[发明专利]一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统

说明书

本发明公开了一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，包括：前端像方远心望远成像系统、微透镜阵列、微开关阵列、后端共焦面成像系统及阵列探测器。其中，前端像方远心望远成像系统具备较大的视场，并将视场内的恒星成像至一次像面；微透镜和微开关阵列对一次像面的视场进行细分和选通，用于抑制天空背景光；后端共焦面成像系统将各选通视场内的一次像面进行放大成像且均成像于同一阵列探测器上。通过微开关的快速切换，可以实现在同一阵列探测器上准同时出现多颗恒星像。本发明所述的一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统同时具备大视场和强背景光抑制能力，为实现匹配式白天星敏感器的高精度定姿定位提供了一种有效的技术途径。

技术领域

本发明属于全天时自主天文导航设计领域，具体涉及一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统。

背景技术

星敏感器是一种以恒星作为参考源的姿态测量敏感器，具有精度高、抗干扰性强、可不依赖其他设备进行全自主姿态确定的优点，已在卫星平台上得到广泛应用。将星敏感器由大气层外太空环境扩展到近地空间环境使用，可使舰船、飞机、导弹等近地空间平台摆脱对卫星导航系统的依赖，具有广泛的应用前景，但需要星敏感器具备在强天光背景条件下对暗弱恒星目标的探测能力。

从上世纪50年代前后，美国就已经开始白天亮背景条件下的恒星敏感方法研究。到目前为止，美国、意大利等国家针对高空气球、飞机、以及舰船等平台的应用，研发了多种全天时近地空间星敏感器。

目前，常用的天空背景光抑制方法是通过设计小视场长焦距望远镜，减小探测器单像素立体角来实现的。上世纪80年代，美国Northrop公司就开发了NAS-26恒星导航系统，将全天时星敏感器安装在三轴稳定平台上，从全天区61颗恒星中选择目标恒星进行跟踪，实现惯性导航误差修正。2006年8月，美国Northrop公司研制的LN-120G天文/惯导导航系统在RC-135电子侦察机上完成了首次飞行试验。该系统通过“方位转动平台+俯仰扫描摆镜”的形式，从全天57颗2.5等以上恒星中选择目标恒星进行跟踪。由于牺牲了视场，这种星敏感器视场内往往只有单颗恒星目标，无法采用传统多星匹配方式实现自主定姿，而是采用机械转台等伺服机构对视场内的单颗恒星进行跟踪，其测角精度往往不高。2008年美国Trex Enterprises公司申请专利提出了一种自动天文导航系统。该系统通过观测来自多颗恒星的K波段或H波段的近红外光来进行昼夜导航。采用三个相对大口径望远镜刚性地安装在载体平台上，采用三个H波段的InGaAs探测器相机实现同步测量。该方案虽然未采用机械转台等伺服机构，但由于采用多套小视场望远镜组合的方案，因此其体积重量较大，难以满足机载等平台的应用需求。

由此可见，这些传统的机载天文导航系统均采用了大口径、小视场的光学系统，每次探测时视场内仅有一颗目标星，整个系统需要安装在二维转动/扫描平台上或采用多个望远镜实现同步测量。普遍存在系统庞大、精度低、自主性差缺陷，在小型化平台和高精度应用场合存在诸多局限。因此，亟需研究新型的全天时星敏感器，突破现有星敏感器成像体制的束缚，推动我国实现小型化、高精度和高自主性的白天星敏感器的发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对传统白天星敏感器视场大小和天光背景抑制能力难以兼顾的问题，提出一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统。该成像系统利用微透镜与微开关阵列实现瞬时视场的快速选通，并结合选通视场的共靶面设计，同时获得大视场和天光背景的抑制，实现匹配式白天星敏感方法，具有体积小、重量轻、精度高、自主性好等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于视场选通技术的白天星敏成像系统，包括：

－前端像方远心望远成像系统1，用于将视场内的恒星成像于一次像面；

－微透镜阵列2，用于对一次像面的视场进行细分；

－微开关阵列3，用于对细分视场进行快速选通；

－后端共焦面成像系统4，用于对一次像面上各选通视场内的恒星像进行放大成像；