基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，该装置在传统光学系统前加入泰伯干涉组件，该干涉组件为两块二维光栅及楔形镜组阵列组成。第二二维光栅设置于第一二维光栅的某一泰伯距离处，且第二二维光栅相对于第一二维光栅沿光轴旋转一定角度使得在通光孔径内仅得到一个莫尔条纹。楔形镜组阵列由四块相同的方形光楔组成，将光分为四个方向，最终在CCD上形成四个星点，通过探测四个星点的相对强度分布，可获得入射星光的角度变化。相对于传统的星敏感器，本实用新型专利技术可探测的理论精度优于0.2角秒。由于采用二维光栅，可同时探测两个方向上的角度变化，结构紧凑，体量轻巧，适用于航空航天等领域。

Two axis interferometric star sensor device based on two dimensional grating

The utility model discloses a two axis interferometric star sensor device based on a two-dimensional grating. The device adds a Tiber interference component before the traditional optical system, which is composed of two two-dimensional gratings and a wedge-shaped mirror array array. Second the two-dimensional grating is set at a certain Tiber distance of the first two-dimensional grating, and the second two-dimensional grating, relative to the first two-dimensional grating, rotates a certain angle along the optical axis so that only one Moire stripe is obtained in the aperture of the optical aperture. The wedge-shaped mirror group array is composed of four same square wedge, which divides light into four directions, and finally forms four stars on CCD. By detecting the relative intensity distribution of four stars, the angle change of the incident star light can be obtained. Compared with the traditional star sensor, the theoretical accuracy of the utility model is better than that of 0.2 seconds. Due to the use of two-dimensional grating, the angle changes in two directions can be detected at the same time, with compact structure and light weight. It is suitable for aerospace and other fields.

【技术实现步骤摘要】
基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置
本技术涉及一种用于跟踪定位的星敏感器系统，尤其涉及一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置。
技术介绍
星敏感器以恒星为参考基准，具有精度高、自主性强、不受轨道影响的特点，是目前所有姿态敏感器中精度最高的敏感器，可以达到角秒级。与其它姿态敏感器相比，星敏感器具有精度高、重量轻、功耗低、无漂移和工作方式多种多样等优点，新一代的星敏感器与惯性陀螺一样具有自主导航的能力，是一种优良的和有前途的姿态测量设备。星敏感器的姿态信息来自于恒星星光的方向矢量在惯性参考坐标系的指向和恒星星光方向矢量在星敏感器测量坐标系的指向。由于恒星的张角很小，经过几百年的天文观测，它们在地心惯性参考系中的方位是精确已知的。星敏感器可以提供其测量坐标系中的高精度恒星位置测量，所以测算得出的星敏感器的姿态角精度可以精确到角秒级。目前对星敏感器的研究和应用非常活跃，并已广泛应用于地球遥感、地球测绘、深空探测、行星测绘、星际通讯和洲际导弹等航空航天领域。传统的星敏感器光学系统通过探测星点在像面上弥散圆的位置，利用光学系统的焦距计算得到星点相对于光学系统的光线入射角度，其入射光线的定位精度主要取决于光学系统的视场、探测器的阵列数，以及判断弥散圆质心的算法精度。当探测器阵列数一定时，恒星位置的测量精度与视场角大小之间是矛盾的：小的视场角可得到较高的测量精度，但视场中可捕获的导航星数量比较少，导致星敏感器星探测能力的降低，不利于星图识别和飞行器的动态性能；而大的视场角会导致测量精度变差。这种矛盾在高动态飞行的航天器中更加突出：高精度姿态确定要求采用较小的星敏感器视场角，但由于航天器的飞行动态范围大，不能保证在每一时刻视场中都能同时拍到足够的导航星。这样会限制星敏感器的星探测能力和造成姿态确定精度的下降。以全视场20度、探测器阵列数为1K×1K，判断弥散圆质心1/20像元精度为例，入射光线定位精度最高可达到2.5角秒。提高探测器的阵列数固然可以提高探测精度，但这种提升是有限的，并且会带来额外的花费。当用单色平行光垂直照射一维光栅，在光栅后周期性距离处会出现光栅的像，这种光栅的自成像效应被称为泰伯效应。在第一块光栅的某一泰伯距离处放置第二块相同的一维光栅，并令其沿光轴旋转某个微小角度，则第二块光栅会与第一块光栅的自成像叠栅而形成一维莫尔条纹。当入射光线角度变化时，莫尔条纹会发生移动，通过测量莫尔条纹的移动可探测入射角度的变化。在光学系统前放置两个Ronchi光栅可构成干涉型星敏感器，利用莫尔条纹的移动高精度探测入射角度。然而该方法仅能探测一个轴上的角度变化，若要实现双轴探测，需要将两个单轴光栅耦合，使整体的体积重量增大。与一维光栅相同,二维光栅也存在着自成像效应，其中振幅型光栅获得整数泰伯效应,相位型光栅获得分数泰伯效应。由于相位型光栅对光强几乎没有衰减，比振幅型光栅具有更高的光利用效率，所以在光栅剪切成像系统中，多选用相位型。
技术实现思路
本技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，可以在不牺牲探测视场的前提下大大提升星敏感器的双轴探测精度。该装置通过在传统光学系统前加入干涉组件，利用莫尔图案的移动来探测入射角度的变化，采用二维相位光栅，不需耦合两个单轴星敏感器，即可同时测探两个方向的角度的高精密变化，体积轻巧。本技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，包括泰伯干涉组件、光学成像系统、与CCD；所述的泰伯干涉组件设置于光学成像系统前端，由两块相隔一定距离的二维光栅及楔形镜组阵列所组成。进一步地，所述的泰伯干涉组件由两块相隔一定距离的二维分布光栅及楔形镜组阵列所组成。其中第二块光栅相对于第一块光栅沿光轴旋转一定角度，并位于第二块光栅的某一泰伯距离处，构成泰伯干涉仪。入射光经过两块光栅后形成横竖两组莫尔条纹，当入射光线角度发生变化时，引起莫尔条纹的移动。令第二块光栅旋转到一定角度，在通光孔径内得到一个莫尔条纹，则莫尔条纹的移动引起该孔径内光强分布的大幅变化。进一步地，楔形镜组阵列由四块相同的方形光楔组成，四块光楔胶合在同一底板平面上，且的楔角分别朝向四个方向并胶合在一块底板上，构成一个方形的光楔阵列，该光楔阵列紧贴第二块二维光栅后表面，阵列边长大小对应于上述一个莫尔条纹的宽度。经前述泰伯干涉仪调制的光经光楔镜组后分别投向四个方向，将莫尔条纹分为四个区域，入射角度变化时四个区域对应的光强度也发现周期性变化。进一步地，所述的两块二维光栅均采用二维的相位光栅，它可以对两个方向的光进行调制，可以进行双轴跟踪。相比于振幅光栅，二维相位光栅能对入射光波的相位进行调制，因此其光能透过率更高。进一步地，所述的装置还包括像增强器及光纤传像器件，所述的像增强器及光纤传像器件设置于CCD前端，用于增强微弱的星光，提高探测灵敏度。本技术中，所述的二维光栅可看作两个一维光栅的叠加，第二块光栅后面形成互相垂直的两组干涉条纹。当入射光线角度在水平方向发生变化时，水平方向的干涉条纹将沿着垂直方向移动；当入射光线角度在垂直方向发生变化时，垂直方向的干涉条纹将沿着水平方向移动。因此可同时探测两个方向上角度的变化。所述的光学成像系统将光楔阵列分开的四束光成像在焦平面阵列上，则每一个目标星可在探测器上获得四个星点，对应于光楔的四个区域，通过探测四个星点的相对强度变化，可以求解横竖两组莫尔条纹的初相位，从而可探测入射光线角度的微小变化。在实际应用中，可以通过探测四个星点的中心坐标来对入射星进行粗定位，通过四个星点的相对强度变化获得精确定位。本技术有益效果是：1.本技术通过在传统光学系统前加入泰伯干涉组件，提高传统星敏感器的理论探测精度极限。对探测器的阵列数要求不高，同时能实现较大视场。2.本技术采用二维光栅构成二维的泰伯干涉仪，无需耦合两个单轴星敏感器即可实现双轴高精度探测。结构简单，体量轻巧。3.本技术通过四个光楔进行分光，在像面上探测四个星点的相对变化来探测单星的位置变化。不需要直接探测莫尔条纹，理论上可以探测设计视场内的每一颗恒星。附图说明图1是本技术装置系统示意图。图2是本技术结构示意图。图3是本技术所述四区域的强度变化图。图4是本技术可采用二维光栅及对应的自成像。图5是本技术采用某二维光栅产生的莫尔条纹图。图6是本技术四个星点随角度变化图。图中：第一二维光栅1、第二二维光栅2、楔形镜组阵列3、光学成像系统4、像增强器5、光纤传像器件6、CCD探测器7。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本技术作进一步详细说明。如图1所示，本技术提供的一种双轴干涉型星敏感器，包括泰伯干涉组件、光学成像系统、像增强器、光纤传像器件、CCD探测器及后续的信号采集与处理系统。如图2所示，入射星光经过第一块二维光栅1时，将会在水平和竖直两个方向上发生衍射，即对入射光进行两个方向上的调制。在某一泰伯距离处，将形成该光栅的自成像。在该处放置第二块相同的光栅2，其相对于第一块光栅1沿光轴旋转一定角度，则第二块光栅2将与第一块光栅的自成像叠加，可在第二块光栅2后面形成互相垂直的两组干涉条纹。由光学干涉原理可知，当星点入射光线角度发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，包括光学成像系统和CCD，其特征在于：还包括泰伯干涉组件；泰伯干涉组件设置于光学成像系统前端，所述的泰伯干涉组件由两块相隔一定距离的二维光栅及楔形镜组阵列所组成。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，包括光学成像系统和CCD，其特征在于：还包括泰伯干涉组件；泰伯干涉组件设置于光学成像系统前端，所述的泰伯干涉组件由两块相隔一定距离的二维光栅及楔形镜组阵列所组成。2.根据权利要求1所述的一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，其特征在于：所述的泰伯干涉组件中第二二维光栅设置于第一二维光栅的某一泰伯距离处，构成泰伯干涉仪，且第二二维光栅相对于第一二维光栅沿光轴旋转一定角度使得在通光孔径内仅得到一个莫尔条纹。3.根据权利要求1所述的一种基于二维光栅的双轴干涉星敏感器装置，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜娟，白剑，黄潇，罗宇杰，罗宇鹏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33