三反射镜的光焦度均为正，第二反射镜的光焦度为负，第一反射镜为二次曲面反射镜，第二反射镜和第三反射镜为球面反射镜；本实用新型采用视场偏置的消像散离轴三反光学系统，无中心遮拦，有利于提高恒星探测能量，并避免了由于中心遮拦引起的光斑中心能量分布下降，能够实现响应谱段范围内的全部恒星光信号的收集，探测能力强。

技术领域

本实用新型涉及一种星敏感器光学系统，特别涉及一种小型化全天候星敏感器光学系统，属于光学设计技术领域。

背景技术

在已知的惯性导航设备中，星敏感器作为测量精度最高之一的测量仪器，测量精度可以达到亚秒级。由于星敏感器采用光学系统探测太空中位置及光谱稳定分布的恒星光信号，测量精度不随时间发生漂移，为航天飞行器的长时间高精度飞行提供了稳定的三轴姿态角信息输出。

星敏感器光学系统一方面抑制外界杂散光，一方面将恒星光信号以对称分布大小合适的光斑形状会聚到星敏感器的探测器靶面，获得高信噪比、细分精度高的像素灰度信息。星敏感器光学系统的性能对星敏感器的探测精度、星等探测能力以及轻小型化等有着至关重要的影响。

近年来，随着星敏感器导航技术的发展以及地面、航空飞行器技术应用需求推动，甚至空间飞行器在大气层内飞行段对自主导航也有着迫切的需求，将星敏感器技术应用到大气层内实现白天观星成为研究热点。大气层内进行恒星观测时，大气背景散射杂光严重影响恒星的探测。随着观测高度越低，视场内的杂散光干扰越强。杂光到达探测器靶面的照度与光学系统相对孔径的平方成正比，空间用星敏感器光学系统属于大相对孔径光学系统，无法适应白天观星的探测环境。因此，研究全天候星敏感器光学系统对于解决星敏感器应用于大气层内的导航具有非常重要的意义和价值。

全天候星敏感器光学系统的实现需要综合考虑大气背景辐射强度、谱段分布以及恒星光谱选择等进行平衡选择设计。一般来说，需要采用长焦距中等相对孔径甚至小相对孔径的光学系统。现有的星敏感器光学系统采用透射式或折反射式光学系统，长焦距下难以校正色差及二级光谱，难以满足白天观星的使用要求，也不易兼顾白天观星和夜间观星的光谱选择引起像质变化要求；专利CN104090355A介绍了一种全天候星敏感器光学系统，由于相对孔径大，抑制白天强背景辐射的能力较弱；该光学系统长度较长，且存在较大的中心遮拦，降低相对孔径会造成探测能力的迅速下降，且中心遮拦引起恒星光斑的中心能量降低，不利于提高后续的细分精度；另外，该光学系统采用了多达三个非球面反射镜，制造与装调成本较高，不利于推广应用。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：现有星敏感器光学系统存在较大的中心遮拦，降低相对孔径会造成探测能力的迅速下降，且中心遮拦引起恒星光斑的中心能量降低的问题。

本实用新型解决其技术问题的解决方案是：一种小型化全天候星敏感器光学系统，包括：第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜和像平面，入射光线依次通过第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜并到达像平面，所述第二反射镜上设有孔径光阑，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的顶点球心均位于同一直线上，所述直线称为所述光学系统的光轴，所述第一反射镜和第三反射镜的光焦度均为正，所述第二反射镜的光焦度为负，所述第一反射镜为二次曲面反射镜，所述第二反射镜和第三反射镜为球面反射镜，所述第一反射镜的二次曲面常数K满足：-1.75≤K≤-1.55。

进一步，所述光轴与子午方向的入射视场角的夹角ω₁满足：5°≤ω₁≤10°；

所述光轴与弧矢方向入射视场角的夹角ω₂满足：-5°≤ω₂≤5°。