CN111896100B - 星载太阳辐射计无遮拦视场角测量方法、系统及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种星载太阳辐射计无遮拦视场角测量方法、系统及介质，包括：步骤1：对太阳敏感器光轴进行标定；步骤2：测量太阳敏感器光轴与太阳辐射计光轴之间的固定偏差；步骤3：调节测量装置的位置，测量平面反射镜转动轴与太阳辐射计入光口的距离；步骤4：调节电机转动与平动，进行测量；步骤5：完成一个方向的测量后，水平转动太阳辐射计至下一方向继续测量直至所有方向测量结束；步骤6：将每一方向上太阳敏感器获取的入射光偏转角度值校正到太阳辐射计视场角坐标系中；步骤7：进行分段函数最小二乘拟合，获取每一方向的视场角实测值，并合成二维视场角。本发明能够有效获得星载太阳辐射计二维实测视场角，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测领域，具体地，涉及一种星载太阳辐射计无遮拦视场角测量方法、系统及介质。
背景技术
太阳辐射计是监测太阳总辐照度(Total Solar Irradiance)的仪器，在空间进行太阳总辐照度监测相比地面监测具有不受大气吸收影响的明显优势，故而星载太阳辐射计在气候长期监测领域具有重要应用。
星载太阳辐射计的无遮拦视场角是在轨进行太阳总辐照度测量与修正的重要参数，需要在发射前进行精确测量。星载太阳辐射计与一般光学仪器不同，其视场理论上仅取决于视场光阑与主光阑形状。文献[1](李伟，李正强，杨本永，基于激光光源的太阳辐射计视场角测量方法[J]，大气与环境光学学报，2015)与文献[2](杨久春，李正强，李凯涛，太阳辐射计视场角定标方法对比研究[J]，大气与环境光学学报，2018)给出了一种利用激光光源进行矩阵扫描测量的方法，能够获得二维的视场角测试结果，但仅针对地基太阳辐射计，而星载太阳辐射计动态范围大，激光光源经扩束后能量不足以进行高精度的星载太阳辐射计视场角测量，文献[3](杨振岭，方伟，王凯，小视场绝对辐射计视场测量及修正项计算，光学精密工程，2013)给出了针对星载太阳辐射计的视场角测量方法，获取了2个垂直方向的线视场测量点，未给出二维的视场角测试及分析实测视场角方法。
专利文献CN110006634A(申请号：201910299456.5)公开了一种视场角测量方法、视场角测量装置、显示方法和显示设备，该视场角测试方法包括：用于测量显示设备的视场角，所述显示设备包括显示屏以及位于所述显示屏出光侧的光学透镜，所述方法包括：获取采用相机摄取的目标虚像的目标图像；根据所述目标图像中第一成像点、所述第二成像点和所述第三成像点的位置，计算所述测试区域的视场角。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星载太阳辐射计无遮拦视场角测量方法、系统及介质。
根据本发明提供的星载太阳辐射计无遮拦视场角测量方法，包括：
步骤1：对太阳敏感器光轴进行标定；
步骤2：测量太阳敏感器光轴与太阳辐射计光轴之间的固定偏差；
步骤3：调节测量装置的位置，测量平面反射镜转动轴与太阳辐射计入光口的距离；
步骤4：调节电机转动与平动，进行测量；
步骤5：完成一个方向的测量后，水平转动太阳辐射计至下一方向继续测量，当所有方向测量结束时，执行步骤6；
步骤6：根据太阳敏感器光轴标定结果将每一方向上太阳敏感器获取的入射光偏转角度值校正到太阳辐射计视场角坐标系中；
步骤7：进行分段函数最小二乘拟合，获取每一方向的视场角实测值，并合成二维视场角。
优选地，所述步骤2包括：根据经纬仪测量安装在星载太阳辐射计测量通道附近的太阳敏感器光轴与太阳辐射计光轴之间的固定偏差。
优选地，所述步骤3包括：调节太阳辐射计入光口平面为水平，对平面反射镜位置进行调节，光源的出射光经反射后垂直射入太阳辐射计入光口，光斑同时覆盖太阳辐射计入光口与太阳敏感器。
优选地，所述测量装置包括：经纬仪、高亮光源、电机、电机控制计算机、平面反射镜、待测太阳辐射计、太阳敏感器、电控箱和通讯计算机。
优选地，所述步骤4包括：调节电机顺时针转动并同时沿水平方向平动；
调节电机逆时针转动并同时沿水平方向平动；
光源经反射后的光斑同时覆盖太阳辐射计入光口与太阳敏感器；记录太阳敏感器获取的角度信息与太阳辐射计输出的测量值。
优选地，单方向测量范围为视场角设计值的5倍及以上。
优选地，步骤4中，电机同时转动与平动的对应关系如下：
l＝h·tan(2α)
其中，α为平面反射镜顺时针转动的角度，l为平面反射镜转动轴远离光源方向水平运动的距离，h为太阳敏感器光轴与太阳辐射计光轴之间的固定偏差值；
步骤5中，相邻两个方向之间的步长间隔设置为30°。
优选地，所述步骤7中的分段函数最小二乘拟合方法为：
其中，|| ||2表示L2范数，x为步骤6中得到的入射光偏转角度，y为对应角度下的星载太阳辐射计测量值，待定系数k为斜率，b为幅度，a1和a2分别为两侧拐点，即该方向无遮拦视场角即为a1～a2，分段函数F定义为：
根据本发明提供的星载太阳辐射计无遮拦视场角测量系统，包括：
模块M1：对太阳敏感器光轴进行标定；
模块M2：测量太阳敏感器光轴与太阳辐射计光轴之间的固定偏差；
模块M3：调节测量装置的位置，测量平面反射镜转动轴与太阳辐射计入光口的距离；
模块M4：调节电机转动与平动，进行测量；
模块M5：完成一个方向的测量后，水平转动太阳辐射计至下一方向继续测量，当所有方向测量结束时，调用模块M6；
模块M6：根据太阳敏感器光轴标定结果将每一方向上太阳敏感器获取的入射光偏转角度值校正到太阳辐射计视场角坐标系中；
模块M7：进行分段函数最小二乘拟合，获取每一方向的视场角实测值，并合成二维视场角。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明方法合理、实施简易，能够有效获得星载太阳辐射计二维实测视场角，应用前景广泛。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明方法实施流程图；
图2为星载太阳辐射计理论视场示意图；
图3为本发明方法测试设备相对位置关系示意图；
图4为多方向线视场合成二维视场角示意图；
图5为采用本发明方法获取的单方向视场拟合结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明方法实施流程图。步骤1：太敏光轴标定；步骤2：测试仪器位置调节，并测试平面反光镜转动轴与太阳辐射计入光口距离；步骤3：通过电机控制计算机同步调节平面反射镜转动与平动；步骤4：同步输出太敏获取的角度信息与太阳辐射计输出的测量值；步骤5：完成一个方向的测量后水平转动太阳辐射计至下一个方向测量，直至所有方向测量结束；步骤6：根据太敏光轴标定结果将太敏获取的角度值校正到太阳辐射计现场角坐标系下；步骤7：通过分段函数最小二乘拟合，获取二维视场角实测值。
星载辐射计的视场如图2所示，将视场光阑和主光阑同侧边缘相连，两侧连线的夹角为θ1，视场光阑和主光阑异测对角线夹角为θ2。太阳光入射角在±θ2角以外时，不能进入主光阑被辐射计接收腔探测到；在θ1角以外、θ2角以内时，部分被探测到；在±θ1角以内时能够全部被探测到。视场具有对称性，无遮拦视场角为2θ1，全视场角为2θ2，当太阳入射光入射角度由-θ2～θ2变化时，其接收腔收到的太阳辐射功率变化如图2所示。视场角的测量即需要获得接收腔收到的功率变化随入射光角度的变化关系。
由于视场光阑、主光阑等在加工过程中圆度误差的存在，视场角与理论值会存在一定的偏差，为了实测二维视场角，需要入射光源遍历空间入射方向。考虑到星载太阳辐射计一般均配备有太阳敏感器获取高精度太阳入射角度信息，星载太阳辐射计测量通道附近，理论上太阳辐射计测量通道光轴平行，且太敏精度可优于0.01°，故而充分利用太阳敏感器来实时获取光源入射角度。设计测量装置如图3所示。测量装置包括：经纬仪、高亮光源、电机组件及电机控制计算机、平面反射镜、待测太阳辐射计(含太阳敏感器)及其电控箱、通讯计算机。
将二维视场角分多次测量得到，每次获取一个方向的线视场，如图4所示。相邻两个方向之间的步长间隔可设置为30°。待一个方向完成测量后，水平转动太阳辐射计至下一方向测量，每个方向的测量方法是一致的，最终合成二维视场角。
理论上太敏光轴与星载太阳辐射计测量通道光轴平行，但实际可能存在一定的偏差，该偏差为一固定值，可由经纬仪测量得到。该固定偏差最终用于对太敏输出的角度信息进行修正。
调节太阳辐射计入光口平面为水平，调节平面反射镜位置保证光源出射光经反射后垂直入射至太阳辐射计入光口，光斑同时覆盖太阳辐射计入光口与太阳敏感器。该位置即为测量中的零位。每个方向的线视场测量时均以该位置为起点。
通过电机控制计算机调节电机同时转动(先顺时针后逆时针)及沿水平方向平动，保证光斑同时覆盖太阳辐射计入光口与太阳敏感器。同步记录太敏获取的角度信息与太阳辐射计输出的测量值。单边测试范围覆盖视场角设计值的5倍以上。
为了保证在调节入射光角度的过程中，光斑能够同时覆盖太阳辐射计入光口，需要同步调节平面反射镜角度与位置，需要通过电机控制计算机同步控制太阳敏感器电机转动与水平方向平移，转动与平动对应关系如下所示：
l＝h·tan(2α)
其中，α为平面反射镜顺时针转动的角度，l为平面反射镜转动轴远离光源方向水平运动的距离，h为太阳敏感器光轴与太阳辐射计光轴之间的固定偏差值。
根据太敏光轴标定结果将每一方向上太敏获取的角度值校正到太阳辐射计视场角坐标系下。
在图2中，由于无遮拦视场对应接受功率变化的拐点，故而需要通过分段函数最小二乘拟合，考虑到加工误差的存在，设定待定系数为4个，分别为斜率k，幅度b，两侧拐点a1和a2。4个系数作为一个向量进行拟合，同步拟合4个系数，方法为：
其中，|| ||2表示L2范数，x入射光角度，y为对应角度下的星载太阳辐射计测量值。拟合结果中a1～a2即为该方向无遮拦视场角。
根据图2所示的接收功率理论函数，分段函数F定义为：
图5所示即为采用本发明方法获取的单方向的无遮拦视场角拟合结果。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种星载太阳辐射计无遮拦视场角测量方法，其特征在于，包括：
步骤1：对太阳敏感器光轴进行标定；
步骤2：测量太阳敏感器光轴与太阳辐射计光轴之间的固定偏差；
步骤3：调节测量装置的位置，测量平面反射镜转动轴与太阳辐射计入光口的距离；
步骤4：调节电机转动与平动，进行测量；
步骤5：完成一个方向的测量后，水平转动太阳辐射计至下一方向继续测量，当所有方向测量结束时，执行步骤6；
步骤6：根据太阳敏感器光轴标定结果将每一方向上太阳敏感器获取的入射光偏转角度值校正到太阳辐射计视场角坐标系中；
步骤7：进行分段函数最小二乘拟合，获取每一方向的视场角实测值，并合成二维视场角。
2.根据权利要求1所述的星载太阳辐射计无遮拦视场角测量方法，其特征在于，所述步骤2包括：根据经纬仪测量安装在星载太阳辐射计测量通道附近的太阳敏感器光轴与太阳辐射计光轴之间的固定偏差。
3.根据权利要求1所述的星载太阳辐射计无遮拦视场角测量方法，其特征在于，所述步骤3包括：调节太阳辐射计入光口平面为水平，对平面反射镜位置进行调节，光源的出射光经反射后垂直射入太阳辐射计入光口，光斑同时覆盖太阳辐射计入光口与太阳敏感器。
4.根据权利要求1所述的星载太阳辐射计无遮拦视场角测量方法，其特征在于，所述测量装置包括：经纬仪、高亮光源、电机、电机控制计算机、平面反射镜、待测太阳辐射计、太阳敏感器、电控箱和通讯计算机。
5.根据权利要求1所述的星载太阳辐射计无遮拦视场角测量方法，其特征在于，所述步骤4包括：调节电机顺时针转动并同时沿水平方向平动；
调节电机逆时针转动并同时沿水平方向平动；
光源经反射后的光斑同时覆盖太阳辐射计入光口与太阳敏感器；记录太阳敏感器获取的角度信息与太阳辐射计输出的测量值。
6.根据权利要求1所述的星载太阳辐射计无遮拦视场角测量方法，其特征在于，单方向测量范围为视场角设计值的5倍及以上。
7.根据权利要求1所述的星载太阳辐射计无遮拦视场角测量方法，其特征在于，步骤4中，电机同时转动与平动的对应关系如下：
l＝h·tan(2α)
其中，α为平面反射镜顺时针转动的角度，l为平面反射镜转动轴远离光源方向水平运动的距离，h为太阳敏感器光轴与太阳辐射计光轴之间的固定偏差值；
步骤5中，相邻两个方向之间的步长间隔设置为30°。
8.根据权利要求1所述的星载太阳辐射计无遮拦视场角测量方法，其特征在于，所述步骤7中的分段函数最小二乘拟合方法为：
其中，|| ||2表示L2范数，x为步骤6中得到的入射光偏转角度，y为对应角度下的星载太阳辐射计测量值，待定系数k为斜率，b为幅度，a1和a2分别为两侧拐点，即该方向无遮拦视场角即为a1～a2，分段函数F定义为：
9.一种星载太阳辐射计无遮拦视场角测量系统，其特征在于，包括：
模块M1：对太阳敏感器光轴进行标定；
模块M2：测量太阳敏感器光轴与太阳辐射计光轴之间的固定偏差；
模块M3：调节测量装置的位置，测量平面反射镜转动轴与太阳辐射计入光口的距离；
模块M4：调节电机转动与平动，进行测量；
模块M5：完成一个方向的测量后，水平转动太阳辐射计至下一方向继续测量，当所有方向测量结束时，调用模块M6；
模块M6：根据太阳敏感器光轴标定结果将每一方向上太阳敏感器获取的入射光偏转角度值校正到太阳辐射计视场角坐标系中；
模块M7：进行分段函数最小二乘拟合，获取每一方向的视场角实测值，并合成二维视场角。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。
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| GR01 | Patent grant | ||
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