全天時干涉測量星敏感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學跟蹤設備及星敏感器技術領域，具體涉及一種全天時干涉測量星敏感器。
【背景技術】
[0002]光學跟蹤技術是一個應用很廣泛的通用技術。可用于激光束的精確指向、飛行平臺的位置和姿態保持以及大口徑光電望遠鏡的高精度跟瞄等等。恒星跟蹤設備，通常被稱為星敏感器，通過探測較大區域的星場分布從而獲得飛行器(衛星等)的位置和姿態信息。
[0003]傳統的星敏感器一般利用光學鏡頭將星光會聚到陣列探測器的靶面，白天探測時，10mm口徑的光電望遠鏡只能探測到亮度約5MV(5等星)的恒星。白天可利用的亮度為5等星以下的恒星數較少，不利于飛行器的導航，發射激光束的精確指向以及大口徑望遠鏡的精確跟瞄等應用。
【發明內容】
[0004]本發明為了解決現有技術中的技術問題，提供一種利用干涉測量的方法區分星光(小角直徑)和天空背景(大角直徑)的全天時干涉測量星敏感器。本發明可使目標星的信號在頻域搬移到天空背景較弱的頻率位置，從而實現白天高星等探測，預期可比傳統星敏感器的探測靈敏度高兩個星等以上。
[0005]為了解決上述技術問題，本發明的技術方案具體如下:
[0006]全天時干涉測量星敏感器，包括:
[0007]運動干涉條紋產生裝置，其可以通過對入射光波面分波前并利用光學移頻器或者移相器引入兩束光的頻率差或相位差，實現目標光在探測器表面形成運動干涉條紋；
[0008]探測器，其可對接收到的信號利用微弱信號檢測技術進行檢測，實現從強天空背景中探測暗弱目標。
[0009]在上述技術方案中，所述光學移頻器或者移相器可利用聲光效應、電光效應或者磁光效應，使兩束光產生頻率或者相位的差異，從而引起兩束光所形成的干涉條紋的運動。
[0010]在上述技術方案中，所述探測器為點探測器或者陣列探測器。
[0011]在上述技術方案中，所述探測器的獨立探測像元尺寸與干涉條紋的亮條紋寬度接近。
[0012]在上述技術方案中，所述探測器對接收到的信號利用微弱信號檢測技術進行檢測，具體為:
[0013]以同步相干檢測技術中的鎖定放大器或鎖相放大器以實現微弱電信號的提取。
[0014]在上述技術方案中，所述探測器對接收到的信號利用微弱信號檢測技術進行檢測，具體為:
[0015]以取樣積分技術中的取樣積分器或門積分器或多點信號平均器以實現微弱電信號的提取。
[0016]在上述技術方案中，所述運動干涉條紋產生裝置包括:濾光片、偏振器件、兩個聲光移頻器和光學鏡頭;所述探測器為陣列探測器;其中:
[0017]目標光和天空背景光可同時入射到濾光片，經過濾光片將目標光譜范圍之外的天空背景光濾除；
[0018]通過偏振器件，可將目標光和天空背景光變成線偏振光；
[0019]目標光經過兩個聲光移頻器后的一級衍射光在遠場可形成運動的干涉條紋；
[0020]兩個聲光移頻器輸出的光波經過光學鏡頭會聚在焦面處，焦面放置陣列探測器。[0021 ]在上述技術方案中，所述運動干涉條紋產生裝置包括:濾光片、偏振器件、加交流電壓的泡克爾盒、不加電壓的泡克爾盒和光學鏡頭;所述探測器為陣列探測器;其中:
[0022]目標光和天空背景光可同時入射到濾光片，經過濾光片將目標光譜范圍之外的天空背景光濾除；
[0023]通過偏振器件，可將目標光和天空背景光變成線偏振光；
[0024]目標光經過兩個泡克爾盒后的光波在遠場可形成運動的干涉條紋；
[0025]兩個泡克爾盒輸出的光波經過光學鏡頭會聚在焦面處，焦面放置陣列探測器。
[0026]本發明具有以下的有益效果:
[0027]本發明利用小角直徑目標具有更好空間相干性原理和弱信號提取技術(目標干涉條紋的調制和解調)，實現全天時(尤其是白天)對高星等暗弱目標的探測。
【附圖說明】
[0028]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0029]圖1全天時干涉測量星敏感器的結構示意圖。
[0030]圖2小角直徑目標和天空背景在陣列探測器靶面的會聚光斑及光斑的橫向光強分布示意圖。
[0031 ]圖3小角直徑目標和天空背景的輻射光的頻譜分布示意圖。
[0032]圖4陣列探測器靶面測量信號處理和圖像重構示意圖。
[0033]圖5天空星場和陣列探測器靶面上的星場的像。
[0034]圖6采用泡克爾盒的干涉測量星敏感器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0035]本發明的發明思想為:
[0036]接收光通過分波前的方式分成兩路，利用兩個光學移頻器或者移相器(改變光束的頻率或者相位)將兩束光的頻率或者相位調整為彼此間具有一個固定的頻率差或者相位差。然后通過光學透鏡會聚在焦面。在焦平面上，放置探測器。會聚光束在探測器靶面形成較小的光斑。該過程的描述如圖1所示。
[0037]根據部分相干光原理，小角直徑目標的遠場空間相干性優于大角直徑目標，由于自然星和人造衛星等目標的角直徑較小，遠小于天空背景的等效角直徑，故自然星等待測目標經分波前后，再經過兩個光學移頻器或者移相器后，可以在遠場形成干涉條紋，即在陣列探測器靶面形成的光斑具有條紋起伏分布，而天空背景則無法形成干涉條紋，只能在靶面形成均勻的光斑。目標光和天空背景在焦面處形成的光斑如圖2所示。
[0038]當兩個光學移頻器或者移相器均不工作或移頻頻率相等或移相相位相等時，待測目標光通過光學移頻器或者移相器后的兩束光，經過光學透鏡會聚在焦平面，形成穩定的干涉條紋。當兩個光學移頻器或者移相器具有一個固定的移頻頻率差或者移相相位差時，使得星光干涉條紋產生周期性掃描運動，即星光干涉條紋受到周期性調制，調制頻率設為
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[0039]天空背景光的頻域分布特點是具有很強的零頻分量和近似均勻的全譜段分布，一般來說白天全譜段分布幅值遠大于夜間。當目標光的能量被集中調制到某頻率值(帶寬很窄，一般遠小于IHz)時，該頻率位置處的信號光幅值可為天空背景(噪聲)的幾倍以上，從而實現從強背景中提取弱信號。天空背景光在白天和夜間的頻譜分布以及受調制后的目標信號頻譜分布如圖3所示。
[0040]對陣列探測器上所有像素的輸出信號均進行解調，如果發現某個區域的若干像素的解調信號幅值明顯大于其它區域，則實現在視場中發現目標。在發現目標的區域中選擇解調信號幅值最大的像素，則該像素在陣列探測器中所處的位置代表目標與星敏感器視軸的偏離量。如果在物方視場中有多顆星，則在陣列探測器靶面上的多個區域具有較強的解調信號幅值，從而實現對多顆星組成的星座的探測。
[0041 ]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0042]實施例1
[0043]采用聲光移頻器的干涉測量星敏感器的基本結構如圖1所示，包括濾光片3、偏振器件4、聲光移頻器5和聲光移頻器6、光學鏡頭7和陣列探測器8。圖1顯示了目標光和天空背景光I和星敏感器的光軸2。
[0044]目標光和天空背景光I同時入射到濾光片3，經過濾光片3，可將目標光譜范圍之外的天空背景光濾除，提高信噪比。由于同一偏振方向的光波才對形成干涉條紋有用，所以通過偏振器件4，將目標光和天空背景光I變成線偏振光。當聲光移頻器5和聲光移頻器6的電極加驅動電信號時，壓電換能器將電信號變成超聲波，在聲光移頻器內形成超聲行波場或駐波場，從而改變晶體材料的折射率，形成類似光柵的折射率分布，進而改變入射光的頻率。當兩個聲光移頻器所加電信號頻率稍有差別時，根據聲光效應，一級衍射光的頻率也發生相應的變化，光頻差等于電信號頻率差。這時目標光經過兩個聲光移頻器后的一級衍射光在遠場可形成運動的干涉條紋，而天空背景光卻只能形成近似均勻的光強分布。兩個聲光移頻器輸出的光波經過光學鏡頭7會聚在焦面處，焦面放置陣列探測器8。目標光在陣列探測器靶面形成較小的具有條紋起伏的光斑，天空背景則在全靶面形成近似均勻的光強分布，如圖2顯示了目標光形成的具有條紋分布的光斑9，天空背景光形成的充滿靶面的近似均勾的光強分布10，目標光斑的光強橫向分布11，以及天空背景光在革El面的光強橫向分布
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[0045]干涉測量星敏感器之所以比傳統星敏感器具有更高探測靈敏度，可探測更高星等目標，是源于具有從強天空背景噪聲中提取弱目標信號的能力，原理如圖3所示。
[0046]白天天空背景具有很強的直流噪聲13，白天散粒噪聲14則在全頻譜范圍內基本均勻分布，在某固定頻率處(帶寬很窄，一般遠小于IHz)幅值并不高。夜間天空背景噪聲15也是在全頻譜范圍內基本均勻分布，比白天噪聲弱很多。目標信號16被調制后避開很強的直流噪聲，在調制頻率fM處強于背景噪聲，故可實現從強背景噪聲中提取弱目標信號。
[0047]具體提取方式如圖4所示。星敏感器頭17的陣列探測器8中的每個像素均對應一組帶通濾波器18和同步相關檢測器19。其中帶通濾波器18將目標光調制頻率fM以外的天空背景光濾除，只容許頻譜很窄的目標光通過，大大提高信噪比。同步相關檢測器19將調制頻率為fM的時域變化信號解調為頻域的直流信號，經過低通濾波器20將直流信號篩選出來，再次提高信噪比。陣列探測器8中的每個像素對應的直流信號經計算機21處理后，重構陣列探測器8所探測到的目標分布。
[0048]該星敏感器可在白天探測較大視場范圍內的星座分布，并且可探測得到較高星等的星體，故在陣列探測器8的靶面探測到的星場分布比傳統星敏感器多。星場探測如圖5所示，其顯示了天空星座分布22，干涉探測星敏感器23，以及陣列探測器靶面獲得的星座分布圖像24。根據陣列探測器靶面星體光斑質心相對系統光軸即靶面中心的偏離量，即可獲得目標星相對探測器當前光軸姿態的偏離角度，從而實現對目標星在垂直系統光軸的橫向平面內的二維坐標的粗識別。當將感興趣的目標星通過粗識別和伺服機構實現系統光軸基本對準目標星時