CN110411713B - 一种同轴相机主次镜在轨姿态测量系统 - Google Patents

一种同轴相机主次镜在轨姿态测量系统 Download PDF

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Abstract

一种同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，包括两个位移传感装置、两个激光发射装置、两个光电接收装置、数据处理模块；两个位移传感装置分别用于测量主镜和次镜的位移，然后输出给所述数据处理模块；两个激光发射装置均用于发射激光脉冲；两个光电接收装置分别用于接收两个激光发射装置发射的激光脉冲信号，然后输出光斑的数字图像给所述数据处理模块；两个激光发射装置和两个光电接收装置位于同一平面内；数据处理模块用于根据所述主镜的位移、次镜的位移、光斑的数字图像获得主镜和次镜的相对位置和姿态变化。本发明结构简单、安装方便，适用于空间相机在轨光机稳定性监测和成像质量分析，属于在轨像质监测和智能调整领域。

Description

一种同轴相机主次镜在轨姿态测量系统
技术领域
本发明涉及一种同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，属于在轨像质监测和智能调整领域。
背景技术
以同轴反射式光学系统为基础构建的空间遥感相机，相对其他形式的相机有着对称性好、转动惯量小等优势，得到国内外广泛应用。然而同轴相机的主次镜姿态通常较为敏感，主镜和次镜的相对自由度变化均会带来较大的成像质量影响。
随着空间相机在轨健康监测的需求发展，要求能够遥测获取影响成像质量的主次镜相对姿态变化这一关键信息，为精准解析在轨成像质量，改进后续相应光机热形式提供依据。
此外随着次镜六自由度调整机构的研究深入和空间应用，要求为次镜精准调节实时提供输入信息。现有在轨调节多为单自由度调焦机构，依靠对地多次拍摄结合图像确定调节量，耗时长，且无法提供多自由度调节的输入信息。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，包括两个位移传感装置、两个激光发射装置、两个光电接收装置、数据处理模块；两个位移传感装置分别用于测量主镜和次镜的位移，然后输出给所述数据处理模块；两个激光发射装置均用于发射激光脉冲；两个光电接收装置分别用于接收两个激光发射装置发射的激光脉冲信号，然后输出光斑的数字图像给所述数据处理模块；两个激光发射装置和两个光电接收装置位于同一平面内；数据处理模块用于根据所述主镜的位移、次镜的位移、光斑的数字图像获得主镜和次镜的相对位置和姿态变化。本发明结构简单、安装方便，适用于空间相机在轨光机稳定性监测和成像质量分析。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，包括两个位移传感装置、两个激光发射装置、两个光电接收装置、数据处理模块；
所述两个位移传感装置分别安装于主镜上和次镜上，分别用于测量主镜和次镜的位移，然后输出给所述数据处理模块；
所述两个激光发射装置均安装于次镜上，均用于发射激光脉冲；
所述两个光电接收装置均安装于主镜上，并分别用于接收两个激光发射装置发射的激光脉冲信号，然后输出光斑的数字图像给所述数据处理模块；所述两个激光发射装置和两个光电接收装置位于同一平面内；
所述数据处理模块用于根据所述主镜的位移、次镜的位移、光斑的数字图像获得主镜和次镜的相对位置和姿态变化。
上述同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，所述两个位移传感装置分别安装于主镜背面和次镜背面。
上述同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，所述两个激光发射装置分别安装于次镜的直径的两端，所述两个光电接收装置分别安装于主镜的直径的两端。
上述同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，所述光电接收装置均为面阵探测器。
上述同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，所述数据处理模块获得主镜和次镜的相对位置变化包括主次镜沿光轴轴向相对平移和主次镜沿光轴径向相对平移；所述主次镜沿光轴轴向相对平移为：
Figure BDA0002124128900000021
式中，ΔH为主次镜镜间距变化量，y11为第一光斑的数字图像沿Y轴位移量，y01为第一光斑的数字图像的Y轴坐标，y22为第二光斑的数字图像沿Y轴位移量，y02为第二光斑的数字图像的Y轴坐标，u为光电接收装置的像元尺寸，H为激光光束后方交会点至光电接收装置的距离，L为两个光电接收装置的中心距离；
所述主次镜沿光轴径向相对平移为：
两个位移传感装置测量到的主镜和次镜在X轴方向位移的差值，和两个位移传感装置测量到的主镜和次镜在Y轴方向位移的差值。
上述同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，所述数据处理模块获得主镜和次镜的相对姿态变化为：
次镜相对主镜绕Y轴倾斜量：
Figure BDA0002124128900000031
式中，Δα为次镜相对主镜绕Y轴倾斜量，x11为第一光斑的数字图像沿X轴位移量，x01为第一光斑的数字图像的X轴坐标，x22为第二光斑的数字图像沿X轴位移量，x02为第二光斑的数字图像的X轴坐标，u为光电接收装置的像元尺寸，X′为主镜和次镜在X轴方向的位移量，F为主镜和次镜之间的间距；
次镜相对主镜绕X轴倾斜量采用以下方法确定：
Figure BDA0002124128900000032
其中
L1＝(y11-y01)×u-Y′
L2＝(y22-y02)×u-Y′
式中，θ为次镜相对主镜绕X轴倾斜角，γ为第一光斑和对应激光发射点的连线与Z轴的夹角，L3为激光发射装置和光电接收装置的距离，L4为两个激光发射装置的安装距离，L5为两个光电接收装置的安装距离，
y11为第一光斑的数字图像沿Y轴位移量，y01为第一光斑的数字图像的Y轴坐标，y22为第二光斑的数字图像沿Y轴位移量，y02为第二光斑的数字图像的Y轴坐标，u为光电接收装置的像元尺寸，Y′为主镜和次镜在Y轴方向的位移量。
上述同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，所述次镜能够六自由度调整姿态。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明的应用能清楚反演同轴相机成像时段主次镜间距和姿态实时变化对像质的影响，实现光学系统在轨健康检测；
(2)本发明的应用能为先进次镜六自由度调整机构提供输入条件，实现空间相机的智能光机闭环调整，实现在轨光学系统自我修复。
附图说明
图1为同轴相机主次镜在轨姿态测量系统组成示意图；
图2为主镜和次镜的相对位置变化示意图；
图3为次镜相对主镜绕Y轴倾斜示意图；
图4为次镜相对主镜绕X轴倾斜示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，包括两个位移传感装置1、两个激光发射装置2、两个光电接收装置3、数据处理模块；所述光电接收装置3均为面阵探测器，所述次镜5能够六自由度调整姿态，如图1所示，本发明以主镜4和次镜5为依托，搭建姿态测量通路。位移传感装置1选用高精度位移传感器；激光发射装置2选用小型激光器，能够同时产生低频激光脉冲；光电接收装置3选用小面阵探测电路；数据处理模块采用FPGA或DSP。
所述两个位移传感装置1分别安装于主镜4背面和次镜5背面，分别用于测量主镜4和次镜5的位移，然后输出给所述数据处理模块；
所述两个激光发射装置2分别安装于次镜5的直径的两端，均用于发射激光脉冲；
所述两个光电接收装置3分别安装于主镜4的直径的两端，并分别用于接收两个激光发射装置2发射的激光脉冲信号，然后输出光斑的数字图像给所述数据处理模块；所述两个激光发射装置2和两个光电接收装置3位于同一平面内；
所述数据处理模块用于根据所述主镜4的位移、次镜5的位移、光斑的数字图像获得主镜4和次镜5的相对位置和姿态变化。
本发明测量的坐标定义如下：Z轴定义为主镜4指向次镜5的光轴，Y轴定义为主次镜安装激光发射装置2和光电接收装置3的直径方向，X轴定义为光轴和Y轴约束下，由右手法则确定；以此构建正交直角坐标系。
所述数据处理模块获得主镜4和次镜5的相对位置变化包括主次镜沿光轴轴向相对平移和主次镜沿光轴径向相对平移。
当主镜4和次镜5间距发生变化时，如图2所示，主镜4上的光电接收装置3上的光斑会沿Y轴各自向光轴移动或远离光轴移动。
所述主次镜沿光轴轴向相对平移为：
Figure BDA0002124128900000051
式中，ΔH为主次镜镜间距变化量，y11为第一光斑的数字图像沿Y轴位移量，y01为第一光斑的数字图像的Y轴坐标，y22为第二光斑的数字图像沿Y轴位移量，y02为第二光斑的数字图像的Y轴坐标，u为光电接收装置3的像元尺寸，H为激光光束后方交会点至光电接收装置3的距离，L为两个光电接收装置3的中心距离；
当主次镜发生沿光轴径向相对平移时，所述主次镜沿光轴径向相对平移为：
两个位移传感装置1测量到的主镜4和次镜5在X轴方向位移的差值，和两个位移传感装置1测量到的主镜4和次镜5在Y轴方向位移的差值。
所述数据处理模块获得主镜4和次镜5的相对姿态变化为：
当次镜5绕Y轴发生倾斜时，如图3所示，主镜4上的光电接收装置3上的光斑会沿X轴同方向移动。次镜5相对主镜4绕Y轴倾斜量：
Figure BDA0002124128900000061
式中，Δα为次镜5相对主镜4绕Y轴倾斜量，x11为第一光斑的数字图像沿X轴位移量，x01为第一光斑的数字图像的X轴坐标，x22为第二光斑的数字图像沿X轴位移量，x02为第二光斑的数字图像的X轴坐标，u为光电接收装置3的像元尺寸，X′为主镜4和次镜5在X轴方向的位移量，F为主镜4和次镜5之间的间距；
当次镜5绕X轴发生倾斜时，如图4所示，主镜4上的光电接收装置3上的光斑会沿Y轴同方向移动。次镜5相对主镜4绕X轴倾斜量采用以下方法确定：
Figure BDA0002124128900000062
其中
L1＝(y11-y01)×u-Y′
L2＝(y22-y02)×u-Y′
式中，θ为次镜5相对主镜4绕X轴倾斜角，γ为第一光斑和对应激光发射点的连线与Z轴的夹角，L3为激光发射装置2和光电接收装置3的距离，L4为两个激光发射装置2的安装距离，L5为两个光电接收装置3的安装距离，
y11为第一光斑的数字图像沿Y轴位移量，y01为第一光斑的数字图像的Y轴坐标，y22为第二光斑的数字图像沿Y轴位移量，y02为第二光斑的数字图像的Y轴坐标，u为光电接收装置3的像元尺寸，Y′为主镜4和次镜5在Y轴方向的位移量。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，其特征在于，包括两个位移传感装置(1)、两个激光发射装置(2)、两个光电接收装置(3)、数据处理模块；
所述两个位移传感装置(1)分别安装于主镜(4)上和次镜(5)上，分别用于测量主镜(4)和次镜(5)的位移，然后输出给所述数据处理模块；
所述两个激光发射装置(2)均安装于次镜(5)上，均用于发射激光脉冲；
所述两个光电接收装置(3)均安装于主镜(4)上，并分别用于接收两个激光发射装置(2)发射的激光脉冲信号，然后输出光斑的数字图像给所述数据处理模块；所述两个激光发射装置(2)和两个光电接收装置(3)位于同一平面内；
所述数据处理模块用于根据所述主镜(4)的位移、次镜(5)的位移、光斑的数字图像获得主镜(4)和次镜(5)的相对位置和姿态变化。
2.根据权利要求1所述的一种同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，其特征在于，所述两个位移传感装置(1)分别安装于主镜(4)背面和次镜(5)背面。
3.根据权利要求1所述的一种同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，其特征在于，所述两个激光发射装置(2)分别安装于次镜(5)的直径的两端，所述两个光电接收装置(3)分别安装于主镜(4)的直径的两端。
4.根据权利要求1所述的一种同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，其特征在于，所述光电接收装置(3)均为面阵探测器。
5.根据权利要求1所述的一种同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，其特征在于，所述数据处理模块获得主镜(4)和次镜(5)的相对位置变化包括主次镜沿光轴轴向相对平移和主次镜沿光轴径向相对平移；所述主次镜沿光轴轴向相对平移为：
Figure FDA0002851750990000011
式中，ΔH为主次镜镜间距变化量，y11为第一光斑的数字图像沿Y轴位移量，y01为第一光斑的数字图像的Y轴坐标，y22为第二光斑的数字图像沿Y轴位移量，y02为第二光斑的数字图像的Y轴坐标，u为光电接收装置(3)的像元尺寸，H为激光光束后方交会点至光电接收装置(3)的距离，L为两个光电接收装置(3)的中心之间的距离；
所述主次镜沿光轴径向相对平移为：
两个位移传感装置(1)测量到的主镜(4)和次镜(5)在X轴方向位移的差值，和两个位移传感装置(1)测量到的主镜(4)和次镜(5)在Y轴方向位移的差值。
6.根据权利要求1所述的一种同轴相机主次镜在轨姿态测量系统，其特征在于，所述次镜(5)能够六自由度调整姿态。
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