[发明专利]一种用于CCD太阳敏感器的金字塔形光学头部装置

说明书

技术领域

本发明涉及通常作为卫星或其他空间飞行器的姿态控制系统中的太阳敏感器，具体是指线列CCD太阳敏感器的金字塔形光学头部装置。

背景技术

线列CCD太阳敏感器由于其探测器——CCD技术的应用已经相当成熟，光学结构采用狭缝成像，原理简单，具备了实现仪器体积小、重量轻等特点的技术基础。同时，由于线阵CCD为单阵列像元，信号处理简单，引入误差较小，能够达到高精度角度测量的要求，因此得到广泛应用。

目前线阵CCD太阳敏感器的光学头部装置按测量方法主要分为单狭缝式(包括光栅式和Z型狭缝式)和多狭缝式(包括双狭缝式和三狭缝式)。由于单狭缝式很难做到高精度与大视场的同时实现，因而较多采用多狭缝式，即在一个线列CCD探测器上垂直布置多条狭缝，实现单一探测器的多视场复用技术。为了实现高精度、大视场方位角的测量，也有人采用中间一条狭缝离CCD探测器的距离大于两边狭缝。但这些光学头部结构的共同缺点是：光线通过狭缝上方的滤光片会因为余弦效应出现明显的能量衰减，从而降低了CCD的动态响应范围，严重地限制了在大视场时实现高精度指标的能力。同时，由于CCD太阳敏感器主要为数字电路，在姿态控制系统故障模式下需要有一般精度的太阳姿态角度信号作为应急情况下的备份，目前通常采用将CCD信号进行数模转换变为模拟信号提供给姿控系统应急电路，这样就过分依赖CCD的工作情况，降低了仪器工作的可靠性。

发明内容

为了克服已有的线阵CCD太阳敏感器的局限性，适应姿控系统的应用需求，本发明的目的在于提供一种用于线阵CCD太阳敏感器的金字塔形光学头部装置，该装置可克服余弦效应而产生的能量衰减，及在姿态控制系统故障模式下，不过分依赖于CCD的工作情况，可作为一般精度下的太阳姿态角度信号检测，保证太阳敏感器的可靠性。

本发明的光学头部装置包括：一个四面为二二对称斜面中间为平顶的金字塔形结构、三片带滤光的光学狭缝和二片太阳电池。其中一片带滤光的光学狭缝置在金字塔形平顶的窗口上，另二片带滤光的光学狭缝分别置于金字塔形二对称斜面的窗口上，并使三条光学狭缝相互平行。二片太阳电池也分别置于金字塔形二对称斜面的窗口上，与带滤光的光学狭缝片依次排列。

所说的带滤光的光学狭缝片包括：基板，在基板的一面涂有所需滤光波段的膜层，另一面除狭缝外涂有铬膜层，铬膜层上均匀涂有掺黑漆的光刻胶层。涂掺黑漆光刻胶层的目的是因铬膜层反射率较高，太阳光可能会在CCD光敏面上的盖片玻璃和铬膜层之间形成多次反射，从而在CCD光敏面上形成反射光斑，造成杂光影响。

线列CCD探测器放在金字塔形平顶的正下方，并使金字塔形平顶窗口上的狭缝与线列CCD探测器相互中心垂直。

本发明中的二片带滤光的光学狭缝采用倾斜放置的目的是为了克服余弦效应而产生的能量衰减。其基于的原理是：

由于光学狭缝和滤光膜层分别位于基板的二面，太阳入射光线通过滤光膜层和基板上下两个折射平面折射后，从狭缝处出射的角度方向不变，当带滤光的光学狭缝相对于CCD的光敏面平行放置时，在太阳光线入射到狭缝所在的滤光膜层时，可按照太阳光线入射滤光膜层上表面时的能量余弦效应公式得到：

U(α)＝A·cos(α)，    (1)

其中：U(α)为CCD输出信号幅度；A为常数；α为太阳入射角度。

当带滤光的光学狭缝相对于CCD光敏面倾斜放置时，则：

U₂(α)＝A·cos(α-θ)，(2)

因此，在大视场测量时，两者能量的比较为式1与式2的比值