本發(fā)明涉及深空探測，特別涉及一種面向深空宇宙塵埃在位探測的光學(xué)傳感器。

背景技術(shù)：

1、宇宙塵埃是宇宙中漂浮的微小物質(zhì)，為有形的實體顆粒，直徑大小在亞微米至毫米范圍。宇宙塵埃包含了宇宙演化和天體演變的豐富信息，通過研究宇宙塵埃的物理化學(xué)特性，包括空間分布、粒徑分布、成分構(gòu)成等，是探索宇宙演變的一個重要途徑。同時，宇宙塵埃的存在也給人類的深空探測活動帶來很多的挑戰(zhàn)和威脅。比如宇宙塵埃堆積在宇航器的太陽能電池板上，會造成電池板接收太陽光能力減弱，給飛行器的能源供應(yīng)造成不利影響。因此，研究宇宙空間微小塵埃特性具有重要的科學(xué)意義和工程意義，使其成為當(dāng)前深空探測領(lǐng)域內(nèi)被廣泛關(guān)注的重點內(nèi)容之一。

2、基于光散射理論的塵埃顆粒檢測技術(shù)是檢測塵埃顆粒粒徑及濃度的一種有效技術(shù)，其工作原理為：當(dāng)塵埃顆粒穿過探測光幕時，塵埃顆粒在光幕照射下發(fā)生光散射現(xiàn)象，通過在一定角度下采集并測量散射光信號，即可反演出與散射光信號相關(guān)的塵埃特性。當(dāng)前，大多數(shù)應(yīng)用于大氣塵埃探測的塵埃顆粒檢測技術(shù)方案為：基于氣泵抽氣的方式，使用采樣氣流帶動待測顆粒進(jìn)入探測區(qū)域，待測顆粒與探測光發(fā)生散射，散射光通過透鏡或球面反射鏡進(jìn)行收集并匯聚于位于探測區(qū)域共軛像點處的光電探測器，通過光電轉(zhuǎn)換得到一個正比于散射光強(qiáng)大小的脈沖電信號。脈沖信號的幅度與顆粒的尺寸成正相關(guān)，同時脈沖的數(shù)量對應(yīng)于顆粒的個數(shù)，基于單位體積采樣氣體內(nèi)探測到的顆粒個數(shù)，即可給出顆粒的濃度(公開號：cn219870874u、名稱：一種高信噪比的塵埃粒子計數(shù)器；公開號：cn?1570604a、名稱：激光塵埃粒子計數(shù)器的微型光學(xué)傳感器)；這種技術(shù)方案具有依賴于氣體環(huán)境、探測區(qū)域過小、采樣激光束強(qiáng)度分布不均等缺點，不能應(yīng)用于深空宇宙塵埃探測。歐洲航天局于2004年發(fā)射的“羅塞塔”號飛船搭載了一臺基于激光散射原理的“微粒碰撞分析與塵埃收集器系統(tǒng)”，可以實現(xiàn)塵埃顆粒粒徑大小、沖量、速率及質(zhì)量通量的探測，該裝置采用4個激光器形成面積100mm×100mm的探測光幕，搭配錯位擺放的6個溫斯頓錐覆蓋整個光幕探測區(qū)域，后接光電二極管來實現(xiàn)限定立體角度內(nèi)散射光的采集和光通量測量(adv.spaceres.29卷，1165-1169頁，2002年)；但是該設(shè)計采用多個激光器拼接產(chǎn)生激光探測光幕，不僅導(dǎo)致激光探測光幕的強(qiáng)度空間分布均勻性很差，嚴(yán)重影響塵埃顆粒參數(shù)測量的精確性，而且測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量和功耗難以控制；此外，該設(shè)計中的探測光幕寬度過大，導(dǎo)致用于散射光采集的溫斯頓錐半錐角過小，降低了散射光的采集效率，嚴(yán)重影響塵埃顆粒粒徑測量的下限。經(jīng)地面驗證試驗的測量下限為60微米，實際在繞飛彗星67p探測過程中，探測到的顆粒事件的粒徑都在80微米以上(astronomy&astrophysics,卷583，文章編號a13，2015年)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種面向深空宇宙塵埃在位探測的光學(xué)傳感器，具有非接觸、不破壞顆粒動力學(xué)特性、探測面積大、不附加外在偏壓、探測精度高等優(yōu)點，能夠有效提高激光探測光幕的強(qiáng)度在空間分布上的均勻性，拓展塵埃顆粒粒徑測量的下限，實現(xiàn)深空環(huán)境中低數(shù)量濃度宇宙塵埃的在位精確測量。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

3、一種面向深空宇宙塵埃在位探測的光學(xué)傳感器，包括系統(tǒng)殼體10，系統(tǒng)殼體10底部固定有半導(dǎo)體激光器1，半導(dǎo)體激光器1的出光口上方設(shè)置有鮑威爾棱鏡2，鮑威爾棱鏡2的上方設(shè)置有光闌3，光闌3安裝在系統(tǒng)殼體10側(cè)邊，光闌3的上方設(shè)置有全反射鏡4，全反射鏡4安裝在系統(tǒng)殼體10內(nèi)部穹頂，全反射鏡4的反射光光路上設(shè)置有球面柱透鏡5，球面柱透鏡5固定在系統(tǒng)殼體10內(nèi)部穹頂，球面柱透鏡5的光軸與全反射鏡4的中心線共線，球面柱透鏡5、全反射鏡4、光闌3、鮑威爾棱鏡2與半導(dǎo)體激光器1組成激光整形與準(zhǔn)直模塊；

4、從球面柱透鏡5出射的探測光幕左右兩側(cè)錯位安裝了由多個溫斯頓錐組成的溫斯頓錐陣列6，溫斯頓錐陣列6覆蓋平行四邊形abcd區(qū)域即為探測敏感區(qū)域，溫斯頓錐的入口方向與激光主光軸成90°；溫斯頓錐陣列6固定在系統(tǒng)殼體10內(nèi)部；在每個溫斯頓錐前部連接帶通濾波片8，在每個溫斯頓錐尾部連接光電二極管及信號處理終端7，光電二極管及信號處理終端7包括配套電路；溫斯頓錐陣列6、光電二極管及信號處理終端7、帶通濾波片8形成散射光采集與光電轉(zhuǎn)換模塊；

5、從球面柱透鏡5出射的探測光幕前方設(shè)有激光陷阱9，激光陷阱9固定在系統(tǒng)殼體10內(nèi)部，與全反射鏡4、球面柱透鏡5共線。

6、所述半導(dǎo)體激光器1輸出的激光束為經(jīng)預(yù)準(zhǔn)直的橢圓高斯光束，中心波長位于980nm附近，正負(fù)變化不超過20nm,半導(dǎo)體激光器調(diào)制頻率可調(diào)，最大調(diào)制頻率大于50khz。

7、所述鮑威爾棱鏡2光軸與激光束共軸，鮑威爾棱鏡2為玻璃或石英玻璃材質(zhì)的柱面光學(xué)透鏡，包括鮑威爾棱鏡內(nèi)部基材2-2，鮑威爾棱鏡內(nèi)部基材2-2的一個側(cè)面為鮑威爾棱鏡非球面2-1，與鮑威爾棱鏡非球面2-1相對的鮑威爾棱鏡內(nèi)部基材2-2的另一個側(cè)面為鮑威爾棱鏡平面2-3；

8、鮑威爾棱鏡非球面2-1具有面型公式：

9、

10、其中c為曲線曲率，ck為圓錐系數(shù)，y、z分別為面型曲線橫截面的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；將上述面型公式得到的曲線沿垂直于橫截面的x軸平移，即得到鮑威爾棱鏡的曲面面型；鮑威爾棱鏡的參數(shù)須滿足條件0.25＜|c·ck|＜50，即曲率與圓錐系數(shù)積的絕對值須在0.25和50之間；鮑威爾棱鏡非球面2-1及鮑威爾棱鏡平面2-3表面均覆有介質(zhì)增透膜。

11、所述光闌3為涂敷有消光材料的圓形小孔，光闌中心位置與激光束光軸共線。

12、所述全反射鏡4中心與激光束光軸共線，反射鏡法線與激光束光軸成45°角，使入射激光光束偏折90°；全反射鏡4基底為玻璃或石英玻璃，表面鍍有適用于所用激光波長的45°角反射的高反射率鍍膜。

13、所述球面柱透鏡5光軸與經(jīng)全反射鏡反射后的激光光軸共軸；球面柱透鏡5為玻璃或石英玻璃材質(zhì)的柱面光學(xué)透鏡，包括球面柱面鏡內(nèi)部玻璃5-2，球面柱面鏡內(nèi)部玻璃5-2的一側(cè)為球面柱面鏡球面5-1，與球面柱面鏡球面5-1相對的球面柱面鏡內(nèi)部玻璃5-2的另一側(cè)為球面柱面鏡平面5-3；球面柱面鏡球面5-1及球面柱面鏡平面5-3表面均覆有介質(zhì)增透膜。

14、所述溫斯頓錐陣列6中含有的溫斯頓錐為金屬材質(zhì)的非成像聚光器，包括溫斯頓錐表面面型結(jié)構(gòu)6-2，溫斯頓錐表面面型結(jié)構(gòu)6-2內(nèi)表面設(shè)有溫斯頓錐金屬鍍膜6-1，溫斯頓錐金屬鍍膜6-1為適用于所用激光波長的高反射性材料，溫斯頓錐表面面型結(jié)構(gòu)6-2為復(fù)合旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)，其剖面分為兩部分：上半部分為拋物線對稱軸af、拋物線焦點f的拋物線一部分，下半部分為上半部分相對于光軸的鏡像；上半部分與下半部分形成溫斯頓錐的出口直徑為do，入口直徑為di,長度為l；溫斯頓錐的最大接收角為θmax＝sin-1(do/di)；定義從溫斯頓錐入口進(jìn)入的光線的入射角θ為其與溫斯頓錐光軸的夾角，入射角θ＜θmax的光線會通過多次反射從溫斯頓錐出口射出；而入射角θ≥θmax的光線會通過多次反射從溫斯頓錐入口返回；溫斯頓錐的長度l滿足公式：

15、

16、所述光電二極管及信號處理終端7為對所使用激光波長敏感的光電二極管，能夠?qū)厮诡D錐的出口進(jìn)行全覆蓋；光電二極管安裝時其感光面與溫斯頓錐出口緊密連接，由光散射信號轉(zhuǎn)換成的電信號，再由信號處理終端的電路進(jìn)行放大、去噪處理后輸出。

17、所述帶通濾波片8為石英基底的鍍膜干涉濾光元件，大于溫斯頓錐的入口直徑，其作用為對光波長的選擇性過濾，實現(xiàn)對其中心波長周圍一定波長范圍的光具有透過性，并阻止波長范圍外光的進(jìn)入。

18、所述激光陷阱9與反射后的激光光軸共軸；激光陷阱9內(nèi)部為光學(xué)吸收材料，基于吸收效應(yīng)消除激光。

19、所述系統(tǒng)殼體10的材質(zhì)為金屬材質(zhì)，正上方開有一個與探測光敏區(qū)域面積等大的平行四邊形開口，內(nèi)部表面涂覆適合于所用激光波長的消光材料。

20、和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

21、1、本發(fā)明基于塵埃顆粒與整形后的激光光束的相互作用實現(xiàn)塵埃粒子的探測，具有非接觸、不破壞顆粒動力學(xué)特性、探測面積大、不附加外在偏壓、探測精度高等特點。

22、2、本發(fā)明通過采用基于鮑威爾棱鏡和球面柱透鏡的激光整形方法，能夠有效提高探測激光光幕強(qiáng)度在空間分布上的均勻性，達(dá)到大幅提高塵埃顆粒參數(shù)測量精度的效果。

23、3、本發(fā)明通過采用溫斯頓錐陣列對散射光采集的方式，有效實現(xiàn)對大面積探測光幕的覆蓋，且限定了收集到的散射光的角度；通過設(shè)計更大接收角的溫斯頓錐，提高了散射光的收集效率，拓展了塵埃顆粒粒徑測量的下限，可以實現(xiàn)深空環(huán)境下低數(shù)量濃度宇宙塵埃的在位精確測量。

24、4、本發(fā)明采用半導(dǎo)體激光器作為激光光源，選擇光電二極管作為散射光探測器，并設(shè)置全反射鏡結(jié)構(gòu)，有利于光學(xué)傳感器的集成和小型化。

25、5、通過設(shè)置大小合適的光闌和在系統(tǒng)殼體上涂覆消光材料，起到抑制雜散光對探測的影響，有效降低了傳感器的本底噪聲，提高了傳感器對極小塵埃顆粒探測的下限能力。