一种恒星陀螺敏感器的制作方法

本发明涉及一种星敏感器。

背景技术：

目前对于航天器的姿态测量经常使用星敏感器，这种敏感器的主要原理是：利用恒星位置相对于惯性空间基本不动的规律，通过对一个天区的恒星光电成像获取星图，再星图进行处理和识别得到测量敏感器光轴在惯性空间指向，经过星敏感器在航天器安装坐标系与航天器姿态坐标系的转换即可得到航天器的三轴姿态。

现有技术中，星敏感器硬件包括遮光罩、光学系统(镜头)、电子学系统、电器和结构接口。电子学系统有包括探测器成像组件、信息处理单元、电源模块、内部外部电连接。星敏感器的主要技术指标包括三轴测角精度、数据更新率、杂光抑制能力等，星敏感器的数据更新率指标是每秒钟能够输出的姿态信息的更新次数，一般目前大多数星敏感器的数据更新率是10hz左右，数据更新率越高，则角位置更新频率越高，利用这些数据可以差分出角位置的变化率，其精度随着数据更新率和星敏感器本身的测量精度高低而定，当数据更新率接近50～100hz时角速率的差分精度可以达到比较高的水平，可以相当于陀螺，这就被业界称为恒星陀螺，其实质就是一个高速姿态输出的星敏感器，与惯性陀螺不是一个概念，恒星陀螺的特殊要求使得其方案与现有技术星敏感器差别很大，需要特殊的技术技巧才能实现，其中最主要的是缩短恒星陀螺敏感器的曝光时间，例如，对于100hz的恒星陀螺敏感器，其曝光时间不能超过10ms，在曝光量不变的条件下，短的曝光时间需要探测器很高的灵敏度配合才能实现正常成像。现有技术中主要提高高灵敏度的探测手段，或者采用emccd，或者采用像增强器，emccd探测器是一种电子倍增的电荷耦合器件，需要在真空环境下工作，因此使得恒星陀螺的体积和重量陡然增加，在航天上应用显得笨重。像增强器探测器是一种光电阴极后连微通道板放大器的一种像增强装置，虽然不需要真空环境，但需要和固体阵列探测器结合使用，这里涉及到像增强的荧光屏与固体探测器之间的耦合效率，以及光学结构稳定性问题，现有技术中采用固体探测器粘贴到像增强荧光屏的方案，或者荧光屏通过光纤光锥导出到固体探测器感光面上。目前已经有美国jpl提出了100hz的恒星陀螺，其采用的方案是像增强器和apscmos探测器直接粘贴结合，或者通过光锥与aps探测器光敏面粘贴结合，只具有一个成像镜头，镜头像面是像增强器，像面首先与像增强器的光电阴极重合，经过像增强器后，在像增强器的荧光屏一端，与aps探测器光敏面粘贴结合。现有其它技术方案中，有采用光锥把像增强器荧光屏的像过渡到探测器光敏面上的设计，又增加了一次像素对接环节。美国jpl和现有其它技术中，由于像增强器的像面也是由很多的微通道像素构成，在与探测器粘贴结合时，会存在以下问题：

(1)为了提高星敏感器的探测灵敏度，一般采取光学系统孔径增大、探测器灵敏度提高、缩小弥散光斑、增加探测器像素尺寸等方法，当在像增强器出射像面和探测器光敏面之间不采用光锥导像，像增强器的像素11与探测器像素10之间的粘贴耦合一次性用光学胶粘接完成，没有后续调整手段，使得像素点之间没有对齐导致的耦合效率下降，如图2所示，当在像增强器出射像面和探测器光敏面之间采用光锥导像，像增强器出射像面和导像光锥入射面之间的耦合以及导像光锥出射面和探测器光敏面之间的耦合都会存在探测器象素和像增强器荧光屏的象素耦合的部分12(阴影部分)，如图2所示，产生的耦合效率下降，这种下降因为耦合过程随机性而可控性较差，这是造成耦合效率降低且不稳定的主要原因。

(2)由于耦合效率下降不可控，导致整个系统灵敏度下降，进而需要增加光学系统孔径使得系统的尺寸和重量增加，当耦合效率低到一定程度还影响恒星陀螺的数据更新率。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术中恒星陀螺成像的像素点对接耦合的效率下降问题和耦合效率可控性较差的问题，本发明提出了一种恒星陀螺敏感器，通过二次成像的间接耦合方法，使得像素之间的耦合效率可以控制，而且可以调整，从而提高像增强器像素和探测器像素间的耦合效率，提高了恒星陀螺的探测灵敏度。

本发明的技术解决方案是：一种恒星陀螺敏感器，包括遮光罩、第一级光学系统、支撑结构、像增强器、第二级光学系统、探测器电路、信息处理单元、光电探测器；遮光罩安装于支撑结构的前端，第一级光学系统安装于支撑结构内部，遮光罩位于第一级光学系统，用于消除杂光；像增强器的安装在第一级光学系统的后端焦平面处，像增强器的前端光电阴极感光面与第一级光学系统的焦平面重合；第二级光学系统安装在支撑结构内部，位于像增强器之后，像增强器后端的成像荧光屏位于第二级光学系统的物面上；第二级光学系统的像面与光电探测器的感光面重合；探测器电路对光电探测器进行驱动与成像，信息处理单元采集到探测器电路获取的数字图像并存储于信息处理单元中，信息处理单元对图像进行处理，得到敏感器姿态信息和角速率信息。

所述第一级光学系统的线视场与像增强器的感光面的尺寸的偏差不大于10％，像增强器的成像荧光屏为第二级光学系统的物面，第二级光学系统的像面尺寸与光电探测器的感光面尺寸的偏差不大于5％，像增强器的成像荧光屏尺寸与光电探测器的感光面尺寸的比值为第二级光学系统的放大倍率。

还包括光纤光锥，光纤光锥位于第二级光学系统后端，第二级光学系统的成像面与光纤光锥的入口面重合，光纤光锥的出口端与光电探测器的感光面重合。

所述第一级光学系统的线视场与像增强器的感光面的尺寸的偏差不大于10％，像增强器的成像荧光屏为第二级光学系统的物面，光纤光锥入口面尺寸与第二级光学系统的像面尺寸的偏差不大于5％，光纤光锥的出口面尺寸与光电探测器的感光面尺寸的偏差不大于5％，像增强器的成像荧光屏尺寸与光纤光锥入口面尺寸的比值为第二级光学系统的放大倍率。

所述第二级光学系统的像面与光电探测器的耦合方法为：利用探测器电路、信息处理单元、光电探测器获取图像，通过调整光电探测器的六个自由度的空间位置和姿态，使得光电探测器的成像灰度取得最大值，并固定光电探测器的空间位置和姿态。

优选地，所述第一级光学系统为近像方远心光路，像方主光线与光轴的夹角小于10°。

所述的第二级光学系统的放大倍数的取值范围为0.2～2。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用两级光学系统的成像结构，使得像增强器荧光图像通过第二级光学系统所成的像与探测器光敏面之间的耦合摆脱光学胶粘接，而具有调整的可能性，可以控制耦合效率达到理想值，从而使现有技术的耦合效率值大幅度提高，而且可以有把握控制实现。克服了现有技术中采用光学胶直接粘接带来的耦合效率的不可控性和耦合效率值的偶然性。

(2)本发明采用二级成像的耦合方式可以使得像增强器出射图像阵列像元与探测器阵列像元二者的耦合效率调整到最大值，克服现有技术因胶粘固化时间有限，且只能一次性粘合确定最终结果使得耦合效率不能调整的问题，因为耦合效率在粘合后，即使光学胶的固化过程和一次对齐过程中发生象素点之间的错位也不能在继续调整。通过像增强器的光学信号放大作用和它与探测器的高效率耦合使得恒星陀螺的探测灵敏度大大提升，进而可以减小光学系统的孔径和口径，降低敏感器重量，提高单幅星图所摄恒星数量，提高正确识别概率。

(3)本发明采用了本发明的两级成像方案，可以使得像增强器的像素尺寸通过第二级光学系统的缩放和光纤光锥的缩放，与探测器像素尺寸相匹配，使得二者通过本发明的调整耦合效率的手段达到接近理论上最高的耦合效率。

附图说明

图1为恒星陀螺的结构；

图2为像增强器荧光屏象素与探测器象素之间的耦合效率下降示意图；

图3为恒星陀螺实施例的立体模装图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行进一步说明。

一种恒星陀螺敏感器，包括遮光罩1、第一级光学系统2、支撑结构3、像增强器4、第二级光学系统5、探测器电路6、信息处理单元7、光纤光锥8、光电探测器9。遮光罩1位于恒星陀螺的最前端，安装于支撑结构3的前端，第一级光学系统2安装于结构支撑3内部的支撑结构上，像增强器4安装在第一级光学系统2的后端焦平面处，与第一级光学系统2一体化设计安装，像增强器4的前端光电阴极感光面与第一级光学系统2的焦平面重合，第二级光学系统5安装在支撑结构3内部的支撑结构上，位于第一级光学系统之后，像增强器4后端的成像荧光屏位于第二级光学系统5的物面上，第二级光学系统5的成像面与光纤光锥8的入口面重合，光纤光锥8的出口端与光电探测器9的感光面重合，光电探测器9光敏面与光纤光锥8出口端面之间通过光学胶光学粘合在一起。

恒星目标10首先通过遮光罩1内部的视场通路，进入到第一级光学系统2的入瞳，由第一级光学系统2成像到像增强器4的前端光电阴极感光面上，产生光电感应图像，经过像增强器的电子放大后成像到像增强器4的荧光屏上，该荧光图像在经过第二级光学系统5成像到像面上的光纤光锥8前端面上，位于光纤光锥8后端面的光电探测器9的感光面接收光学图像并转化为电子图像，由探测器电路6和信息处理单元7将采集到的数字图像存储于信息处理单元7的内存储器中，再由信息处理单元7对于图像进行处理，得到卫星姿态信息和角速率信息。

所述的恒星陀螺，其特点是采用了第二级光学光学系统5的间接耦合方案保证了像增强器4的阵列荧光图像通过第二级光学光学系统5所成的阵列图像与光电探测器9像素阵列之间各像素点对点对齐的调整可能性，通过对光电探测器9的图像灰度监视，可以找到最大的耦合效率对应的耦合状态，耦合效率越大，光电探测器9图像的灰度越大，当这个灰度值达到最大时，认为二者耦合的效率最高。这种调整方案是区别于像增强器荧光面与探测器6光敏面直接贴合粘接带来的耦合位置不确定的现有技术方案。所述调整方案的调整方法可以有多种，比如通过在垂直于光轴方向和在沿光轴方向微量移动探测器或者镜头即可以实现。当像增强器象素尺寸，或者经过光纤光锥8后的像素尺寸与探测器象素尺寸相当时，垂直光轴调整移动的步长一般应不大于探测器像素尺寸的1/10，以保证耦合效率不低于90％，当探测器象素尺寸小于像增强器象素尺寸的1/n(n正数)时，垂直光轴调整移动的步长一般应不大于探测器像素尺寸的n/5，在调整移动初始阶段可以不限制步长。沿光轴移动调整的步长为不大于第二级镜头全焦深的1/2。所述的沿光轴微量移动可以采用修磨垫片方法或者螺纹副旋转与止动的方法，也可以采用达到同样调整目的的方法，所述的垂直光轴微量移动可以采用专门设计的周边顶螺方案实现，也可以采取其它微量移动方案。

所述第一级光学系统2是一个照相成像的光学镜头，特点为设计物距为无限远而后工作距很小的镜头，一般在10mm以内，其成像光谱可以是紫外谱段(280nm～450nm)、红外谱段(800nm～2000nm)、可见光谱段(450nm～800nm)，选择原则应与像增强器4的光电阴极响应光谱相匹配。也可以在这三个光谱段内截取一段作为第一级光学系统2的成像谱段，所截取的谱段应在像增强器4的光电阴极响应光谱半响应宽度以内，该系统的视场、焦距、相对孔径的确定由通常星敏感器常规设计方法进行。所述第一级光学系统2的优选设计为像方远心光路，像方主光线与光轴的夹角要小于10°，其它非远心设计不是最优，也可以使用。

所述的恒星陀螺第二级光学系统5是对于荧光图像进行第二次成像的镜头，其物距和像距均为有限距离，特点是数值孔径大、视场大、结构紧凑、接近衍射极限成像质量，放大倍数一般的范围为0.2～2，其视场根据靶面尺寸和探测器感光面尺寸，依照放大倍数来确定。第二级光学系统5的物面是像增强器4的荧光图像，其像面在没有光锥设计时是与探测器光敏面理论上是重合的，在有光锥设计时是与光锥入射端面重合，光锥出射端面与探测器光敏面重合。

所述遮光罩1是有若干内部挡光板和外壳构成的一个功能部件，主要功能是遮挡第一级光学系统视场外来自太阳和地球等光源的杂光，使之不能达到成像面，或者使得达到成像面的杂光数量降低到可以接受的程度。

所述支撑结构3是一整体，包括安装底座、外壳、承力支撑结构几个部分，底座是恒星陀螺敏感器与卫星固定安装的部位，外壳是恒星陀螺敏感器的外部壳体结构，承力支撑结构就是其它零部件安装的支撑。遮光罩1、第一级光学系统2、第二级光学系统5、信息处理单元7都固定安装在支撑结构3上，它具有足够的刚度强度和散热特性，荧光屏是放大以后的输出图像面。一个非常弱的光学信号，通过光电阴极感光后，在电场作用下，进入微通道板的高压增强环节，放大后的信号被轰击到荧光屏上，产生可见的荧光图像，由于放大倍数很高，因此可以将弱信号增强显示，提高探测灵敏度。

所述探测器电路6是一块带有探测器驱动和信号采集功能的电路板，它与信息处理单元7之间以柔性电缆进行连接，主要完成接收信息处理单元7发来的曝光时间设置指令、电源供电、图像传输等功能。

所述的光电探测器9是具有高帧率的固体成像探测器，光谱响应范围至少在三个谱段内选择：谱段1(250nm～400nm)、谱段2(450nm～900nm)、谱段3(1000nm～2000nm)。探测器阵列行列像素数应大于像增强器的荧光像阵列对应行列像素数，当像增强器像素阵列形状是圆型时，探测器的象素阵列矩形边缘应不小于像增强器的外切正方形。类型比如可以选择ccd、apscmos中的一种，也可以是其它类型的阵列式光电响应成像器件，一般是专业厂家生产制造的。

所述光纤光锥8是一个由很多条单根光纤光锥排列在一起，固封而成的一个器件，主要功能是将落在一端的光学图像通过光纤光锥的传导，在其另一端显现出来，由于两端尺寸可以不同，所以可以起到放大或缩小图像尺寸的作用。

所述光纤光锥与探测器对齐方法，即：当需要缩放第二级光学系统5的像尺寸时，则可以采用光纤光锥8，所述的恒星陀螺的光锥8和光电探测器9之间采用光学透明结构胶粘接，在粘接过程中应保证光纤端点与探测器6的对应像素对齐，中心偏差不超过1/10探测器像素，超过1/10探测器像素将严重损失像面能量的传递效率，这种对齐实施方案可在长工作距显微镜下完成，其工作距应当长于光纤光锥的轴向长度，当光纤光锥出射面与探测器粘合时，用长工作距显微镜在光纤光锥入射端面观察探测器像元中心是否与光纤中心重合，显微镜的放大倍率按照人眼能分辨出探测器1/10像素的要求计算得到。

本发明成像结构中可以不采用光纤光锥8，此时第二级光学系统5的像面落在探测器上，有探测器电路转换为电子数字图像，存储于信息处理器7的存储器中。这种情况下，光电探测器9的像素阵列与第二级光学系统5所成的像增强器荧光像素阵列应点对点调整对齐，采用方法为：给探测器加电启动进入采图模式，模拟恒星目标，通过第一级光学系统，在像增强器荧光屏上成像，该像具有像增强器微通道板光纤阵列的阵列像素，如果与探测器像素阵列的像素中心对齐，则探测器输出的信号最为强，从图像灰度大小判断对齐的效果。

所述信息处理单元7是一种数字信号处理器，其特点是运算速度足以支撑50帧/s以上的光电探测器9的图像帧率，同时要对于像增强器的增益电压、mems惯性测量组件、卫星导航接收器等外设设备进行数据接收和参数控制。其主要构成和功能与现有星敏感器技术原理类似，可以作为通用技术看待，不同点在于增加了像增强器的增益控制功能和多个外设设备的控制和数据接收存储。

实施例1：

如图3所示，一种恒星陀螺敏感器，由遮光罩1、第一级光学系统2、支撑结构3、像增强器4、第二级光学系统5、探测器电路6、信息处理单元7、光纤光锥8、光电探测器9构成。图1中的恒星目标10是为了表达本发明恒星陀螺的探测目标，并不是恒星陀螺本身的一部分。恒星目标通过第一级光学镜头2成像在像增强器4的光电阴极靶面上，通过向增强器的放大后，成像在像增强器的荧光屏上，此时的荧光图像是由很多的像素构成的，像素的来源是像增强器的微通道放大器光纤阵列，荧光图像通过第二级光学系统二次成像，成像在固体光电探测器9的光敏面上，光电探测器9对于光信号感应并由数据采集电路采集出来，经过模数转换存储到信息处理单元7的存储器中，供后续处理。所述信息处理单元与主体结构一体化设计，由多块电路板安装于主体结构空间内，由接插件与外部设备联系。如图3所示，这样的布局以及其它型式的布局均可以实现图1所示信息处理单元盒子的功能，本发明不做限制。如上所述的技术解决方案，不采用光学胶粘接进行像面像素点阵列的耦合，而是采用了两级光学系统，使得两次图像的像素点耦合过程可以通过装调的方法进行调整，以达到最高的耦合效率。

所述恒星陀螺包括第一级光学系统2和第二级光学系统5，中间是像增强器4，像增强器4的光电阴极位于第一级光学系统2的焦平面上，像增强器4的出射荧光屏位于第二级光学系统5的物面，恒星目标的光通过第一级光学系统2成像在像增强器4的光电阴极靶面上，通过像增强器4内部光信号的电子放大增益，在像增强器4荧光屏上显示出与微通道放大阵列响应的阵列图像，这个图像通过第二级光学系统5再次成像到其焦平面的光电探测器9光敏面上，光电探测器9感光后，由采集电路将光电图像采集、模数处理，存储在信息处理单元7的存储器中。

所述的恒星陀螺，其两级光学系统的方案保证了像增强器阵列图像在第二级光学系统5焦平面上与光电探测器9像素点对点对齐的调整余地，通过对图像的灰度监控，可以找到最大的耦合效率对应的耦合状态，这是区别于像增强器荧光面与光电探测器9光敏面直接贴合粘接带来的耦合位置不确定的现有技术方案。所述的调整方案是通过在垂直于光轴方向和在沿光轴方向微量移动探测器或者镜头实现的。

实施方案中，光电探测器9尺寸为5.5微米，像增强器4像素尺寸8微米，探测器4象素尺寸小于像增强器4象素尺寸的1/1.45，垂直光轴调整移动的步长一般应不大于0.8微米，在调整移动初始阶段可以不限制步长。第二级光学系统5焦深为20微米，所以沿光轴调整步长为10微米。在光电探测器9象素尺寸在移动初始阶段可以不限制步长。所述的沿光轴微量移动可以采用垫片方法或者螺纹副旋转与止动的方法，所述的垂直光轴微量移动可以采用专门设计的周边顶螺方案实现，具体实现方法为业内公知的。

所述的恒星陀螺第二级光学系统5物距和像距分别为8mm和10mm，要求数值孔径大、视场大、结构紧凑、接近衍射极限成像质量。所述的第一级系统2是物距为8mm。

所述的恒星陀螺的光纤光锥8和光电探测器9之间采用光学环氧树脂粘接，在粘接过程中应保证光纤端点与光电探测器9的对应像素对齐，中心偏差不超过0.8微米，对齐粘接结果用长工作距测量显微镜测量确定。光锥8不采用。

所述恒星陀螺的探测器是具有高帧率的固体成像探测器，本实施例子中采用cmv4000型号的apscmos芯片，光谱响应范围在谱段2(450nm～900nm)。探测器阵列行列像素数为2048x2048大于像增强器的荧光像阵列对应行列像素数996，探测器的象素阵列矩形边缘大于像增强器的外切正方形。

所述的恒星陀螺的信息处理单元7是一种数字信号处理器，要求运算速度足以支撑100帧/s以上的光电探测器9的图像帧率。

所述恒星陀螺第一级光学系统2是一种近像方远心光学系统，出瞳距离绝对值保证了各个视场主光线与光轴夹角最大值为5°。像增强器4支撑结构与第一级光学系统2一体化设计，以保证像增强器光电阴极靶面调整到镜头焦平面上的稳定性。

所述恒星陀螺第二级光学系统5是一种近双远心光学系统，物方和像方的主光线与光轴夹角均不大于5°，第二级光学系统5的物面是像增强器4的荧光屏像，第二级光学系统5的像面在没有光锥设计时是与探测器光敏面理论上是重合的，在有光锥设计时是与光纤光锥8入射端面重合的。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知技术。