專利名稱：：一種白天星體探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于光學(xué)探測儀器設(shè)計領(lǐng)域，涉及一種白天星體探測裝置。
背景技術(shù)：
：通常來說，人們對星體的探測是在晚上進行的，然而有一些星體是在白天出現(xiàn)的，這種在白天出現(xiàn)的星體應(yīng)用尋常的探測方法是很難對之進行探測的。因此對它們的探測就具有了更大的難度。白天和晚上對星體探測的主要區(qū)別在于背景光亮度不同。在白天，目標本身的信號很弱，而天空背景所產(chǎn)生的信號則較強，加上大氣的散射吸收湍流等影響使得目標的對比度很差，難以識別。白天星體探測的主要難點在于強背景造成的低對比度及低信噪比。因此為了提高白天探測星體的性能，怎樣對背景光的干擾進行抑制、怎樣來提高系統(tǒng)的信噪比以達到探測目的成為了重點。對于白天無云天空背景下星體的探測，一般采取兩種方法光譜濾波的方法和偏振的方法。前一種是一個比較傳統(tǒng)的方法；后一種是在白天星體探測領(lǐng)域的一個新的嘗試。中科院光電技術(shù)研究所的朱耆祥老師，早在上世紀八十年代末期就提出了用光譜濾波法在白天對星體進行探測(參見朱耆祥等，利用光譜濾波技術(shù)提高CCD對天空微弱目際的探測能力.飛行器測控技術(shù)，1989,(1)17-24)，其他學(xué)校和研究所也相繼的進行了這方面的研究，均是應(yīng)用光譜濾波法，例如中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械物理所(參見徐維安.光譜濾波裝置在白天測星中的應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程，1996，4(4):84—88)和中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所(參見萬敏，蘇毅，楊銳，等.提高白天觀測星體信噪比的方法研究[J].強激光與粒子束，2003，15(12):1151.1154.)等。.在白天測星中，光譜濾波是一個公認的行之有效的方法。它可以通過目標星體和天空背景光的波段范圍以及峰值的不同來提高白天探星的能力。光譜濾波法采用濾光片使光學(xué)系統(tǒng)透過給定波段的輻射。利用濾光片消除不需要的輻射光譜成份，由此提高探測器對所需目標與背景輻射通量之比。然而光譜濾波法本身也有其固有的缺陷，對一些光譜特性和背景差不多的目標星體的探測來說，難以應(yīng)用此方法來提高信噪比。例如，新星的光譜和天空的背景光譜相差不多，因此應(yīng)用光譜濾波的方法很難對其進行分辨。應(yīng)用偏振法對白天星體進行探測，安徽光學(xué)精密機械研究所與我們所幾乎同時在進行著研究工作(參見葉松，方勇華，孫曉兵，洪津.一種基于偏振信息的恒星白天觀測方法[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報，2007,5,2(3):222-226)，他們著重于大氣遙偏振方面，積累了很多的資料。應(yīng)用的是一個三通道偏振探測系統(tǒng)(偏振方向分別為0"、60°、120°)進行探測。偏振方法可以在很大程度上彌補光譜濾波法的缺陷，它可以利用目標星體和天空背景光偏振態(tài)的不同來提高信噪比并對星體進行測量。天空背景在散射面與太陽入射光夾角為90度的位置上，偏振度最大，而在Babinet、Brewster、Arago中性點是零偏振點，當觀測方向在偏離太陽而達到90度之前，在可見光和紅外光譜區(qū)，觀測到的偏振度是逐漸增大的，在此之后，偏振度開始減小。目標是自然星體，其偏振度理論上為零，雖然在傳播過程中受到了影響，偏振態(tài)發(fā)生了改變，其偏振度的實際值也并不大。'然而對于天空背景偏振度很小的區(qū)域，例如Babinet、Brewster、Arago中性點以及太陽附近的區(qū)域，目標星體和天空背景的偏振度并沒有太大的差別，因此在此區(qū)域很難提高信噪比達到探測的目的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的基于光譜濾波法和偏振法的不足，提供一種白天星體探測裝置，該裝置同時釆用光譜濾波法和偏振法對白天無云天空背景下的目標星體進行探測，提高了白天星體的探測性能。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種白天星體探測裝置，包括遮光罩、保護玻璃、平板玻璃、反射鏡、兩片式補償鏡組、主鏡、濾光片及其調(diào)整機構(gòu)、偏振片及其調(diào)整機構(gòu)、CCD相機；其中，遮光罩安裝在系統(tǒng)最前方，對白天天空背景的雜散光進行抑制；遮光罩與其后面的對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)均安裝在同一鏡筒內(nèi)；對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)由保護玻璃、平板玻璃、反射鏡、兩片式補償鏡組、主鏡組成；鏡筒安接在機箱上，'在對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)的后面依次為濾光片轉(zhuǎn)盤及其調(diào)整機構(gòu)、偏振片及其調(diào)整機構(gòu)(8)、配有散熱通道的接收器件CCD相機。入射光線首先經(jīng)遮光罩對雜散光進行抑制，然后順次通過保護玻璃、平板玻璃、在主鏡的第一面透射，第二面反射，反射回的光線經(jīng)固定在平板玻璃上的反射鏡再次反射，通過兩片式補償鏡組從對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)射出，再經(jīng)過濾光片和偏振片，最終到達CCD相機的像面進行成像。所述的對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)的視場為0.8°、入瞳直徑200mm、焦距800mra、F數(shù)4、波段4501000nm、中心波長為700nm、玻璃材料均采用N-BK7。所述的濾光片及其調(diào)整機構(gòu)中的濾光片由8檔濾光片組成，分為4塊無色濾光片和4塊彩色濾光片，4塊無色濾光片的波段均為4001000nm，透過率分別為98.5%、50%、25%、5%;4塊彩色濾光片波段均為6001000nm，透過率分別為98.5%、50%、25%、5%。濾光片調(diào)整機構(gòu)在步進電機驅(qū)動下，帶動不同濾光片之間進行切換。所述的偏振片及其調(diào)整機構(gòu)中的偏振片調(diào)整機構(gòu)在步進電機驅(qū)動下，對線偏振片在o°180°的角度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，角度控制分辨力為o.r。所選CCD相機的波段為4001080nm，CCD相機安裝在導(dǎo)軌上，在步迸電機控制下，移動CCD相機(9)進行調(diào)焦；所述的CCD相機本身帶有風扇，通過散熱通道將熱量導(dǎo)向機箱外部。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明創(chuàng)新性的同時采用光譜濾波法和偏振法來對白天天空背景下的星體進行探測；大幅度提高了白天無云天空背景下星體與背景的對比度SNR，提高了白天星體的探測性能。(2)本發(fā)明應(yīng)用遮光罩，可以有效的抑制白天天空背景的雜散光。(3)本發(fā)明所設(shè)計的對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)，像質(zhì)高，MTF幾乎達到衍射極限，且不引入額外的偏振誤差，有利于對白天無云天空下的星體進行偏振探測，玻璃材料均為N-BK7，性價比高。(4)根據(jù)目標(白天天空背景下的星體)的光譜特性，選擇了光學(xué)系統(tǒng)和CCD相機的響應(yīng)波段。更有利于對白天無云天空下的星體進行光譜探測；(5)本發(fā)明的濾光片由8檔濾光片組成，可以在四個波段范圍內(nèi)靈活的選擇應(yīng)用光譜濾波法或不應(yīng)用光譜濾波法對目標進行探測。(6)在步進電機的驅(qū)動下，本發(fā)明的偏振片調(diào)整機構(gòu)可以對線偏振片在O。180°的角度范圍內(nèi)進行快速和準確的旋轉(zhuǎn)，可以應(yīng)用偏振法對目標進行探測。圖1為本發(fā)明的白天星體探測裝置的光機結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的白天星體探測裝置的光機結(jié)構(gòu)中的保護玻璃、平板玻璃和反射鏡等的局部放大圖3為本發(fā)明的白天星體探測裝置的光機結(jié)構(gòu)中的兩片式補償鏡組、主鏡、濾光片轉(zhuǎn)盤及其調(diào)整機構(gòu)和偏振片及其調(diào)整機構(gòu)等的局部放大圖；圖4為本發(fā)明的白天星體探測裝置的光學(xué)系統(tǒng)；圖5為白天星體探測裝置光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線；圖6為白天星體探測裝置光學(xué)系統(tǒng)的點列圖；圖7目標及背景輻照度分布曲線；圖8為本發(fā)明的濾光片調(diào)整機構(gòu)示意圖；圖9天空中太陽主平面內(nèi)偏振分布圖；圖10為本發(fā)明的偏振片調(diào)整機構(gòu)示意圖。具體實施例方式如圖l、2、3所示，本發(fā)明由遮光罩l、保護玻璃2、平板玻璃3、反射鏡4、兩片式補償鏡組5、主鏡6、濾光片轉(zhuǎn)盤及其調(diào)整機構(gòu)7、偏振片及其調(diào)整機構(gòu)8、CCD相機9、散熱通道IO、機箱11組成。其中，保護玻璃2、平板玻璃3、反射鏡4、兩片式補償鏡組5、主鏡6組成了一個對稱性折返式的光學(xué)系統(tǒng)。遮光罩1和對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)安裝在同一鏡筒內(nèi)，鏡筒安接在機箱ll上，機箱ll內(nèi)裝有濾光片及其調(diào)整機構(gòu)7、偏振片及其調(diào)整機構(gòu)8、CCD相機9、散熱通道IO。遮光罩1安裝在系統(tǒng)最前方，在白天測星時，由于背景是天空，其雜散光非常強烈，會降低系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，使整個畫面的層次減少、清晰度變壞、嚴重時會形成雜光斑點。因此，應(yīng)用遮光罩l對雜散光進行抑制顯得尤為重要。遮光罩1后面是一個對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)，主要由保護玻璃2、平板玻璃3、反射鏡4、兩片式補償鏡組5、主鏡6組成。主鏡6的第一面為透射面，第二面是反射面。反射鏡4貼在平板玻璃3上面，這樣可以通過平板玻璃3達到固定的效果，避免了類似法蘭等擋光的機械結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。由兩片鏡頭組成的補償鏡組5，可以在裝調(diào)進行調(diào)整，以保證裝調(diào)效果。光學(xué)系統(tǒng)留有足夠長的后截距，所以在光學(xué)系統(tǒng)和CCD相機9之間可以安裝濾光片及調(diào)整機構(gòu)7和偏振片及調(diào)整機構(gòu)8。濾光片調(diào)整機構(gòu)和偏振片調(diào)整機構(gòu)可以在電機的帶動下進行旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)可以通過移動CCD相機9進行調(diào)焦，采用步進電機開環(huán)控制?？紤]到CCD相機9工作中要求制冷，而本發(fā)明中選用的CCD相機9本身帶有風扇，所以設(shè)計了一個散熱通道IO，將相機產(chǎn)生的熱量導(dǎo)向機箱外部，避免熱量在機箱內(nèi)聚集對成像質(zhì)量產(chǎn)生干擾。圖4為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在設(shè)計和加工過程中，必須要保證鏡頭和整個光學(xué)系統(tǒng)的無偏特性。為此，采用了一個對稱性的折返式光學(xué)系統(tǒng)。入射光線進入對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)，順次通過保護玻璃2、平板玻璃3，在主鏡6的第一面透射、第二面反射，反射光線經(jīng)反射鏡4再次反射，通過兩片式補償鏡組5從對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)射出，出射光線再經(jīng)過濾波片及調(diào)整機構(gòu)7和偏振片及調(diào)整機構(gòu)8來調(diào)整目標和背景光的能量，最終到達CCD相機9的像面成像。光學(xué)系統(tǒng)的波段是4501000nm,CCD相機的響應(yīng)波段是4001080nm。這些是根據(jù)目標的光譜特性來選擇的。光學(xué)系統(tǒng)的中心波長為700nm，接近白天天空背景下星體的光譜峰值。光學(xué)系統(tǒng)的入瞳直徑200ram、焦距800mm、F數(shù)4。玻璃材料均采用N-BK7，N-BK7擁有良好的化學(xué)和機械性能，而且價格便宜。如表l所示<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>圖5、圖6為光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)分析。它分別是光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)圖和點列圖。從圖5可以看到在60線對/毫米時，系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF大于0.55,非常接近衍射極限，它可以保證一個好的成像質(zhì)量；從圖6可以看出均方根半徑RMS在所有視場內(nèi)均小于3.236mm,點列圖非常圓，表明慧差和像散均非常小。從圖5、圖6可以看出，光學(xué)系統(tǒng)完全可以滿足探測需求。圖7是在白天某一時刻背景與目標的相對輻照度值隨著波長的變化曲線。虛線f(X〉表示的是背景的相對輻照度值隨波長A在0.1yra到l.lum范圍內(nèi)的變化曲線；實線g(入)表示的是目標的相對輻照度值隨波長A的變化曲線。從圖7可以看出，對于此時的白天無云天空來說，背景光主要是短波，它的峰值出現(xiàn)在在波長A為0.5um左右，而且它的連續(xù)光譜曲線在從峰值到較長波段下降速度較快，在波長0.9ixm以外，光譜能量己經(jīng)很低。然而目標的相對能量卻不同，它的波長更長一些，而且其峰值出現(xiàn)在波長為0.8um位置附近。這樣，在白天對星體進行的探測中，如果采用濾光片，讓光在0.6wm或0.7um的波長處處截至，則可以顯著提高信噪比并達到探測的目的。圖8為濾光片及調(diào)整機構(gòu)7，12為濾光片、13為齒輪、14是步進電機。濾光片調(diào)光，采用步進電機14驅(qū)動齒輪13，從而帶動不同濾光片之間進行切換。濾光片上有零位信號和到位信號，這兩個信號都是由光電對管提供。濾光片調(diào)光分為8檔，濾光片透過率和波段見下表2:表2'濾光片的波段和透過率<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>如表2所示，探測系統(tǒng)應(yīng)用兩種濾光片，無色濾光片和彩色濾光片。這兩種濾光片均有四個透過率以供選擇，分別為98.5%、50%、25%、5%，在進行探測時，濾光片透過濾的選擇基于以下兩個原則(l)要有足夠的光強；(2)防止CCD飽和。無色濾光片(波段0.41.0iim)允許在可見光范圍內(nèi)進行探測；彩色濾光片(波段0.61.0um)允許應(yīng)用光譜濾波對白天天空背景下目標星體進行探測。圖9顯示的是白天天空背景下偏振態(tài)的分布。其中，D點為天頂點，F(xiàn)為太陽，A表示的是太陽的反方向，C點為偏振值最大點，G點、E點、B點是三個中性點，其中G點為brewsterk中性點，B點為babanet中性點，B點是arago中性點。如圖7所示，在太陽的地平經(jīng)圈內(nèi)，在散射面與太陽(F)入射光夾角為90°的位置上(C)，觀測到的偏振度值最大，而在Babinet(E)、Brewster(G)、Arago(A)中性點是零偏振點，當觀測方向在偏離太陽(F)而達到90°(C)之前，在可見光和紅外光譜區(qū)，觀測到的偏振度是逐漸增大的，在此之后，偏振度開始減小。而目標星體的偏振態(tài)在理論上為零，經(jīng)過大氣層的散射，其偏振度依舊很小。圖10為偏振片調(diào)整機構(gòu)8。15為偏振片(采用線編振片)、16是主動輪、17為電機、18是從動輪，電機17通過驅(qū)動主動輪齒16，帶動從動輪18，從而實現(xiàn)偏振片15的旋轉(zhuǎn)。偏振片旋轉(zhuǎn)角度控制范圍為0°180°，角度控制分辨力為O.1°。應(yīng)用偏振片調(diào)整機構(gòu)旋轉(zhuǎn)偏振片15，不僅可以根據(jù)目標星體和背景偏振態(tài)的不同，還可以測量出背景的斯托克斯參量S(I,Q,U,V)，進而知道背景光的偏振信息旋轉(zhuǎn)偏振片15的角度分別為0"、450和90°,三次測量的光強值分別為I,、I"則2、；(1)因為白天天空背景下，V值非常小，可以近似為0，所以有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>權(quán)利要求1、一種白天星體探測裝置，其特征在于包括遮光罩(1)、保護玻璃(2)、平板玻璃(3)、反射鏡(4)、兩片式補償鏡組(5)、主鏡(6)、濾光片及其調(diào)整機構(gòu)(7)、偏振片及其調(diào)整機構(gòu)(8)、CCD相機(9)、散熱通道(10)、機箱(11)，其中，遮光罩(1)安裝在系統(tǒng)最前方，對白天天空背景的雜散光進行抑制；遮光罩(1)與其后面的對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)均安裝在同一鏡筒內(nèi)；對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)由保護玻璃(2)、平板玻璃(3)、反射鏡(4)、兩片式補償鏡組(5)、主鏡(6)組成；鏡筒安接在機箱(11)上，在對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)的后面依次為濾光片轉(zhuǎn)盤及其調(diào)整機構(gòu)(7)、偏振片及其調(diào)整機構(gòu)(8)、配有散熱通道(10)的接收器件CCD相機(9)；入射光線首先經(jīng)遮光罩(1)對雜散光進行抑制，然后順次通過保護玻璃(2)、平板玻璃(3)、在主鏡(6)的第一面透射，第二面反射，反射回的光線經(jīng)固定在平板玻璃(3)上的反射鏡(4)再次反射，通過兩片式補償鏡組(5)從對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)射出，再經(jīng)過濾光片和偏振片，最終到達CCD相機(9)的像面進行成像。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的白天星體探測裝置，其特征在于所述的對稱性折返式光學(xué)系統(tǒng)的視場為0.8。、入瞳直徑200鵬、焦距800咖、F數(shù)4、波段4501000ran、中心波長為700nm、玻璃材料均采用N-BK7。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的白天星體探測裝置，其特征在于所述的濾光片及其調(diào)整機構(gòu)(7)中的濾光片由檔濾光片組成，分為4塊無色濾光片和4塊彩色濾光片，4塊無色濾光片的波段均為4001000nm，透過率分別為98.5%、50%、25%、5%;4塊彩色濾光片波段均為6001000nm，透過率分別為98.5%、50%、25%、5%。濾光片調(diào)整機構(gòu)在步進電機驅(qū)動下，帶動不同濾光片之間進行切換。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的白天星體探測裝置，其特征在于所述的偏振片及其調(diào)整機構(gòu)(8)中的偏振片調(diào)整機構(gòu)在步進電機驅(qū)動下，對線偏振片在0。180°的角度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，角度控制分辨力為o.r。5、根據(jù)權(quán)利要求l所述的白天星體探測裝置，其特征在于所選CCD相機(9)的波段為4001080nm,CCD相機(9)安裝在導(dǎo)軌上，在步進電機控制下，移動CCD相機(9)進行調(diào)焦。6、根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的白天星體探測裝置，其特征在于所述的CCD相機(9)本身帶有風扇，通過散熱通道(10)將熱量導(dǎo)向機箱外部。全文摘要一種白天星體探測裝置，其特征為它主要由遮光罩、對稱性折返式的光學(xué)系統(tǒng)、八檔位的濾光片轉(zhuǎn)盤、線偏振片轉(zhuǎn)盤、CCD相機和相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)組成。它創(chuàng)新性的同時采用光譜濾波法和偏振法對白天無云天空背景下的目標星體進行探測，提高了白天星體的探測性能。文檔編號G02B7/00GK101685162SQ200910088900公開日2010年3月31日申請日期2009年7月21日優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日發(fā)明者朱耆祥,鋒程,藍公仆,馬文禮,高曉東申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所