CN110133677B

CN110133677B - 一种一体化导航敏感器

Info

Publication number: CN110133677B
Application number: CN201910561196.4A
Authority: CN
Inventors: 张刘; 张若曦; 雷景文; 朱庆华; 张帆; 王卫华; 王文华; 章家保
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Suzhou Jitianxingzhou Space Technology Co ltd
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2039-06-26
Also published as: CN110133677A

Abstract

本发明公开了一种一体化导航敏感器，包括镜头组件、近距离高精度测距机、高峰值功率激光器、PSbox、电控组件；镜头组件包括主支撑部件、前光路部件、后光路部件和外罩部件，主支撑部件上方设置有外罩部件，前光路部件位于外罩部件左端，外罩部件右端竖向方向设有主反射镜；后光路部件位于主反射镜右端，后光路部件包括红外后光路部件、棱镜部件、可见后光路部件，棱镜部件安装在主反射镜前侧，红外后光路部件位于棱镜部件上方；可见后光路部件位于棱镜部件右端。能够提高信噪比、成像质量和位置精度，保证稳定性和整机谐振频率，降低热控措施难度。

Description

一种一体化导航敏感器

技术领域

本发明涉及空间光学技术领域，具体涉及一种一体化导航敏感器。

背景技术

目前，深空探测已成为国际航天探测领域的热点问题，尤其是我国航天事业的发展更是突飞猛进，为了满足航天器导航敏感器精度的更高要求，光学导航敏感器标定系统作为光学导航敏感器地面标定检测设备得到了广泛应用。现社会对于光学系统提出更为严格的要求，察等方面，尤其是对于探测以及能够快速、高效的捕捉相关目标，同时实现高精度的跟踪以及测量任务，慢慢演变为当前光学系统发展的主要趋势。而为了获得更为丰富的探测数据，进而设计了新的双波段以及多波段方案。这种系统能够实现多个波段的高效检测，针对各个类别的被测物实现高效检测操作。这是单一的光学系统不能实现的功能，因此需要多波段复合测量。

实现白天用可见光相机加红外对目标进行复合跟踪，晚上可用波红外相机跟踪目标，并与激光复合探测，可实现对移动目标的稳定跟踪和激光的精确指向，并实现对目标的距离测量。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种一体化导航敏感器，包括镜头组件、近距离高精度测距机、高峰值功率激光器、PSbox、电控组件；所述镜头组件包括主支撑部件、前光路部件、后光路部件和外罩部件，所述主支撑部件上方设置有所述外罩部件，所述前光路部件位于外罩部件左端，前光路部件包括外框、次镜、矫正镜、镜筒、探测器部件和前支路支撑件，所述外框内部从左到后依次设有矫正镜、次镜和镜筒，所述探测器部件设置在外框外部左端，所述前支路支撑件位于外框右端；外罩部件右端竖向方向设有主反射镜，所述后光路部件位于所述主反射镜右端，后光路部件包括红外后光路部件、棱镜部件、可见后光路部件，所述棱镜部件安装在主反射镜前侧，棱镜部件内设置有立方棱镜，所述红外后光路部件位于棱镜部件上方，所述可见后光路部件位于棱镜部件右端，所述近距离高精度测距机、高峰值功率激光器和PSbox设置在主支撑部件下方，所述电控组件位于外罩部件底部，电控组件包括相机控制器、二次电源、电控热控部件；

前光路组件包括激光接收光路校正系统以及激光接收器，实现整个镜头的激光测距接收单元，外框内部从左到后依次设有矫正镜、次镜和镜筒，探测器部件设置在外框外部左端，前支路支撑件位于外框右端，前光路支撑杆主要实现对于前光路部件的固定支撑，外框与镜筒连接处设有调整垫，入射光线经过主反射镜反射到次镜后，使1064nm谱段光波在次镜表面透射，穿过次镜形成前光路；

入射光线经主反射镜反射后，其中可见光和长波红外波段的光线经次镜反射后，通过主反射镜中心孔入射到立方棱镜，立方棱镜有两块三角形棱镜拼接而成，安装在棱镜部件内侧，入射到立方棱镜的光经过分光后，其中长波红外光线向上反射，通过与棱镜部件相连接的红外镜头部件和棱镜部件后在长波红外探测器像面处成像，另外一路可见光透过立方棱镜后，经过可见光镜头部件，在可见光探测器像面处成像。

进一步地，所述前光路部件、主反射镜和后光路部件在同一水平线上。

更进一步地，所述外罩部件包括前遮光筒、后保护罩和下保护罩，所述后保护罩内部分为上腔室和下腔室，所述上腔室和下腔室中间通过多层铝薄膜和尼龙网进行隔离，所述下保护罩设置在主支撑部件下方。

更进一步地，所述外框与所述镜筒连接处设有调整垫。

更进一步地，所述立方棱镜有两块三角形棱镜拼接而成，可见光和长波红外波段的光线入射到立方棱镜的光经过分光后，其中长波红外光线向上反射，一路反射到红外后光路部件，另外一路可见光透过立方棱镜后，直射到可见后光路部件。

更进一步地，所述红外后光路部件包括红外镜头部件、红外探测器支架和长波红外探测器，所述红外镜头部件位于所述棱镜部件上方，所述红外探测器支架外套设在红外镜部件，所述长波红外探测器设置在红外探测器支架右端。

更进一步地，所述可见光镜头部件位于棱镜部件右端，所述可见光探测器设置在可见光镜头部件右端，可见光探测器与可见光镜头部件之间设有调整垫。

本发明的优点：本发明通过外罩部件对内部装置进行保护，实现对杂光的抑制以及整个相机光学系统的保护是抑制、消除大气散射光、太阳光等视场外杂散光，能够防止一次、二次杂光照射探测器，提高探测器信噪比，提高相机成像质量，将后保护罩分为两个腔室，保证两个部件的温度分布相互独立，互不干扰；前光路组件，实现整个镜头的激光测距接收单元，保证探测器件像面的位置度，精确控制像面位置位于焦深范围中心；前光路支撑杆主要实现对于前光路组件的固定支撑；高峰值功率激光器提供可定谱段的激光；近距离激光测距机通过计算得到精确距离；红外后光路部件实现红外成像；可见后光路部件对可见光光路进行校正，实现可见光成像，用来控制可见光探测器共面精度与位置精度，使探测器像面位于焦深范围中间位置，有利于提高镜头温度适应性；棱镜部件将可见光与红外进行分光处理，保证将可见光和长波红外波段的光线分别反射到长波红外探测器和可见光探测器；二次电源为整个系统体统稳定电源；相机控制器和电控热控部件保证整机稳定性、整机谐振频率、降低热控措施难度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的后光路部件的整体结构示意图；

图3是本发明的前光路部件的整体结构示意图；

图4是本发明的外罩部件的结构示意图；

图5是本发明的侧视图；

图6是图5的A-A的剖面图；

图7是图5的B-B的剖面图；

图8是本发明的光学整体设计示意图。

附图标记：

1为镜头组件、2为近距离高精度测距机、3为高峰值功率激光器、4为PSbox、5为主反射镜、11为主支撑部件、12为前光路部件、121为外框、122为次镜、123为镜筒、124为探测器部件、125为前支路支撑件、13为后光路部件、131为红外后光路部件、132为棱镜部件、133为可见后光路部件、134立方棱镜、135为红外镜头部件、136为红外探测器支架、137为长波红外探测器、138为可见光镜头部件、139为可见光探测器、14为外罩部件、141为前遮光筒、142为后保护罩、143为下保护罩。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参考图1、图3、图5、图6和图7，如图1、图3、图5、图6和图7所示，一种一体化导航敏感器，包括镜头组件1、近距离高精度测距机2、高峰值功率激光器3、PSbox4、电控组件；镜头组件1包括主支撑部件11、前光路部件12、后光路部件13和外罩部件14，主支撑部件11上方设置有外罩部件14，前光路部件12位于外罩部件14左端，前光路部件12包括外框121、次镜122、矫正镜、镜筒123、探测器部件124和前支路支撑件125，前光路组件12包括激光接收光路校正系统以及激光接收器，实现整个镜头的激光测距接收单元，外框121内部从左到后依次设有矫正镜、次镜122和镜筒123，探测器部件124设置在外框121外部左端，前支路支撑件125位于外框121右端，前光路支撑杆125主要实现对于前光路部件12的固定支撑，外框121与镜筒123连接处设有调整垫，入射光线经过主反射镜5反射到次镜122后，使1064nm谱段光波在次镜122表面透射，穿过次镜122形成前光路，探测器部件124通过外框121固定后，与镜筒123连接，至于前光路部件12像面位置，外框121与镜筒123连接处设有调整垫，用来保证探测器部件124像面的位置度，精确控制像面位置位于焦深范围中心，实现激光雷达接收系统的设计；外罩部件14右端竖向方向设有主反射镜5，后光路部件13位于主反射镜5右端，后光路部件13包括红外后光路部件131、棱镜部件132、可见后光路部件133，红外后光路部件131包括红外光路校正组和红外接收器，以及红外对红外光路进行校正，实现红外成像，棱镜部件132安装在主反射镜5前侧，棱镜部件132内设置有立方棱镜134，棱镜部件132将可见光与红外进行分光，红外后光路部件131位于棱镜部件132上方，可见后光路部件133位于棱镜部件132右端，可见后光路部件133包括可见光路校正组和可见光接收器，对可见光光路进行校正，实现可见光成像，前光路部件12、主反射镜5和后光路部件13在同一水平线上，近距离高精度测距机2、高峰值功率激光器3和PSbox4设置在主支撑部件11下方，近距离激光测距机12通过计算得到精确距离，高峰值功率激光器3提供可定谱段的激光，PSbox4提供成像质量，电控组件位于外罩部件14底部，电控组件包括相机控制器、二次电源、电控热控部件，电控组件方便与各部件的接插与走线，二次电源为整个系统体统稳定电源。

参考图2，如图2所示，红外后光路部件131包括红外镜头部件135、红外探测器支架136和长波红外探测器137，红外镜头部件135位于棱镜部件132上方，红外探测器支架136外套设在红外镜部件135，长波红外探测器137设置在红外探测器支架136右端。

参考图4，如图4所示，外罩部件14包括前遮光筒141、后保护罩142和下保护罩143，外罩部件14实现对杂光的抑制以及整个相机光学系统的保护，前遮光筒141主要起到消除杂光的作用，被观测目标发出的光波信号被光学系统俘获，经过光学元件之间或反射或折射的过程，最终到达光学系统的像面位置，完成成像过程，外罩部件14中设置光阑板是抑制、消除大气散射光、太阳光等视场外杂散光最有效的方法，能够防止一次、二次杂光照射探测器，提高探测器信噪比，提高相机成像质量，后保护罩142内部分为上腔室和下腔室，分别为红外后光路部件131和可见光镜头部件138提供保护，由于两部分的工作温度范围有差距很大，上腔室和下腔室中间通过多层铝薄膜和尼龙网进行隔离，保证两个部件的温度分布相互独立，互不干扰，下保护罩143设置在主支撑部件11下方，下保护罩143即为近距离激光测距机2、高峰值激光器3和PSbox4期间提供防护，又为底部电子学部件提供机械接口和热接口。

参考图8，如图8所示，入射光线经主反射镜5反射后，其中可见光和长波红外波段的光线经次镜122反射后，通过主反射镜5中心孔入射到立方棱镜134，立方棱镜134有两块三角形棱镜拼接而成，安装在棱镜部件132内侧，入射到立方棱镜134的光经过分光后，其中长波红外光线向上反射，通过与棱镜部件132相连接的红外镜头部件135和棱镜部件132后在长波红外探测器137像面处成像，另外一路可见光透过立方棱镜134后，经过可见光镜头部件138，在可见光探测器139像面处成像，可见光探测器139与可见光镜头部件138之间设有调整垫，用来控制可见光探测器139共面精度与位置精度，使可见光探测器139像面位于焦深范围中间位置，有利于提高镜头温度适应性。

本发明的主要技术指标，如表1所示。

表1 主要技术指标参数

多模式一体化导航敏感器结构设计的指标：

a)整机重量：≤5kg；

b)外形包络：≤350mm×200mm×250mm；

c)谐振频率：≥100Hz；

d)工作寿命：≥3年。

实施例2

与实施例1不同的是，在次镜122表面透射的谱段光波是1550nm。

本发明的工作原理：白天通过可见光和红外实现对目标的复合探测，得到目标的姿态与位置，跟踪目标；夜晚或环境条件不好的情况下通过红外成像，实现对目标的探测跟踪；等目标运动至近距离处，通过激光实现对距离的精准测量，实现见光高分辨率成像、长波红外制冷式成像与激光雷达探测功能的多模式一体化相机。

本发明通过外罩部件14对内部装置进行保护，实现对杂光的抑制以及整个相机光学系统的保护是抑制、消除大气散射光、太阳光等视场外杂散光，能够防止一次、二次杂光照射探测器，提高探测器信噪比，提高相机成像质量，将后保护罩142分为两个腔室，保证两个部件的温度分布相互独立，互不干扰；前光路组件125，实现整个镜头的激光测距接收单元，保证探测器件像面的位置度，精确控制像面位置位于焦深范围中心；前光路支撑杆125主要实现对于前光路组件12的固定支撑；高峰值功率激光器3提供可定谱段的激光；近距离激光测距机2通过计算得到精确距离；红外后光路部件131实现红外成像；可见后光路部件133对可见光光路进行校正，实现可见光成像，用来控制可见光探测器139共面精度与位置精度，使探测器像面位于焦深范围中间位置，有利于提高镜头温度适应性；棱镜部件132将可见光与红外进行分光处理，保证将可见光和长波红外波段的光线分别反射到长波红外探测器137和可见光探测器139；二次电源为整个系统体统稳定电源；相机控制器和电控热控部件保证整机稳定性、整机谐振频率、降低热控措施难度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种一体化导航敏感器，其特征在于，包括镜头组件（1）、近距离高精度测距机（2）、高峰值功率激光器（3）、PSbox（4）、电控组件；所述镜头组件（1）包括主支撑部件（11）、前光路部件（12）、后光路部件（13）和外罩部件（14），所述主支撑部件（11）上方设置有所述外罩部件（14），所述前光路部件（12）位于外罩部件（14）左端，前光路部件（12）包括外框（121）、次镜（122）、矫正镜、镜筒（123）、探测器部件（124）和前支路支撑件（125），所述外框（121）内部从左到后依次设有矫正镜、次镜（122）和镜筒（123），所述探测器部件（124）设置在外框（121）外部左端，所述前支路支撑件（125）位于外框（121）右端；外罩部件（14）右端竖向方向设有主反射镜（5），所述后光路部件（13）位于所述主反射镜（5）右端，后光路部件（13）包括红外后光路部件（131）、棱镜部件（132）、可见后光路部件（133），所述棱镜部件（132）安装在主反射镜（5）前侧，棱镜部件（132）内设置有立方棱镜（134），所述红外后光路部件（131）位于棱镜部件（132）上方，所述可见后光路部件（133）位于棱镜部件（132）右端，所述近距离高精度测距机（2）、高峰值功率激光器（3）和PSbox（4）设置在主支撑部件（11）下方，所述电控组件位于外罩部件（14）底部，电控组件包括相机控制器、二次电源、电控热控部件；

前光路组件（12）包括激光接收光路校正系统以及激光接收器，实现整个镜头的激光测距接收单元，前光路支撑杆（125）主要实现对于前光路部件（12）的固定支撑，入射光线经过主反射镜（5）反射到次镜（122）后，使1064nm谱段光波在次镜（122）表面透射，穿过次镜（122）形成前光路；

入射光线经主反射镜（5）反射后，其中可见光和长波红外波段的光线经次镜（122）反射后，通过主反射镜（5）中心孔入射到立方棱镜（134），立方棱镜（134）有两块三角形棱镜拼接而成，安装在棱镜部件（132）内侧，入射到立方棱镜（134）的光经过分光后，其中长波红外光线向上反射，通过与棱镜部件（132）相连接的红外镜头部件（135）和棱镜部件（132）后在长波红外探测器（137）像面处成像，另外一路可见光透过立方棱镜（134）后，经过可见光镜头部件（138），在可见光探测器（139）像面处成像。

2.根据权利要求1所述的一体化导航敏感器，其特征在于，所述前光路部件（12）、主反射镜（5）和后光路部件（13）在同一水平线上。

3.根据权利要求1所述的一体化导航敏感器，其特征在于，所述外罩部件（14）包括前遮光筒（141）、后保护罩（142）和下保护罩（143），所述后保护罩（142）内部分为上腔室和下腔室，所述上腔室和下腔室中间通过多层铝薄膜和尼龙网进行隔离，所述下保护罩（143）设置在主支撑部件（11）下方。

4.根据权利要求1所述的一体化导航敏感器，其特征在于，所述外框（121）与所述镜筒（123）连接处设有调整垫。

5.根据权利要求1所述的一体化导航敏感器，其特征在于，所述立方棱镜（134）有两块三角形棱镜拼接而成，可见光和长波红外波段的光线入射到立方棱镜（134）的光经过分光后，其中长波红外光线向上反射，一路反射到红外后光路部件（131），另外一路可见光透过立方棱镜（134）后，直射到可见后光路部件（133）。

6.根据权利要求1所述的一体化导航敏感器，其特征在于，所述红外后光路部件（131）包括红外镜头部件（135）、红外探测器支架（136）和长波红外探测器（137），所述红外镜头部件（135）位于所述棱镜部件（132）上方，所述红外探测器支架（136）外套设在红外镜部件（135），所述长波红外探测器（137）设置在红外探测器支架（136）右端。

7.根据权利要求1所述的一体化导航敏感器，其特征在于，所述可见后光路部件（133）包括可见光镜头部件（138）和可见光探测器（139），所述可见光镜头部件（138）位于棱镜部件（132）右端，所述可见光探测器（139）设置在可见光镜头部件（138）右端，可见光探测器（139）与可见光镜头部件（138）之间设有调整垫。