[发明专利]全景成像地球敏感器

说明书

技术领域

本发明涉及卫星姿态测量设备领域，尤其涉及一种全景成像地球敏感器。

背景技术

姿态控制系统是卫星中复杂度最高的子系统之一。它的主要任务是实现卫星在空间特定坐标系中的指向，一般由测量姿态矢量的敏感器、姿控计算机和执行部件构成。目前在卫星上广泛应用的姿态敏感器主要有：太阳敏感器、磁强计、陀螺、地球敏感器、星敏感器等。

地球敏感器是卫星定姿系统常用的敏感器之一，它的作用是确定地球中心在卫星坐标系中的矢量方向。定义卫星质心为坐标原点，沿轨道前进的切线方向为x轴，垂直轨道面的方向为y轴，垂直xy平面的为z轴，构成卫星坐标系。通常将卫星姿态角定义为卫星本体坐标系与轨道坐标系之间的夹角，卫星的姿态有三种情况：绕x轴旋转的姿态角，称之为滚动角；绕y轴旋转的姿态角，称俯仰角；绕z轴旋转的姿态角，称航偏角。

传统的地球敏感器一般利用红外敏感器绕固定转轴扫描的方式实现，这种地球敏感器包含有机械扫描装置、而且体积大、功耗高，使用寿命受限于机械扫描装置，难以实现小型化，对于微小卫星来说，显然功耗、体积方面是难以承受的。随着非制冷红外探测器的出现，现在已经研制了无需活动部件的静态红外焦平面成像的地球敏感器。焦平面地球敏感器相比较传统的机械扫描式地球敏感器的优势在于无需扫描部件，结构简单。但是，由于传统光学系统的限制，现在的红外焦平面地球敏感器的视场都很小。在近地轨道卫星上定姿时，需要采用多个敏感器组合的方式，才能获得地球的姿态角信息。采用多个敏感器会增加功耗、增加体积，无法满足地球敏感器小型化、低功耗的要求。

发明内容

本发明提供了一种全景成像地球敏感器，具有小型化、低功耗、大视场且无需活动部件的优势，适合于任何卫星上采用，尤其适合于微小卫星上。

一种全景成像地球敏感器包括：光学系统、图像传感器、数字信号处理电路，其中，所述的光学系统采用全景环视光学镜头(Panoramic Annular lens，PAL)。

所述的全景环视光学镜头，360°环形成像，用于捕获地球图像，并且投影到所述的图像传感器的像平面上成像。

所述的全景环视光学镜头，为一种多片式的全景环视光学成像透镜，采用前、后不同材料的透镜，多种不同的表面类型，通过胶合，密接或分离方式组成多片式全景环视成像透镜，透镜绕光轴旋转对称，前片透镜一面为向外突出的环形第一折射面，前片透镜后接后片透镜，前、后片透镜的连接面为组合面，后片透镜另一面为凹面环形第一反射面，在前片透镜环形第一折射面中心设有凹面第二反射面，环形第一反射面中心内环边缘与第二反射面边缘相接，在凹面环形第一反射面中心设有第二折射面，凹面环形第一反射面中心内环边缘与第二折射面边缘相接。其具体结构的记载详见公告号为CN 101038366的中国专利中所公开的多片式全景环视成像透镜。

所述的全景环视光学镜头采用“平面圆柱投影(FCP)”法，不同于传统光学的中心投影法，其原理如下：

假定环绕着观察者的空间几何结构是圆柱形的，这个圆柱的半径和瞭望距离相等，一个全景的像可以显示出这个虚拟的圆柱的柱壁。这样，把像的投影转换到一个与圆柱的轴垂直的平面上，就形成了一个3D的全景环形像。像中的点和实际的点是1∶1的对应关系。在平面圆柱投影法中，能够成像的部分是两条边绕光轴旋转360°后所形成的三维立体区域。这一区域被投影到二维像平面上的一个圆环内。正是由于360°环形成像，全景环形光学镜头视场边缘的张角可以达到±90°×360°，无需活动部件，在任何角度下，都能够捕捉到地球图像，并且投射到图像传感器的像平面上。

关于“平面圆柱投影(FCP)”法，更具体的描述可以参见专利号为US4,566,763和US 5,473474的美国专利中的记载。

所述的图像传感器，用于把接收到的由所述全景环视光学镜头捕获的地球成像转换为可处理的信号，并且输出到后端的数字信号处理电路中。所述的图像传感器，可以根据需求选择合适的图像传感器，如可见光图像传感器或红外图像传感器。所述的可见光图像传感器可以采用CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器，所述的红外图像传感器可以采用非制冷焦平面红外传感器。当采用CCD或红外焦平面探测器，因为其输出是模拟量，需要后端加上模数转换电路，使其变成数字信号，然后输送到后端数字信号处理电路中去。