一种天光背景噪声抑制器、光学搜索望远镜及星敏感器

技术领域

本发明涉及恒星或人造目标搜索跟踪领域，特别是涉及一种天光背景噪声抑制器、光学搜索望远镜及星敏感器。

背景技术

光学搜索跟踪技术是一个应用很广泛的通用技术。可用于激光束的精确指向、飞行平台的位置和姿态保持以及大口径光电望远镜的高精度跟瞄等。恒星跟踪设备，通常被称为星敏感器，通过探测较大区域的星场分布从而获得飞行器(卫星等)的位置和姿态信息。

现有光学搜索跟踪装置受太阳和天光背景的影响，其探测时段、探测能力和测量精度受到严重制约，在白天日照环境下，由于太阳及大气反射带来的天光背景噪声，使暗弱目标探测能力大幅下降，这就需要有效的抑制天光背景噪声的方法，而现有抑制天光背景噪声的方法，主要包括视场控制法、光谱滤波法、偏振滤波法，其各自存在各自的缺点，对于视场控制法，其缺点是视场较小，且在强天光背景下抑制能力不佳；对于光谱滤波法，其缺点是当目标与天光背景的光谱相近时难以区分目标光和天光背景的光谱能量峰值；对于偏振滤波法，一般需要提前预估目标光和天光背景的偏振态的差异，而由于偏振态的差异随着目标轨道运动和姿态以及太阳高度角等的变化而改变，故具体实现较为复杂且对应用时段和场景也有一定要求。

因此，如何找到一种泛用性强，目标与背景对比强烈，探测星等高且实现简单的抑制天光背景噪声的方法，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种天光背景噪声抑制器、光学搜索望远镜及星敏感器，可用于现有的光学搜索望远镜及星敏感器中，以解决现有光学探测系统普遍存在的泛用性差，目标与背景对比度不高，探测星等低，实现复杂的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种天光背景噪声抑制器，包括固定组件及背景抑制光栅对；

所述固定组件用于固定所述背景抑制光栅对；

所述背景抑制光栅对包括两个衍射光栅，用于将外部入射的组合光横向剪切，所述横向剪切的剪切量大于天光背景的相干区域，且小于观测目标的相干区域。

可选地，在所述的天光背景噪声抑制器中，所述天光背景噪声抑制器包括多个同轴设置的背景抑制光栅对。

可选地，在所述的天光背景噪声抑制器中，所述衍射光栅为单个周期内占空比为1:1的光栅。

可选地，在所述的天光背景噪声抑制器中，所述衍射光栅的凸起处和凹陷处的相位差为π。

可选地，在所述的天光背景噪声抑制器中，所述衍射光栅为透射光栅。

可选地，在所述的天光背景噪声抑制器中，所述衍射光栅为相位光栅。

可选地，在所述的天光背景噪声抑制器中，所述衍射光栅为朗奇光栅。

一种光学搜索望远镜，所述光学搜索望远镜包括如上述任一种所述的天光背景噪声抑制器。

可选地，在所述的光学搜索望远镜中，所述光学搜索望远镜的入瞳不大于所述衍射光栅的通光孔径；

所述天光背景噪声抑制器套装于所述光学搜索望远镜的镜头的外侧。

一种星敏感器，所述星敏感器包括如上述任一种所述的光学搜索望远镜。

本发明所提供的天光背景噪声抑制器，包括固定组件及背景抑制光栅对；所述固定组件用于固定所述背景抑制光栅对；所述背景抑制光栅对包括两个衍射光栅，用于将外部入射的组合光横向剪切，所述横向剪切的剪切量大于天光背景的相干区域，且小于观测目标的相干区域。本发明通过限定所述组合光经过所述背景抑制光栅后的剪切量，使观测目标的光场相干叠加，而天光背景的光场无法发生干涉，只能光强非相干叠加，从而大大提高所述观测目标的光在组合光中的比重，即可抑制天光背景，提高对暗弱目标的探测能力，换句话说，也就提高了观测目标与天光背景的对比度，提高了目标探测星等，此外，本发明对时间段、设备进光量、光线偏振态及光谱本身均无要求，都能达到类似的效果提升，与现有技术相比，泛用性大大增加。本发明同时还提供了具有上述有益效果的将天光背景噪声抑制器应用于光学搜索望远镜及星敏感器的实例。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的天光背景噪声抑制器的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明提供的天光背景噪声抑制器的另一种具体实施方式的结构示意图；

图3为本发明提供的天光背景噪声抑制器的结构及工作原理图；

图4为本发明提供的天光背景噪声抑制器在包括多组背景抑制光栅对时的工作原理图；

图5为本发明提供的光学搜索望远镜的一种具体实施方式的结构示意图；

图6为本发明提供的光学搜索望远镜的另一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种天光背景噪声抑制器，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，包括固定组件10及背景抑制光栅对20；

所述固定组件10用于固定所述背景抑制光栅对20；

所述背景抑制光栅对20包括两个衍射光栅，用于将外部入射的组合光横向剪切，所述横向剪切的剪切量大于天光背景的相干区域，且小于观测目标的相干区域。

本发明提供的天光背景噪声抑制器的结构及原理示意图如图3所示，在图3中可以看出，目标1和天光背景2组成的组合光束3入射到一组背景抑制光栅对20上。背景抑制光栅对20由两个光栅组成，前一个光栅利用衍射效应将组合光3分成两束传播方向不同的光束，后一个光栅再次利用衍射效应将这两束传播方向不同的光束变为均与组合光3平行的两束平行光5和6。背景抑制光栅对20实现对组合光3的分波前和横向剪切，即形成横向偏移的两束平行光5和6，且这两束光在一定条件下可干涉叠加。干涉叠加的条件应这样选择，使目标光的光场振幅相干叠加，而天光背景无法干涉只能光强非相干叠加。根据部分相干光原理，目标1的尺寸远小于天光背景2，故目标1在远场的相干区域10远大于天光背景2的相干区域8。可合理调整背景抑制光栅对20中两个光栅的间隔，使得两束平行光5和6的剪切量7(横向偏移量)大于天光背景2的远场相干区域8，而小于目标1的远场相干区域10。当满足这样的条件时，目标光实现光场相干叠加，而天光背景无法干涉只能实现光强非相干相加。假设背景抑制光栅对20形成的两束平行光5和6中的天光背景光场振幅均相等为E

如图3所示背景抑制光栅对20由两个衍射光栅组成，组合光3入射背景抑制光栅对20的第一个衍射光栅后，将发生衍射效应，出现多个衍射级，本发明利用第一个衍射光栅的±1级衍射光。±1级衍射光均与光轴成一个小衍射角，且对称分布在光轴的两侧。当第一个衍射光栅的±1级衍射光入射到第二个衍射光栅时，这两束光的中心因传输方向不同而分离。第一个衍射光栅输出的±1级衍射光经过第二个衍射光栅后再次发生多级衍射，其中﹢1级衍射光经第二个衍射光栅后产生的﹣1级衍射光与﹣1级衍射光经第二个衍射光栅后产生的﹢1级衍射光相互平行。这两个相互平行的衍射光的中心存在横向偏离，称为横向剪切。剪切量的大小与光栅周期、波长和光栅对间隔有关，在光栅周期和波长选定后，剪切量随衍射光栅对间隔的增加而增大。在前面介绍技术方案时提到，天光背景的远场相干区域远小于目标，故当选择剪切量大于天光背景的相干区域而小于目标的相干区域时，则天光背景只能光强非相干相加而目标光可先光场振幅相干叠加再取模值的平方，这时理论上目标光与天光背景的光强比将提高到之前的2倍。所以只采用一组光栅对装置即可实现抑制天光背景提高对暗弱目标的探测能力。

所述背景抑制光栅中的衍射光栅的选择，理论上可选择能保证组成的光栅对不引入两束剪切光束光程差的任何光栅，而作为一种优选实施方式，所述衍射光栅为单个周期内占空比为1:1，凸起处和凹陷处的相位差为π的光栅，这使得±1级衍射光(经过一次所述衍射光栅衍射分成的两个不同方向的光线)能量之和在所有衍射光中所占比重约为80％，衍射效率很高。

更进一步地，所述衍射光栅为透射光栅，这能较为容易保证从光栅对输出的两束剪切光束等光程差。

再进一步地，所述衍射光栅为相位光栅，相位光栅对光束能量几乎无吸收，可保证较高的能量利用率。

而满足上述条件，又具有较低成本的，选择朗奇光栅作为所述衍射光栅。

本发明所提供的天光背景噪声抑制器，包括固定组件10及背景抑制光栅对20；所述固定组件10用于固定所述背景抑制光栅对20；所述背景抑制光栅对20包括两个衍射光栅，用于将外部入射的组合光横向剪切，所述横向剪切的剪切量大于天光背景的相干区域，且小于观测目标的相干区域。本发明通过限定所述组合光经过所述背景抑制光栅后的剪切量，使观测目标的光场相干叠加，而天光背景的光场无法发生干涉，只能光强非相干叠加，从而大大提高所述观测目标的光在组合光中的比重，即可抑制天光背景，提高对暗弱目标的探测能力，换句话说，也就提高了观测目标与天光背景的对比度，提高了目标探测星等，此外，本发明对时间段、设备进光量、光线偏振态及光谱本身均无要求，都能达到类似的效果提升，与现有技术中相比，泛用性大大增加。

在具体实施方式一的基础上，进一步设置多个所述背景抑制光栅对20，得到具体实施方式二，其结构示意图如图2所示，包括固定组件10及背景抑制光栅对20；

所述固定组件10用于固定所述背景抑制光栅对20；

所述背景抑制光栅对20包括两个衍射光栅，用于将外部入射的组合光横向剪切，所述横向剪切的剪切量大于天光背景的相干区域，且小于观测目标的相干区域；

所述天光背景噪声抑制器包括多个同轴设置的背景抑制光栅对20。

如果将多组光栅对前后级联在一起，则组合光每经过一组光栅对时，理论上目标光与天光背景的光强比将提高到前一组的2倍。经过N组光栅对后，理论上目标光与天光背景的光强比将提高到最初组合光的2

组合光穿过所述背景抑制光栅对20的示意图如图4所示，图中组合光3入射到第一组背景抑制光栅对21，经背景抑制光栅对21的分波面和剪切操作后入射到背景抑制光栅对22，再经背景抑制光栅对22的分波面和剪切操作后入射下一组背景抑制光栅对，直到入射到最后一组背景抑制光栅对2N，经过光栅对2N后的输出光5中的天光背景已受到多次的衰减，在输出光中的比重大大降低。当天光背景所占比重低于目标光时，就可以探测到暗弱目标。

本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的光学搜索望远镜，所述光学搜索望远镜包括如上述任一种所述的天光背景噪声抑制器。本发明所提供的天光背景噪声抑制器，包括固定组件10及增强光栅对20；所述固定组件10用于固定所述增强光栅对20；所述增强光栅对20包括两个衍射光栅，用于将外部入射的组合光横向剪切，所述横向剪切的剪切量大于天光背景的相干区域，且小于观测目标的相干区域。本发明通过限定所述组合光经过所述增强光栅后的剪切量，使观测目标的光场相干叠加，而天光背景的光场无法发生干涉，只能光强非相干叠加，从而大大提高所述观测目标的光在组合光中的比重，即可抑制天光背景，提高对暗弱目标的探测能力，换句话说，也就提高了观测目标与天光背景的对比度，提高了精度，此外，本发明对时间段、设备进光量、光线偏振态及光谱本身均无要求，都能达到类似的效果提升，与现有技术中相比，泛用性大大增加。

作为一种优选实施方式，在所述的光学搜索望远镜中，所述光学搜索望远镜的入瞳不大于所述衍射光栅的通光孔径，其结构示意图如图5所示；

所述天光背景噪声抑制器套装于所述光学搜索望远镜的镜头的外侧。

将所述天光背景噪声抑制器套装于所述光学搜索望远镜的镜头外侧，可在不对现有的光学搜索望远镜的光学结构进行改动的情况下，实现对天光背景噪声的抑制，大大降低了改装成本，提高了生产效率。可以实现大型望远镜的全天时暗弱小目标的发现与跟踪，激光束的全天时精确指向、飞行器的全天时姿态控制等。

当然，本申请提供的天光背景噪声抑制器也可设置于所述光学搜索望远镜内部，其结构示意图如图6所示，在中间瞳面位置附近的光束近似为平行光且一般为缩束光，可使本发明达到较好的抑制天光背景的效果，并且只需采用通光孔径较小的光栅对以降低成本。图5及图6中的16为缩束望远镜，18为成像镜头，19为探测器，17为本发明提供的天光背景噪声抑制器。

本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的星敏感器，所述星敏感器包括如上述任一种所述的光学搜索望远镜。本发明所提供的天光背景噪声抑制器，包括固定组件10及增强光栅对20；所述固定组件10用于固定所述增强光栅对20；所述增强光栅对20包括两个衍射光栅，用于将外部入射的组合光横向剪切，所述横向剪切的剪切量大于天光背景的相干区域，且小于观测目标的相干区域。本发明通过限定所述组合光经过所述增强光栅后的剪切量，使观测目标的光场相干叠加，而天光背景的光场无法发生干涉，只能光强非相干叠加，从而大大提高所述观测目标的光在组合光中的比重，即可抑制天光背景，提高对暗弱目标的探测能力，换句话说，也就提高了观测目标与天光背景的对比度，提高了精度，此外，本发明对时间段、设备进光量、光线偏振态及光谱本身均无要求，都能达到类似的效果提升，与现有技术中相比，泛用性大大增加。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的天光背景噪声抑制器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。