本发明涉及深空探测，特别涉及一种面向深空宇宙尘埃在位探测的光学传感器。
背景技术：
1、宇宙尘埃是宇宙中漂浮的微小物质，为有形的实体颗粒，直径大小在亚微米至毫米范围。宇宙尘埃包含了宇宙演化和天体演变的丰富信息，通过研究宇宙尘埃的物理化学特性，包括空间分布、粒径分布、成分构成等，是探索宇宙演变的一个重要途径。同时，宇宙尘埃的存在也给人类的深空探测活动带来很多的挑战和威胁。比如宇宙尘埃堆积在宇航器的太阳能电池板上，会造成电池板接收太阳光能力减弱，给飞行器的能源供应造成不利影响。因此，研究宇宙空间微小尘埃特性具有重要的科学意义和工程意义，使其成为当前深空探测领域内被广泛关注的重点内容之一。
2、基于光散射理论的尘埃颗粒检测技术是检测尘埃颗粒粒径及浓度的一种有效技术，其工作原理为：当尘埃颗粒穿过探测光幕时，尘埃颗粒在光幕照射下发生光散射现象，通过在一定角度下采集并测量散射光信号，即可反演出与散射光信号相关的尘埃特性。当前，大多数应用于大气尘埃探测的尘埃颗粒检测技术方案为：基于气泵抽气的方式，使用采样气流带动待测颗粒进入探测区域，待测颗粒与探测光发生散射，散射光通过透镜或球面反射镜进行收集并汇聚于位于探测区域共轭像点处的光电探测器，通过光电转换得到一个正比于散射光强大小的脉冲电信号。脉冲信号的幅度与颗粒的尺寸成正相关，同时脉冲的数量对应于颗粒的个数，基于单位体积采样气体内探测到的颗粒个数，即可给出颗粒的浓度(公开号：cn219870874u、名称：一种高信噪比的尘埃粒子计数器；公开号：cn 1570604a、名称：激光尘埃粒子计数器的微型光学传感器)；这种技术方案具有依赖于气体环境、探测区域过小、采样激光束强度分布不均等缺点，不能应用于深空宇宙尘埃探测。欧洲航天局于2004年发射的“罗塞塔”号飞船搭载了一台基于激光散射原理的“微粒碰撞分析与尘埃收集器系统”，可以实现尘埃颗粒粒径大小、冲量、速率及质量通量的探测，该装置采用4个激光器形成面积100mm×100mm的探测光幕，搭配错位摆放的6个温斯顿锥覆盖整个光幕探测区域，后接光电二极管来实现限定立体角度内散射光的采集和光通量测量(adv.spaceres.29卷，1165-1169页，2002年)；但是该设计采用多个激光器拼接产生激光探测光幕，不仅导致激光探测光幕的强度空间分布均匀性很差，严重影响尘埃颗粒参数测量的精确性，而且测量系统结构复杂，重量和功耗难以控制；此外，该设计中的探测光幕宽度过大，导致用于散射光采集的温斯顿锥半锥角过小，降低了散射光的采集效率，严重影响尘埃颗粒粒径测量的下限。经地面验证试验的测量下限为60微米，实际在绕飞彗星67p探测过程中，探测到的颗粒事件的粒径都在80微米以上(astronomy&astrophysics,卷583，文章编号a13，2015年)。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向深空宇宙尘埃在位探测的光学传感器，具有非接触、不破坏颗粒动力学特性、探测面积大、不附加外在偏压、探测精度高等优点，能够有效提高激光探测光幕的强度在空间分布上的均匀性，拓展尘埃颗粒粒径测量的下限，实现深空环境中低数量浓度宇宙尘埃的在位精确测量。
2、为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
3、一种面向深空宇宙尘埃在位探测的光学传感器，包括系统壳体10，系统壳体10底部固定有半导体激光器1，半导体激光器1的出光口上方设置有鲍威尔棱镜2，鲍威尔棱镜2的上方设置有光阑3，光阑3安装在系统壳体10侧边，光阑3的上方设置有全反射镜4，全反射镜4安装在系统壳体10内部穹顶，全反射镜4的反射光光路上设置有球面柱透镜5，球面柱透镜5固定在系统壳体10内部穹顶，球面柱透镜5的光轴与全反射镜4的中心线共线，球面柱透镜5、全反射镜4、光阑3、鲍威尔棱镜2与半导体激光器1组成激光整形与准直模块；
4、从球面柱透镜5出射的探测光幕左右两侧错位安装了由多个温斯顿锥组成的温斯顿锥阵列6，温斯顿锥阵列6覆盖平行四边形abcd区域即为探测敏感区域，温斯顿锥的入口方向与激光主光轴成90°；温斯顿锥阵列6固定在系统壳体10内部；在每个温斯顿锥前部连接带通滤波片8，在每个温斯顿锥尾部连接光电二极管及信号处理终端7，光电二极管及信号处理终端7包括配套电路；温斯顿锥阵列6、光电二极管及信号处理终端7、带通滤波片8形成散射光采集与光电转换模块；
5、从球面柱透镜5出射的探测光幕前方设有激光陷阱9，激光陷阱9固定在系统壳体10内部，与全反射镜4、球面柱透镜5共线。
6、所述半导体激光器1输出的激光束为经预准直的椭圆高斯光束，中心波长位于980nm附近，正负变化不超过20nm,半导体激光器调制频率可调，最大调制频率大于50khz。
7、所述鲍威尔棱镜2光轴与激光束共轴，鲍威尔棱镜2为玻璃或石英玻璃材质的柱面光学透镜，包括鲍威尔棱镜内部基材2-2，鲍威尔棱镜内部基材2-2的一个侧面为鲍威尔棱镜非球面2-1，与鲍威尔棱镜非球面2-1相对的鲍威尔棱镜内部基材2-2的另一个侧面为鲍威尔棱镜平面2-3；
8、鲍威尔棱镜非球面2-1具有面型公式：
9、
10、其中c为曲线曲率，ck为圆锥系数，y、z分别为面型曲线横截面的横坐标和纵坐标；将上述面型公式得到的曲线沿垂直于横截面的x轴平移，即得到鲍威尔棱镜的曲面面型；鲍威尔棱镜的参数须满足条件0.25＜|c·ck|＜50，即曲率与圆锥系数积的绝对值须在0.25和50之间；鲍威尔棱镜非球面2-1及鲍威尔棱镜平面2-3表面均覆有介质增透膜。
11、所述光阑3为涂敷有消光材料的圆形小孔，光阑中心位置与激光束光轴共线。
12、所述全反射镜4中心与激光束光轴共线，反射镜法线与激光束光轴成45°角，使入射激光光束偏折90°；全反射镜4基底为玻璃或石英玻璃，表面镀有适用于所用激光波长的45°角反射的高反射率镀膜。
13、所述球面柱透镜5光轴与经全反射镜反射后的激光光轴共轴；球面柱透镜5为玻璃或石英玻璃材质的柱面光学透镜，包括球面柱面镜内部玻璃5-2，球面柱面镜内部玻璃5-2的一侧为球面柱面镜球面5-1，与球面柱面镜球面5-1相对的球面柱面镜内部玻璃5-2的另一侧为球面柱面镜平面5-3；球面柱面镜球面5-1及球面柱面镜平面5-3表面均覆有介质增透膜。
14、所述温斯顿锥阵列6中含有的温斯顿锥为金属材质的非成像聚光器，包括温斯顿锥表面面型结构6-2，温斯顿锥表面面型结构6-2内表面设有温斯顿锥金属镀膜6-1，温斯顿锥金属镀膜6-1为适用于所用激光波长的高反射性材料，温斯顿锥表面面型结构6-2为复合旋转抛物面结构，其剖面分为两部分：上半部分为抛物线对称轴af、抛物线焦点f的抛物线一部分，下半部分为上半部分相对于光轴的镜像；上半部分与下半部分形成温斯顿锥的出口直径为do，入口直径为di,长度为l；温斯顿锥的最大接收角为θmax＝sin-1(do/di)；定义从温斯顿锥入口进入的光线的入射角θ为其与温斯顿锥光轴的夹角，入射角θ＜θmax的光线会通过多次反射从温斯顿锥出口射出；而入射角θ≥θmax的光线会通过多次反射从温斯顿锥入口返回；温斯顿锥的长度l满足公式：
15、
16、所述光电二极管及信号处理终端7为对所使用激光波长敏感的光电二极管，能够对温斯顿锥的出口进行全覆盖；光电二极管安装时其感光面与温斯顿锥出口紧密连接，由光散射信号转换成的电信号，再由信号处理终端的电路进行放大、去噪处理后输出。
17、所述带通滤波片8为石英基底的镀膜干涉滤光元件，大于温斯顿锥的入口直径，其作用为对光波长的选择性过滤，实现对其中心波长周围一定波长范围的光具有透过性，并阻止波长范围外光的进入。
18、所述激光陷阱9与反射后的激光光轴共轴；激光陷阱9内部为光学吸收材料，基于吸收效应消除激光。
19、所述系统壳体10的材质为金属材质，正上方开有一个与探测光敏区域面积等大的平行四边形开口，内部表面涂覆适合于所用激光波长的消光材料。
20、和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21、1、本发明基于尘埃颗粒与整形后的激光光束的相互作用实现尘埃粒子的探测，具有非接触、不破坏颗粒动力学特性、探测面积大、不附加外在偏压、探测精度高等特点。
22、2、本发明通过采用基于鲍威尔棱镜和球面柱透镜的激光整形方法，能够有效提高探测激光光幕强度在空间分布上的均匀性，达到大幅提高尘埃颗粒参数测量精度的效果。
23、3、本发明通过采用温斯顿锥阵列对散射光采集的方式，有效实现对大面积探测光幕的覆盖，且限定了收集到的散射光的角度；通过设计更大接收角的温斯顿锥，提高了散射光的收集效率，拓展了尘埃颗粒粒径测量的下限，可以实现深空环境下低数量浓度宇宙尘埃的在位精确测量。
24、4、本发明采用半导体激光器作为激光光源，选择光电二极管作为散射光探测器，并设置全反射镜结构，有利于光学传感器的集成和小型化。
25、5、通过设置大小合适的光阑和在系统壳体上涂覆消光材料，起到抑制杂散光对探测的影响，有效降低了传感器的本底噪声，提高了传感器对极小尘埃颗粒探测的下限能力。
1.一种面向深空宇宙尘埃在位探测的光学传感器，包括系统壳体(10)，其特征在于：系统壳体(10)底部固定有半导体激光器(1)，半导体激光器(1)的出光口上方设置有鲍威尔棱镜(2)，鲍威尔棱镜(2)的上方设置有光阑(3)，光阑(3)安装在系统壳体(10)侧边，光阑(3)的上方设置有全反射镜(4)，全反射镜(4)安装在系统壳体(10)内部穹顶，全反射镜(4)的反射光光路上设置有球面柱透镜(5)，球面柱透镜(5)固定在系统壳体(10)内部穹顶，球面柱透镜(5)的光轴与全反射镜(4)的中心线共线，球面柱透镜(5)、全反射镜(4)、光阑(3)、鲍威尔棱镜(2)与半导体激光器(1)组成激光整形与准直模块；
2.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：所述半导体激光器(1)输出激光束为经预准直的椭圆高斯光束，中心波长位于980nm，正负变化不超过20nm,半导体激光器(1)调制频率可调，最大调制频率大于50khz。
3.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：所述鲍威尔棱镜(2)光轴与激光束共轴，鲍威尔棱镜(2)为玻璃或石英玻璃材质的柱面光学透镜，包括鲍威尔棱镜内部基材(2-2)，鲍威尔棱镜内部基材(2-2)的一个侧面为鲍威尔棱镜非球面(2-1)，与鲍威尔棱镜非球面(2-1)相对的鲍威尔棱镜内部基材(2-2)的另一个侧面为鲍威尔棱镜平面(2-3)；
4.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：所述全反射镜(4)中心与激光束光轴共线，反射镜法线与激光束光轴成45°角，使入射激光光束偏折90°；全反射镜(4)基底为玻璃或石英玻璃，表面镀有适用于所用激光波长的45°角反射的高反射率镀膜。
5.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：所述球面柱透镜(5)光轴与经全反射镜反射后的激光光轴共轴；球面柱透镜(5)为玻璃或石英玻璃材质的柱面光学透镜，包括球面柱面镜内部玻璃(5-2)，球面柱面镜内部玻璃(5-2)的一侧为球面柱面镜球面(5-1)，与球面柱面镜球面(5-1)相对的面柱面镜内部玻璃(5-2)的另一侧为球面柱面镜平面(5-3)；球面柱面镜球面(5-1)及球面柱面镜平面(5-3)表面均覆有介质增透膜。
6.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：所述温斯顿锥阵列(6)中含有的温斯顿锥为金属材质的非成像聚光器，包括温斯顿锥表面面型结构(6-2)，温斯顿锥表面面型结构(6-2)内表面设有温斯顿锥金属镀膜(6-1)，温斯顿锥金属镀膜(6-1)为适用于所用激光波长的高反射性材料，温斯顿锥表面面型结构(6-2)为复合旋转抛物面结构，其剖面分为两部分：上半部分为抛物线对称轴af、抛物线焦点f的抛物线一部分，下半部分为上半部分相对于光轴的镜像；上半部分与下半部分形成温斯顿锥的出口直径为do，入口直径为di,长度为l；温斯顿锥的最大接收角为θmax＝sin-1(do/di)；定义从温斯顿锥入口进入的光线的入射角θ为其与温斯顿锥光轴的夹角，入射角θ＜θmax的光线会通过多次反射从温斯顿锥出口射出；而入射角θ≥θmax的光线会通过多次反射从温斯顿锥入口返回；温斯顿锥的长度l满足公式：
7.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：所述光电二极管及信号处理终端(7)为对所使用激光波长敏感的光电二极管，能够对温斯顿锥的出口进行全覆盖；光电二极管安装时其感光面与温斯顿锥出口紧密连接，由光散射信号转换成的电信号，再由信号处理终端的电路进行放大、去噪处理后输出。
8.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：所述带通滤波片(8)为石英基底的镀膜干涉滤光元件，大于温斯顿锥的入口直径，其作用为对光波长的选择性过滤，实现对其中心波长周围一定波长范围的光具有透过性，并阻止波长范围外光的进入。
9.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：所述激光陷阱(9)与反射后的激光光轴共轴；激光陷阱(9)内部为光学吸收材料，基于吸收效应消除激光。
10.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于：所述系统壳体(10)的材质为金属材质，正上方开有一个与探测光敏区域面积等大的平行四边形开口，内部表面涂覆适合于所用激光波长的消光材料。
