CN103604433B - 一种复合光学敏感器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合光学敏感器，包括一个光学敏感器，所述复合光学敏感器还包括一个多面镜，设置于光学敏感器的光学成像镜头正上方，所述多面镜用于将入射光线反射到光学敏感器的光学成像镜头上，将光学敏感器中的图像传感器成像面，不重叠的分割为多个成像区域，虚拟出多个观测视场。本发明还同时公开了一种复合光学敏感器的实现方法，采用本发明复合光学敏感器及其实现方法，最大限度的减小了复合光学敏感器的体积和重量，降低了复合光学敏感器的功耗，并且当采用所述多个观测视场分别对恒星和近天体进行成像时，可实现自主的导航定位；当采用所述多个观测视场同时对多个视场的多颗恒星成像时，形成超大观测视场，可进行星图识别。

Description

一种复合光学敏感器及其实现方法

技术领域

本发明涉及卫星自主导航领域中的光学敏感器技术，尤其涉及一种复合光学敏感器及其实现方法。

背景技术

目前各国都在发展各种不依赖地面无线电测控的卫星自主导航技术，以提高卫星的自主运行、自主管理和在轨生存能力。随着载人航天和深空探测技术的发展，对航天器自主导航能力的要求更加迫切。

自主天文导航系统是通过光学敏感器来进行天体的观测，常用的光学敏感器有星敏感器、太阳敏感器、红外地平仪、紫外地球（月球）敏感器、行星相机等，现有自主天文导航系统通常利用多种光学敏感器组合的形式来确定航天器的空间位置和速度。

目前的复合光学敏感器，主要有两类：一类如美国的EDO公司、霍尼韦尔公司、德国斯图加特大学采用的复合光学敏感器，这类光学敏感器没有进行成像区域的分割，使得后续星点提取与目标信息提取比较困难；另一类如北京控制工程研究所研制的复合视场光学敏感器，由中心部分圆形视场和边缘部分环形视场复合而成，可以对恒星和地球同时成像，这些像是分区域的没有重叠，有利于后续的星点提取和目标信息提取。但是，这类敏感器光学系统非常庞大，以致复合敏感器体积重量都很大。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的主要目的在于提供一种复合光学敏感器及其实现方法，能最大限度的减小复合光学敏感器的体积和重量，降低复合光学敏感器的功耗。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种复合光学敏感器，包括光学敏感器；所述复合光学敏感器还包括一个多面镜，设置于所述光学敏感器的光学成像镜头正上方；

所述多面镜，用于将入射光线反射到光学敏感器的光学成像镜头上，将光学敏感器中的图像传感器成像面不重叠的分割为多个成像区域，虚拟出多个观测视场。

较佳地，所述多面镜为四面棱镜；所述四面棱镜的棱长L取值为65.3mm；所述四面棱镜的镜面倾角α取值为50度；所述四面棱镜与所述光学成像镜头之间的距离d的取值为70mm。

较佳地，所述多个观测视场，用于同时对多个视场的多颗恒星成像，形成超大观测视场。

较佳地，所述多个观测视场中，部分观测视场用于对近天体成像，同时其余部分观测视场用于对恒星成像。

本发明实施例还提供了一种复合光学敏感器的实现方法，在光学敏感器的光学成像镜头正上方设置一个多面镜，形成复合光学敏感器；所述方法还包括：

多面镜将入射光反射到光学敏感器的光学成像镜头上，成像于光学敏感器的图像传感器上；并将光学敏感器的图像传感器成像面不重叠的分割为多个成像区域，虚拟出多个观测视场。

较佳地，所述方法还包括：对虚拟出的多个视场中的多颗恒星成像，形成超大视场。

较佳地，所述方法还包括：采用虚拟出的多个观测视场中的部分观测视场对近天体成像，同时采用其余部分观测视场对恒星成像。

本发明实施例所提供的复合光学敏感器及其实现方法，在普通的光学敏感器的光学成像镜头正上方设置一个多面镜，形成复合光学敏感器；由多面镜将入射光反射到光学敏感器的光学成像镜头上，成像于光学敏感器的图像传感器上；并将光学敏感器的图像传感器成像面不重叠的分割为多个成像区域，虚拟出多个观测视场。本发明实施例直接采用虚拟出的多个观测视场同时对多个视场的多颗恒星成像，形成超大观测视场，即可进行超大视场的星图识别；还可以采用虚拟出的多个观测视场分别对恒星和近天体进行成像，即可实现自主的导航定位；不像现有技术中需要多个光学敏感器才能完成上述功能，具有结构简单、功能强大的优势和特点。

本发明实施例在实现自主天文导航的同时，能最大限度的减小复合光学敏感器的体积和重量，降低复合光学敏感器的功耗。进而能为各类航天器尤其是微小型航天器和深空探测器自主导航技术的发展提供重要的技术支撑。

附图说明

图1为本发明实施例复合光学敏感器的光学成像系统的组成原理示意图；

图2为本发明实施例复合光学敏感器的图像传感器成像区域分割示意图；

图3为本发明实施例复合光学敏感器的测量原理示意图；

图4为本发明实施例复合光学敏感器的总体功能框图；

图5为本发明实施例复合光学敏感器的多视场星图识别示意图；

图6为本发明实施例复合光学敏感器对地球成像的处理结果示意图；

图7为本发明实施例复合光学敏感器的自主导航定位方法示意图。

具体实施方式

本发明实施例的基本思想是：在普通的光学敏感器的光学成像镜头正上方设置一个多面镜，形成复合光学敏感器；由多面镜将入射光反射到光学敏感器的光学成像镜头上，成像于光学敏感器的图像传感器上；并将光学敏感器的图像传感器成像面不重叠的分割为多个成像区域，虚拟出多个观测视场。

下面结合附图及具体实施例对本发明再做进一步详细的说明。

图1为本发明实施例复合光学敏感器的光学成像系统的组成原理示意图，复合光学敏感器的光学成像系统由多面镜和光学成像镜头组成，多面镜将入射光反射到光学敏感器的光学成像镜头上，成像于光学敏感器的图像传感器上；并且，多面镜将光学敏感器的图像传感器成像面不重叠的分割为多个成像区域，虚拟出多个观测视场；

这里，可以采用虚拟出的多个观测视场同时对多个视场的多颗恒星成像，以形成超大观测视场，从而进行星图识别；还可以采用虚拟出的多个观测视场中的部分观测视场对近天体成像，同时采用其余部分观测视场对恒星成像，以实现自主的导航定位。

实际应用中，多面镜的个数越多，所覆盖的视场越大，但是结构也越复杂；本发明实施例以四面棱镜为例进行设计，如图1所示，光线通过四面棱镜反射到光学成像镜头上，成像于高分辨率的图像传感器上，将光学敏感器中的图像传感器成像面不重叠的分割为四个成像区域，由此虚拟出四个观测视场；

这里，可以采用虚拟出的四个观测视场同时对多个视场的多颗恒星成像，形成超大观测视场，以进行星图识别；还可以采用虚拟出的四个观测视场中的两个观测视场对恒星成像，另外两个观测视场对近天体成像，以实现自主的导航定位。

这里，所述光学敏感器中的图像传感器为2048×2048像元的互补金属氧化物半导体（CMOS，ComplementaryMetalOxideSemiconductor）图像传感器，以适应复合光学敏感器的设计要求。

所述四个成像区域的分割方向与原图像传感器图像输出行列坐标一致，因此，可以看成四个1024×1024像元的CMOS图像传感器，简化图像处理，本发明实施例图像传感器成像区域分割示意图如图2所示。

所述四面棱镜的镜面倾角α、棱长L、所述四面棱镜与光学成像镜头之间的距离d、所述光学成像镜头的焦距f的取值，决定了虚拟的镜像敏感器的视场大小以及多个镜像敏感器之间的结构布局，本发明实施例基于透视投影变换、空间解析几何理论及几何光学的基本定律对所述光学成像系统进行建模和数值仿真，并设计出合理的结构参数；其中，

所述四面棱镜的镜面倾角α与三轴测量精度（俯仰角、偏含角、滚转角）及虚拟视场光轴指向有关，经过仿真计算，当α取值在20°～80°之间时，三轴测量误差较小；另外，为满足复合敏感器同时观测月球，地球和恒星的要求，并考虑卫星的轨道高度，α应取值在50°附近，这里α的取值选择50°。

所述光学成像镜头的焦距f和CMOS成像芯片边长尺寸m的取值决定了复合光学敏感器的视场角γ的大小，公式为当视场角取值在20°～60°之间时，相应的，f的取值为13mm～45mm；表征进光能量的有效孔径与光圈数间关系为D=f/F，为保证多视场复合光学敏感器能够敏感到较低的星等，有效孔径须取较大值；同时，为保证透镜具有较大的景深范围，以保证四视场视图能够有效区分，f须取较小值，综合考虑孔径，景深以及反射损耗等因素，并保证复合光学敏感器敏感到5.5等星，光学成像镜头焦距f的取值选择16mm，F的取值为1.4。

所述四面棱镜的棱长L，四面棱镜与光学成像镜头间的距离d与f、m的关系为：所述复合光学敏感器的外形边长尺寸a与L的关系为a=2Lsinα，由于复合光学敏感器的外形安装尺寸最大为110mm，L最大为110mm，考虑安装要求d的取值范围为20mm～124mm，综合外形，安装及视场因素，a取值为100mm，d约为70mm，L取值为65.3mm，此时可以保证棱镜的外形尺寸大于成像入射光的实际反射面积，保证四个视场有效成像。

图3为本发明实施例复合光学敏感器的测量原理示意图，在普通的光学敏感器的光学成像镜头正上方设置一个多面镜，形成复合光学敏感器；由多面镜将入射光反射到光学敏感器的光学成像镜头上，成像于光学敏感器的图像传感器上；并且，由多面镜将光学敏感器的图像传感器成像面不重叠的分割为多个成像区域，虚拟出多个观测视场；

这里，所述多个观测视场，用于同时对多个视场的多颗恒星成像，形成超大观测视场；或者，所述多个观测视场中，部分观测视场用于对近天体成像，同时其余部分观测视场用于对恒星成像。

本发明实施例以四面棱镜为例，如图3所示，光线通过四面棱镜反射到光学成像镜头上，成像于高分辨率的图像传感器上，将光学敏感器中的图像传感器成像面不重叠的分割为四个成像区域，由此虚拟出四个观测视场；虚拟出的四个观测视场分别对恒星和近天体进行成像，其中两个观测视场对恒星成像。另外，两个观测视场对近天体成像（这里以地球为例）或折射星成像，通过直接敏感地平或间接敏感地平的方式实现导航定位功能，本发明实施例的复合光学敏感器相当于传统导航系统中的多个星敏感器和地球敏感器的功能。

图4为本发明实施例复合光学敏感器的总体功能框图，如图4所示，本发明实施例复合光学敏感器的光学成像系统，通过光学反射原理和透镜成像原理，将CMOS图像传感器成像面不重叠的分割为多个成像区域，虚拟出多个观测视场；采用现场可编程门阵列（FPGA，Field-ProgrammableGateArray）进行CMOS图像传感器的成像驱动，并实现实时的星点质心定位和天体目标信息的实时处理，处理得到的恒星观测信息输入给数字信号处理器（DSP，DigitalSignalProcessing），按照星敏感器的处理流程进行星图识别及姿态计算，输出航天器姿态参数；处理得到的近天体观测信息也输入给DSP，根据近天体的星历信息结合其余视场处理得到的恒星识别结果，进行航天器自主天文定位得到航天器的位置参数。

图5为本发明实施例复合光学敏感器的多视场星图识别示意图，如图5所示，本发明实施例复合光学敏感器可同时对多个视场的恒星和近天体目标成像，图5中显示有三个视场：视场1、视场2和视场3；相对于传统单视场的星敏感器，多视场星敏感器具有更高的测量精度和可靠性，充分利用多个观测视场带来更多恒星观测信息的优点，同时，将多个观测视场可以看作一个超大的视场，保证在各视场观星数目不够单独识别的情况下仍然能正常识别。

如图5所示，每个视场中星个数仅为1～2颗，由于星图识别方法对单个视场中星个数大于4颗以上才能进行星图识别，因此这种情况下星图识别方法没有办法对单个视场的星进行识别，而本发明实施例复合光学敏感器构成的超大视场中，就可以保证星个数大于4颗以上，进而采用传统的三角形星图识别方法对超大视场内的恒星进行星图识别。另外，当单视场星敏感器视场中进入强光（如太阳光）时，星敏感器便不能正常工作，而本发明实施例的复合光学敏感器虚拟多个观测视场，即使其中一个观测视场进入强光，其它观测视场的星敏感器仍能正常工作。

图6为本发明实施例复合光学敏感器对地球成像的处理结果示意图，本发明实施例复合光学敏感器利用近天体目标的边缘轮廓信息进行测量，在近地轨道，地球和月球是主要观测目标；如图6所示，为本发明实施例复合光学敏感器对地球成像的处理结果示意图，通过图像处理可以提取出地心矢量，同时通过圆（椭圆）拟合确定地球半径的像素长度；本发明实施例采用基于Hessian矩阵的子像素级边缘检测算法进行边缘轮廓的精确提取，基于海赛Hessian矩阵的边缘检测算法，检测精度可达到亚像素级，且具有较好的鲁棒性和较强的通用性，并且其算法本身有很强的并行性；本发明实施例采用FPGA实时并行处理的方法来实现边缘轮廓信息的快速实时提取；同样的处理方式可以用于对月球观测信息的处理。

图7为本发明实施例复合光学敏感器的自主导航定位方法示意图，如图7所示，在近地轨道，地球是主要观测目标，利用复合光学敏感器多视场的特点，采用其中的两个视场观测导航星，另外两个视场观测地平和折射星，进行地心矢量的测量，利用直接敏感地平和星光折射间接敏感地平的方法如图7所示，其中观测导航星和折射星的视场与现有的导航系统中星敏感器的功能相同，而观察地平的视场与现有的导航系统中的地球敏感器的功能相似，所以利用一个复合光学敏感器就实现了现有导航系统的所有功能，可以实现自主的导航定位。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种复合光学敏感器，包括光学敏感器；其特征在于，所述复合光学敏感器还包括一个多面镜，设置于所述光学敏感器的光学成像镜头正上方；

所述多面镜，用于将入射光线反射到光学敏感器的光学成像镜头上，将光学敏感器中的图像传感器成像面不重叠的分割为多个成像区域，虚拟出多个观测视场；

其中，所述多个观测视场，用于同时对多个视场的多颗恒星成像，形成一个观测视场；或者，所述多个观测视场中，部分观测视场用于对近天体成像，同时其余部分观测视场用于对恒星成像。

2.根据权利要求1所述复合光学敏感器，其特征在于，所述多面镜为四面棱镜。

3.根据权利要求2所述复合光学敏感器，其特征在于，所述四面棱镜的棱长L取值为65.3mm；

所述四面棱镜的镜面倾角α取值为50度；

所述四面棱镜与所述光学成像镜头之间的距离d的取值为70mm。

4.一种复合光学敏感器的实现方法，其特征在于，在光学敏感器的光学成像镜头正上方设置一个多面镜，形成复合光学敏感器；所述方法还包括：

多面镜将入射光反射到光学敏感器的光学成像镜头上，成像于光学敏感器的图像传感器上；并将光学敏感器的图像传感器成像面不重叠的分割为多个成像区域，虚拟出多个观测视场；

其中，所述多个观测视场，用于同时对多个视场的多颗恒星成像，形成一个观测视场；或者，所述多个观测视场中，部分观测视场用于对近天体成像，同时其余部分观测视场用于对恒星成像。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述多面镜为四面棱镜。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述四面棱镜的棱长L取值为65.3mm；

所述四面棱镜的镜面倾角α取值为50度；

所述四面棱镜与所述光学成像镜头之间的距离d的取值为70mm。