CN112504122B - 星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定系统及方法，该系统采用太阳指向镜头、太阳指向探测器、位姿测量镜头、监测特征点、位姿测量探测器以及控制及处理单元构建的标定系统，直接安装于双光栅准直器上，通过分析出光轴指向变化、前后光栅阵列平面的位姿变化与光斑位置坐标变化之间的关系，通过构建多个关系式，对待标定参数的表征量进行求解即可实现指向光轴和光栅位姿的同时标定，并且本发明系统结构简单、体积小，有利于载荷量化，并且处理算法易实现，同时能够解算出双光栅准直器工作时的多种必须信息。

Description

星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定系统及方法

技术领域

本发明涉及光学和视觉测量技术领域，具体涉及一种星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定系统及方法。

背景技术

太阳耀斑研究一直都是太阳物理领域的研究热点，对于帮助解释太阳爆发活动的能量释放机制具有重大意义。

基于傅里叶变换的调制成像技术经常被用于太阳耀斑观测，该技术通过沿着入射光轴前后布置双光栅阵列平面对太阳耀斑在不同空间尺度下进行合成成像，而前后按照一定距离放置的两层光栅阵列平面被称作双光栅准直器。

双光栅准直器是将多种周期的透射式光栅按照多个角度摆放在两个平面上形成光栅阵列，沿面法线方向相距一定距离(米量级)放置，一般是安装在一个桁架承力框架的两端，前、后光栅阵列面上每个位置的光栅狭缝摆放角度一致且前、后光栅阵列面上光栅狭缝一一对齐。从成像原理来考虑，前、后双光栅的狭缝对齐精度越高，最终耀斑的成像越精确。

根据应用需求，为了准确探测到耀斑图像，需要解决两个问题：

1、由于双光栅调制成像的原理不同于传统光学直接进行成像，不能根据物象共轭关系和几何成像关系得出耀斑发生在太阳日面的图像和具体位置，因此仪器在工作时，需要准确得到设备的入射光轴偏离日面中心的距离和方向，根据此偏移量才能知道对日观测光线入射角度，对于修正耀斑爆发的位置数据意义重大，而现有的光轴标定方式完全不能适用于双光栅准直器。

2、双光栅准直器在轨工作时，由于重力卸载和空间环境温度变化，极大可能会使设备的承力框架出现微小形变，直接导致安装在其上且一一对准的前、后双光栅狭缝出现错位，对耀斑探测的精度产生极大的不利影响。因此需要在轨监测出前后光栅阵列平面的位姿关系，作为成像数据修正的依据。

发明内容

为了解决背景技术中提出的无法采用现有方式对双光栅准直器的指向光轴进行标定，以及双光栅准直器在轨工作时，前、后光栅狭缝出现错位，对耀斑探测的精度产生极大的不利影响的问题，本发明提出了一种能够同时对双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿进行精确标定的系统和方法，从而以此作为推断耀斑图像探测精度和可信度的判据。

本发明的技术思路是：

本发明实际上是一个光学视觉测量系统，区别于一般的视觉测量系统，本发明不仅能够标定仪器的入射光轴的指向，还能够实现前、后光栅阵列平面的相对位姿测量。为了实现所述的两种功能，本装置包含两套光学系统：其一为太阳指向单元，是一个长焦光学系统，仅对太阳成像，特点是将成像镜头与探测器分开，镜头安装于前光栅阵列平面，探测器同后光栅阵列平面一起安装在承力框架后端面。其二为位姿测量单元，是一个焦距相对较短且大视场的光学系统。位姿测量单元一共能采集到的四个光斑，包括一个太阳光斑和三个用于位姿测量的特征点光斑。特征点光斑是通过在前光栅阵列平面上安装三个特征点而形成，太阳光入射时形成三个一致性好且亮度稳定的均匀圆光斑。不论仪器入射光轴指向还是前后光栅阵列平面的相对位姿发生变化，都会使系统监测到的五个光斑位置发生移动，因此可以通过光斑位置的变化反向推导出仪器入射光轴和前后光栅阵列平面位姿的变化量，从而实现该太阳观测设备的指向光轴和光栅位姿的标定。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定系统包括太阳指向单元、位姿监测单元以及控制及处理单元；

太阳指向单元包括太阳指向镜头以及太阳指向探测器；

位姿监测单元包括位姿测量镜头、监测特征点、位姿测量探测器；

太阳指向探测器和位姿测量探测器集成在一起形成成像模块，并与后光栅阵列平面共同安装在双光栅准直器的承力框架后端面，因此使得成像模块与后光栅阵列平面具有相同的位姿特征；

太阳指向镜头为一个平凸透镜，安装于前光栅阵列平面上，且凸面朝向太阳指向探测器；

位姿测量镜头是由三片透镜组成的镜头，与成像模块集成为一体，且位于位姿测量探测器的正前方；

监测特征点为三个，均安装在前光栅阵列平面上，且三个监测特征点中心连线呈三角形；

控制及处理单元发出指令后开始控制成像模块中的太阳指向探测器和位姿测量探测器两次采集光斑图像，每次采集过程中太阳指向探测器用于获取一个太阳光斑A，位姿测量探测器用于获取一个太阳光斑B和三个特征点光斑C；

通过解耦两次光斑图像中对应光斑的位移量之间的关系，反向计算得到前、后光栅阵列平面的相对平移运动、相对横滚旋转运动、相对倾斜运动以及双光栅准直器相对太阳中心的指向光轴偏移量，从而实现了指向光轴和光栅位姿的标定。

此处需要进行解释说明的是：由于卫星存在姿控误差，双光栅准直器无法完全准确地正对太阳，使其指向光轴不穿过日面中心，此时相当于光线的入射方向与垂直入射方向产生偏移，且这个偏移量无法提前预知。此外，由于不存在完全刚性的支撑结构，承力框架会随着重力卸载和空间环境温度变化而产生微小形变，安装正在其上的前后光栅阵列平面的位姿关系也势必会随着承力框架的变形而发生改变。

若将双光栅准直器的垂直入射方向(即就是观测时指向光轴穿过日面中心的方向)与前后光栅阵列平面之间的位姿关系由第一幅图像的五个光斑定义，且作为初始状态，则经历上述因素的影响，会造成五个光斑相对于初始状态发生偏移，也就是说采集的第二幅图像中的五个光斑会发生改变，因此将两幅光斑图像中的五个光斑的变化量进行解算即可实现双光栅准直器中指向光轴和光栅位姿的标定。

进一步地，上述标定系统还包括位于太阳指向单元中和位姿测量单元中的能量衰减片；太阳指向单元的能量衰减片安装在成像模块上，位置位于太阳指向探测器和太阳指向镜头之间；位姿测量单元的能量衰减片是安装在前光栅阵列平面。其主要功能是为调整成像模块对太阳成像的光斑能量，使之与太阳照射毛玻璃监测特征点形成的漫射光斑的能量近似，在相同的曝光时间下，探测器采集到的光斑亮度近似，便于后期的数据处理。

进一步地，监测特征点为平面毛玻璃，选取毛玻璃作为特征点的原因是：由太阳光照亮形成的漫射光能量均匀且一致性好，通过位姿测量系统采集到的光斑质量较好，质心算法计算的坐标位置精度高且数据稳定；

进一步地，针对于位姿监测单元来说，提高测量精度的两个手段：1)增加镜头焦距；2)增大三个监测特征点之间的距离；这两个手段都会使监测特征点成像在探测器上的光斑之间的距离增大，因此最理想的情况是正好使三个毛玻璃光斑分布在位姿测量探测器对角的位置，最大化利用探测器的尺寸。根据三个监测特征点的布局特征，首先将三个毛玻璃分别靠近前光栅阵列平面的棱边放置，进一步使位姿测量探测器沿着自身轴向旋转45°放置，确保三个毛玻璃光斑均成像于位姿测量探测器的对角区域。

基于上述系统，本发明还提供了一种星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定方法，具体步骤如下：

步骤1：确定待标定的指向光轴和光栅位姿的表征量；

指向光轴为光线垂直入射双光栅准直器的方向，指向光轴的偏移量为光轴对完整日面中心方向的偏移角度；

光栅位姿包括前后光栅阵列平面的相对平移量、前后光栅阵列平面的相对横滚旋转角以及前后光栅阵列平面的相对倾斜角；

步骤2：确定造成太阳指向探测器获得的太阳光斑A，位姿测量探测器获得的太阳光斑B和三个特征点光斑C发生偏移的因素；

造成太阳光斑A发生偏移的影响因素为：太阳指向镜头与太阳指向探测器之间沿垂直于光轴方向的错位量，该错位量由前后光栅阵列平面之间的相对平移和相对横滚旋转引起；双光栅准直器相对太阳中心的指向光轴偏移量；

造成太阳光斑B发生偏移的影响因素为：后光栅阵列平面(即就是成像模块携带位姿测量镜头)的倾斜运动；双光栅准直器相对太阳中心的指向光轴偏移量；

造成三个特征点光斑C发生偏移的影响因素为：前、后光栅阵列平面的相对平移运动；前、后光栅阵列平面的相对横滚旋转运动；后光栅阵列平面(即就是成像模块携带位姿测量镜头)的倾斜运动；

步骤3：设定初始标定位置

在双光栅准直器前端通过平行光模拟太阳光照射，将平行光光线垂直双光栅准直器入射，监测特征点同样由平行光入射照亮，将此时的状态作为初始标定位置，并利用成像模块中的太阳指向探测器和位姿测量探测器开始采集光斑图像，分别获得初始标定位置时太阳光斑A的像元坐标值

太阳光斑B的像元坐标值

以及三个特征点光斑C的像元坐标值

其中i＝1,2,3；

步骤4：标定位姿监测单元的物像比例系数B；

步骤5：标定位姿监测单元的物方视场方向变化与像位移量之间的比例因子a_D(θ)；

步骤6：标定太阳指向单元的物方视场方向变化与像位移量之间的的比例因子a_S(θ)；

步骤7：求解待标定指向光轴和光栅位姿的表征量；

步骤7.1：成像模块中太阳指向探测器和位姿测量探测器再次采集光斑图像，太阳指向探测器采集太阳光斑A的像元坐标值为和

位姿测量探测器采集太阳光斑B的像元坐标值为

位姿测量探测器采集三个特征点光斑C的像元坐标值为

其中i＝1,2,3；

步骤7.2：已知初始标定位置时三个特征点光斑C的像元坐标值为

根据前光栅阵列平面的加工尺寸和型位关系，计算得到太阳指向镜头在位姿测量单元中的初始坐标为

步骤7.3：根据步骤2中三个特征点光斑C偏移的影响因素，得到方程如下：

其中

为横滚旋转矩阵，α表示前后光栅阵列平面的相对横滚旋转角，

为平移矩阵，D_X、D_Y代表前后光栅阵列平面之间的相对平移量在X与Y方向的投影，

为后光栅阵列平面的倾斜角，β_X与β_Y为该倾斜角沿X与Y方向的分解后的角度，A^T为A的转置，p_D为位姿测量探测器的像元尺寸，

表示矩阵对应元素相乘；

将上述方程进行简化，则得到：

在方程中

的值不变，可先将

当做一个整体偏移量

C_X与C_Y为该整体偏移量在X与Y方向的投影；求解该方程组即可得到前、后光栅阵列平面的相对横滚旋转角α和整体偏移量

的值，此时根据上述

的关系，可得到两个方程：

步骤7.4：根据步骤2中太阳光斑B偏移的影响因素，得到关系式：

其中，

为双光栅准直器对太阳中心的指向光轴偏移角，γ_X与γ_Y为该偏移角沿X和Y方向分解后的角度，M^T为M的转置，将方程分解到X和Y方向，得到两个方程：

步骤7.5：根据步骤2中太阳光斑A偏移的影响因素，得到关系式：

其中，

为太阳指向镜头与太阳指向探测器之间沿垂直于光轴方向的错位量，T_X与T_Y为该错位量在X和Y方向的投影，S^T为S的转置，p_S为太阳指向探测器像元尺寸，将上述方程分解到X和Y方向，得到两个方程：

太阳指向镜头与太阳指向探测器之间的错位量

是由于前、后光栅阵列平面的相对平移和相对横滚旋转引起的，根据太阳指向镜头在位姿测量单元图像坐标系下的初始坐标值，求得：

其中，

为前、后光栅阵列平面发生相对平移和横滚旋转后太阳指向镜头在位姿测量单元图像坐标系中的新坐标，从而可求得错位量

步骤7.6：结合步骤7.3中的公式(2)，求解出前、后光栅阵列平面的相对横滚旋转角α及

结合步骤7.3中的公式(3)、步骤7.4中的公式(5)以及步骤7.5中的公式(7)和(9)，求解出前、后光栅阵列平面的相对平移量(D_X、D_Y)、后光栅阵列平面的倾斜角(β_X、β_Y)以及双光栅准直器相对太阳中心的指向光轴偏移量(γ_X、γ_Y)，从而完成了双光栅准直器的指向光轴方向和光栅位姿的标定。

进一步地，上述步骤4的具体标定过程为：

步骤4.1：根据前光栅阵列平面的加工尺寸和型位关系，得到任意两个监测特征点之间的距离L；

步骤4.2：位姿测量镜头在步骤3中拍摄到所述任意两个监测特征点的光斑坐标为

与

计算得到两个监测特征点的光斑在位姿测量探测器上的距离

步骤4.3：根据公式(10)可得到系数B：

进一步地，上述步骤5的具体标定过程为：

步骤5.1：将步骤3中所述的平行光线以任意角度

入射位姿监测单元，并记录此时位姿测量探测器上的光斑坐标(x_θ,y_θ)，根据成像关系可以得到：

根据(11)式中任意一式计算可得到L_D，即位姿监测单元的像面的实际轴向位置；

步骤5.2：对式(11)两边求导并整理，可得到在当前物方视场方向下，若目标沿X和Y方向发生视场方向偏移，则偏移角与其所成像发生的位移量之间的关系，即：

其中，

具体为太阳光斑B或监测特征点光斑C(位姿监测单元仅能采集这两种光斑)在步骤3中定义的初始标定状态下所处的物方视场方向(像元坐标

为位姿监测单元垂直入射的零视场方向)，可通过式(13)具体计算：

其中的坐标(x₁,y₁)为在步骤3中采集的太阳光斑B或特征点光斑C的像元坐标值。

进一步地，上述步骤6的具体标定过程与步骤5的标定过程一致，即就是步骤6对太阳指向单元重复步骤5.1-5.2，区别仅在于所有的光斑坐标都是通过太阳指向探测器读取，θ是采用太阳光斑A获取。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用太阳指向镜头、太阳指向探测器、位姿测量镜头、监测特征点、位姿测量探测器以及控制及处理单元构建的标定系统，直接安装于双光栅准直器上，使得通过太阳指向探测器和位姿测量探测器采集的光斑坐标，实现了指向光轴和光栅位姿的同时标定，并且该标定系统结构简单、系统体积小，有利于载荷量化。

2、本发明通过分析出光轴指向变化、前后光栅阵列平面的位姿变化与光斑位置坐标变化之间的关系，通过构建多个关系式，对待标定参数的表征量进行求解即可实现指向光轴和光栅位姿的同时标定，处理算法易实现，同时能够解算出双光栅准直器工作时的多种必须信息。

附图说明

图1为双光栅准直器安装标定系统后的立体结构示意图；

图2为标定系统的成像原理示意图；

图3为太阳指向探测器采集到的太阳光斑A的示意图；

图4为位姿测量探测器采集到的太阳光斑B和三个毛玻璃光斑C的示意图；

图5参数a_D(θ)的标定原理示意图；

图6为前后光栅阵列平面发生相对横滚旋转的示意图；

图7为毛玻璃光斑C移动的影响因素示意图；

图8为毛玻璃光斑C在位姿测量探测器上的移动方向示意图；

图9为太阳光斑B移动的影响因素示意图；

图10为太阳光斑B在位姿测量探测器上的移动方向示意图；

图11为太阳光斑A移动的影响因素示意图；

图12为太阳光斑A在太阳指向探测器上的移动方向示意图。

附图标记如下：

1-承力框架、2-前光栅阵列平面、3-后光栅阵列平面、4-前光栅、5-后光栅、6-太阳指向镜头、7-太阳指向探测器、8-位姿测量镜头、9-监测特征点、10-位姿测量探测器、11-成像模块、12-能量衰减片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

双光栅准直器结构

参见图1，双光栅准直器包括承力框架1、前光栅阵列平面2与后光栅阵列平面3；前光栅阵列平面2与后光栅阵列平面3分别安装在承力框架1的两端，其上安装的前光栅4和后光栅5的狭缝是一一对齐的状态。

标定系统结构

如图1和图2所示，本发明提供的标定系统包括太阳指向镜头6、太阳指向探测器7、位姿测量镜头8、监测特征点9、位姿测量探测器10以及控制及处理单元；太阳指向镜头6和太阳指向探测器7构成太阳指向单元；位姿测量镜头8和位姿测量探测器10构成位姿监测单元

太阳指向探测器7和位姿测量探测器10集成在一起形成成像模块11，并与后光栅阵列平面3共同安装在双光栅准直器的承力框架1后端面，使得成像模块11与后光栅阵列平面3具有相同的位姿特征；

太阳指向镜头6为一个平凸透镜，安装于前光栅阵列平面2上，且凸面朝向太阳指向探测器7，太阳指向镜头6的光轴穿过太阳指向探测器7的中心，透镜的平面朝向准直器外端有助于通过光学仪器标定垂直于双光栅准直器入射的方向；

位姿测量镜头8是由三片透镜组成的镜头，安装在成像模块11上，且位于位姿测量探测器10的正前方；

监测特征点9共有三个，均安装在前光栅阵列平面2上，且三个监测特征点中心连线呈三角形；

优选地，监测特征点为平面毛玻璃，选取平面毛玻璃作为特征点的原因是：由太阳光照亮形成的漫射光能量均匀且一致性好，通过位姿测量系统采集到的光斑质量较好，质心算法判读的坐标位置精度高且数据稳定；由于最理想的情况是正好使三个毛玻璃光斑分布在位姿测量探测器对角的位置，最大化利用探测器的尺寸，因此根据三个监测特征点的布局特征，首先将三个毛玻璃分别靠近前光栅阵列平面的棱边放置，进一步使位姿测量探测器沿着自身轴向旋转45°放置，确保三个毛玻璃光斑均成像于位姿测量探测器的对角区域，如图4所示；

控制及处理单元发出指令后开始控制成像模块中的太阳指向探测器7和位姿测量探测器10两次采集光斑图像，每次采集过程中太阳指向探测器7用于获取一个太阳光斑A，如图3所示；位姿测量探测器10用于获取一个太阳光斑B和三个特征点光斑C，如图4所示；

在实际工作时，将第一幅图像的五个光斑位置作为初始状态，若双光栅准直器指向光轴方向发生偏移，或前后光栅阵列平面的位姿关系发生改变，会造成上述五个光斑相对于初始位置发生偏移，控制及处理单元通过求取光斑质心作为各个光斑的坐标位置，通过解耦两幅图像中对应光斑的位移量之间的关系，反向计算得到前、后光栅阵列平面的相对平移运动、相对横滚旋转运动、相对倾斜运动以及双光栅准直器相对太阳中心的指向光轴偏移量，从而实现了指向光轴和光栅位姿的标定。

太阳指向单元和位姿测量单元均安装有能量衰减片12(具体的是在成像模块上太阳指向探测器7前端，即太阳指向镜头6的后方安装能量衰减片，位姿测量镜头8前端的前光栅阵列平面2的对应位置安装能量衰减片12，即就是说，太阳指向单元的能量衰减片12位于成像模块11上，位姿测量单元的能量衰减片12位于前光栅阵列平面2)，主要功能为调整成像模块11对太阳成像的光斑能量，使之与太阳照射毛玻璃形成的漫射光斑的能量近似，在相同的曝光时间下，探测器采集到的光斑亮度近似，便于后期的数据处理。

标定流程

基于上述对标定系统的结构描述，现对采用该系统进行标定的方法进行介绍：

步骤1：确定待标定的指向光轴和光栅位姿的表征量；

指向光轴为光线垂直入射双光栅准直器的方向，指向光轴的偏移量为光轴对完整日面中心方向的偏移角度；

光栅位姿包括前后光栅阵列平面的相对平移量、前后光栅阵列平面的相对横滚旋转角以及前后光栅阵列平面的相对倾斜角；

步骤2：确定造成太阳指向探测器获得的太阳光斑A，位姿测量探测器获得的太阳光斑B和三个毛玻璃光斑C发生偏移的影响因素；

由于前后光栅阵列平面的位姿变化包含前后光栅阵列平面的相对平移、横滚旋转和倾斜共六种位姿变化，再考虑由于卫星姿控误差而引起的双光栅准直器指向光轴方向的偏移，可以有如下判断：

一、前、后光栅阵列平面之间发生的相对平移和横滚旋转运动时，太阳光斑A发生移动，太阳光斑B不发生移动，毛玻璃光斑C发生移动；

二、前光栅阵列平面发生的倾斜运动，反映到安装在其上的太阳指向镜头和毛玻璃在垂直于光轴方向的移动量很微小，因此此时太阳光斑A、太阳光斑B、毛玻璃光斑C移动量可忽略不计；

三、后光栅阵列平面(成像模块携带位姿测量镜头)发生的倾斜运动，会使太阳光斑B、毛玻璃光斑C发生移动，且移动的距离和方向一致，而太阳光斑A不发生移动；

四、指向光轴的偏移会使太阳光斑A、太阳光斑B发生移动，两者移动的方向一致且距离成比例，而毛玻璃光斑C不发生移动。

根据以上分析，将指向光轴或光栅位姿发生变化引起各个光斑相应的变化总结为下表，其中P表示光斑存在偏移，N表示光斑不存在偏移。前、后光栅阵列平面的相对平移运动用

表示，前、后光栅阵列平面的相对横滚旋转运动用α表示，前、后光栅阵列平面的相对倾斜运动用β表示，双光栅准直器相对太阳中心的指向光轴偏移运动用γ表示；

步骤3：设定初始标定位置

在双光栅准直器前端通过平行光模拟太阳光照射，将平行光光线垂直双光栅准直器入射，毛玻璃同样由平行光入射照亮，将此时的状态作为初始标定位置；通电指令加载，成像模块11通电初始化；成像模块11自动选择曝光时间并拍摄图像；

利用成像模块11中的太阳指向探测器7和位姿测量探测器10开始采集光斑图像，分别获得初始标定位置时太阳光斑A的像元坐标值

太阳光斑B的像元坐标值

以及三个特征点光斑C的像元坐标值

其中i＝1,2,3；

步骤4：标定位姿监测单元的物像比例系数B；该比例系数B也即是位姿测量镜头8拍摄的前光栅阵列平面2上的目标发生单位平移量后，造成其成像在位姿测量探测器10上的像发生的移动量；

步骤4.1：根据前光栅阵列平面2的加工尺寸和型位关系，得到任意两个毛玻璃之间的距离L；

步骤4.2：位姿测量镜头8在步骤3中拍摄到所述任意两个毛玻璃的光斑坐标为

与

计算得到两个毛玻璃的光斑在位姿测量探测器10上的距离

步骤4.3：根据公式(1)可得到系数B：

步骤5：标定位姿监测单元的物方视场方向变化与像位移量之间的比例因子a_D(θ)，即是目标在位姿测量镜头8的物方视场方向发生偏移后，该偏移角与目标成像在位姿测量探测器10上的像发生的移动量之间的系数关系，是一个与目标当前所处的物方视场位置θ有关的函数；

步骤5.1：如图5所示，将步骤3中所述的平行光线以任意角度

入射位姿监测单元，并记录此时位姿测量探测器10上的光斑坐标(x_θ,y_θ)，根据成像关系可以得到：

根据(2)式中任意一式计算可得到L_D，即位姿监测单元的像面的实际轴向位置；

步骤5.2：对式(2)两边求导并整理，可得到在当前物方视场方向下，若目标沿X和Y方向发生视场方向偏移，则偏移角与其所成像发生的位移量之间的关系，即：

其中，

具体为太阳光斑B或毛玻璃光斑C在步骤3中定义的初始标定状态下所处的物方视场方向，可通过式(4)具体计算：

其中的坐标(x₁,y₁)为在步骤3中采集的太阳光斑B或毛玻璃光斑C的像元坐标值；

在对毛玻璃光斑C进行a_D(θ)求取时，由于三个毛玻璃光斑的布局特点(都处在探测器的顶角附近)，各自求取的a_D(θ)值会很接近，因此可选取任意一个毛玻璃光斑的坐标来计算a_D(θ)，为了提高精度，也可以分别计算出三个毛玻璃光斑C的a_D(θ)值再求平均的方式来获取；

特殊地，对于太阳光斑B，(x₁,y₁)就是

本身就是位姿监测单元的零视场方向，即θ为零，因此公式(3)可简化为：

步骤6：标定太阳指向单元的物方视场变化与像位移量之间的的比例因子a_S(θ)，该比例因子即是目标在太阳指向镜头的物方视场方向发生偏移后，该偏移量与目标成像在太阳指向探测器上的像发生的移动量之间的系数，是一个与目标当前所处的物方视场位置θ有关的函数；

a_S(θ)的标定过程与a_D(θ)一致，即针对于太阳指向单元重复步骤5.1-5.2，区别仅在于所有的光斑坐标都是通过太阳指向探测器7读取，θ的具体计算是针对于太阳光斑A(太阳指向单元仅能采集这种光斑)，且其本身就是太阳指向单元的零视场方向，即θ为零，因此有：

其中L_S的求取方法与公式(2)一致；

步骤7：求解待标定指向光轴和光栅位姿的表征量，完成标定。

步骤7.1：利用成像模块11再次采集光斑图像，太阳指向探测器7采集太阳光斑A的像元坐标值为和

位姿测量探测器10采集太阳光斑B的像元坐标值为

位姿测量探测器10采集三个毛玻璃光斑C的像元坐标值为

其中i＝1,2,3；

步骤7.2：已知初始标定位置时三个毛玻璃光斑C的像元坐标值为

根据前光栅阵列平面2的加工尺寸和型位关系，计算得到太阳指向镜头6在位姿测量单元中的初始坐标为

步骤7.3：如图6、7和8所示，毛玻璃光斑C的移动受三方面因素影响：前后光栅阵列平面的相对平移运动；前后光栅阵列平面的相对横滚旋转运动；后光栅阵列平面(成像模块携带位姿测量镜头)的倾斜运动；建立方程如下：

其中

为横滚旋转矩阵，α表示前后光栅阵列平面的相对横滚旋转角，

为平移矩阵，D_X、D_Y代表前后光栅阵列平面之间的相对平移量在X与Y方向的投影，

为后光栅阵列平面(成像模块携带位姿测量镜头)的倾斜角，β_X与β_Y为该倾斜角沿X与Y方向分解后的角度，A^T为A的转置，p_D为位姿测量探测器的像元尺寸，

表示矩阵对应元素相乘；

将上述方程(7)进行简化，则得到：

在方程中

的值不变，可先将

当做一个整体偏移量

C_X与C_Y为该整体偏移量在X与Y方向的投影。求解该方程组即可得到横滚旋转角α和整体偏移量

的值，此时根据上述

的关系，可重新得到两个方程：

步骤7.4：如图9和10所示，因前后两次采集的太阳光斑B的像元坐标移动量受后光栅阵列平面(成像模块携带位姿测量镜头)的倾斜运动与双光栅准直器指向光轴方向的偏移两方面的影响，可以得到关系式：

其中，

为双光栅准直器对太阳中心的指向光轴偏移角，γ_X与γ_Y为该偏移角沿X与Y方向分解后的角度，M^T为M的转置，将方程分解到两个方向，得到两个方程：

步骤7.5：如图11和12所示，太阳光斑A移动受两方面因素影响：太阳指向镜头与太阳指向探测器之间沿垂直于光轴方向的错位量以及双光栅准直器指向光轴方向的偏移；建立前后两次采集的太阳光斑A的像元坐标移动量与其影响因素之间的关系：

其中，

为太阳指向镜头与太阳指向探测器之间沿垂直于光轴方向的错位量，T_X与T_Y为该错位量在X和Y方向的投影，S^T为S的转置，p_S为太阳指向探测器像元尺寸，将方程分解到X和Y方向，得到两个方程：

太阳指向镜头与太阳指向探测器之间的错位量

是由于前后光栅阵列平面的相对平移和相对横滚旋转引起的，因此根据太阳指向镜头在位姿测量单元图像坐标系下的初始坐标值，可以求得：

其中，

为前、后光栅阵列平面发生相对平移和横滚旋转后太阳指向镜头在位姿测量单元图像坐标系中的新坐标，从而可求得错位量

步骤7.6：结合步骤7.3中的公式(2)，求解出前、后光栅阵列平面的相对横滚旋转角α及

结合步骤7.3中的公式(9)、步骤7.4中的公式(11)以及步骤7.5中的公式(13)和(15)，求解出前、后光栅阵列平面的相对平移量(D_X、D_Y)、后光栅阵列平面的倾斜角(β_X、β_Y)以及双光栅准直器相对太阳中心的指向光轴偏移量(γ_X、γ_Y)，至此，就完成了双光栅调制成像仪器的指向光轴方向和前后光栅位姿的标定。

以上算法同时标定了指向光轴和光栅位姿。此处对于位姿测量结论须有一个说明：本发明忽略了前光栅阵列平面倾斜的影响，不仅是因为前光栅阵列平面的小量倾斜运动引起太阳指向镜头和毛玻璃在物方的运动量很小，且从仪器的应用层面来说，阵列平面的小量倾斜运动使双光栅狭缝产生的错位量很小，当仪器在进行太阳耀斑观测时，几乎不引入成像误差，因此前光栅阵列平面倾斜——此微量难以测量且造成的影响很小的运动就进行了忽略。

Claims (7)

1.一种星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定系统，其特征在于：包括太阳指向单元、位姿监测单元以及控制及处理单元；

太阳指向单元包括太阳指向镜头以及太阳指向探测器；

位姿监测单元包括位姿测量镜头、监测特征点、位姿测量探测器；

太阳指向探测器和位姿测量探测器集成在一起形成成像模块，并与后光栅阵列平面共同安装在双光栅准直器的承力框架后端面，因此使得成像模块与后光栅阵列平面具有相同的位姿特征；

太阳指向镜头为一个平凸透镜，安装于前光栅阵列平面上，且凸面朝向太阳指向探测器；

位姿测量镜头是由三片透镜组成的镜头，与成像模块集成为一体，且位于位姿测量探测器的正前方；

监测特征点为三个，均安装在前光栅阵列平面上，且三个监测特征点分别靠近前光栅阵列平面的棱边放置，三个监测特征点中心连线呈三角形，位姿测量探测器沿着自身轴向旋转45°放置；

控制及处理单元发出指令后开始控制成像模块中的太阳指向探测器和位姿测量探测器两次采集光斑图像，每次采集过程中太阳指向探测器用于获取一个太阳光斑A，位姿测量探测器用于获取一个太阳光斑B和三个特征点光斑C；

通过解耦两次光斑图像中对应光斑的位移量之间的关系，反向计算得到前、后光栅阵列平面的相对平移运动、相对横滚旋转运动、相对倾斜运动以及双光栅准直器相对太阳中心的指向光轴偏移量，从而实现了指向光轴和光栅位姿的标定。

2.根据权利要求1所述的星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定系统，其特征在于：所述标定系统还包括位于太阳指向单元中和位姿测量单元中的能量衰减片；

太阳指向单元的能量衰减片安装在成像模块上，位置位于太阳指向探测器和太阳指向镜头之间；位姿测量单元的能量衰减片是安装在前光栅阵列平面。

3.根据权利要求2所述的星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定系统，其特征在于：所述监测特征点为毛玻璃，其由太阳照射后形成漫射亮斑。

4.一种星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的标定系统，具体实施步骤如下：

步骤1：确定待标定的指向光轴和光栅位姿的表征量；

指向光轴为光线垂直入射双光栅准直器的方向，指向光轴的偏移量为光轴对完整日面中心方向的偏移角度；

光栅位姿包括前后光栅阵列平面的相对平移量、前后光栅阵列平面的相对横滚旋转角以及前后光栅阵列平面的相对倾斜角；

步骤2：确定造成太阳指向探测器获得的太阳光斑A，位姿测量探测器获得的太阳光斑B和三个特征点光斑C发生偏移的因素；

造成太阳光斑A发生偏移的影响因素为：太阳指向镜头与太阳指向探测器之间沿垂直于光轴方向的错位量，该错位量由前后光栅阵列平面之间的相对平移和相对横滚旋转引起；双光栅准直器相对太阳中心的指向光轴偏移量；

造成太阳光斑B发生偏移的影响因素为：后光栅阵列平面的倾斜运动；双光栅准直器相对太阳中心的指向光轴偏移量；

造成三个特征点光斑C发生偏移的影响因素为：前、后光栅阵列平面的相对平移运动；前、后光栅阵列平面的相对横滚旋转运动；后光栅阵列平面的倾斜运动；

步骤3：设定初始标定位置；

在双光栅准直器前端通过平行光模拟太阳光照射，将平行光光线垂直双光栅准直器入射，监测特征点同样由平行光入射照亮，将此时的状态作为初始标定位置，并利用成像模块中的太阳指向探测器和位姿测量探测器开始采集光斑图像，分别获得初始标定位置时太阳光斑A的像元坐标值

太阳光斑B的像元坐标值

以及三个特征点光斑C的像元坐标值

其中i＝1,2,3；

步骤4：标定位姿监测单元的物像比例系数B；

步骤5：标定位姿监测单元的物方视场方向变化与像位移量之间的比例因子a_D(θ)；

步骤6：标定太阳指向单元的物方视场方向变化与像位移量之间的的比例因子a_S(θ)；

步骤7：求解待标定指向光轴和光栅位姿的表征量；

步骤7.1：成像模块中太阳指向探测器和位姿测量探测器再次采集光斑图像，太阳指向探测器采集太阳光斑A的像元坐标值为和

位姿测量探测器采集太阳光斑B的像元坐标值为

位姿测量探测器采集三个特征点光斑C的像元坐标值为

其中i＝1,2,3；

步骤7.2：已知初始标定位置时三个特征点光斑C的像元坐标值为

根据前光栅阵列平面的加工尺寸和型位关系，计算得到太阳指向镜头在位姿测量单元中的初始坐标为

步骤7.3：根据步骤2中三个特征点光斑C偏移的影响因素，得到方程如下：

其中

为横滚旋转矩阵，α表示前后光栅阵列平面的相对横滚旋转角，

为平移矩阵，D_X、D_Y代表前后光栅阵列平面之间的相对平移量在X与Y方向的投影，

为后光栅阵列平面的倾斜角，β_X与β_Y为该倾斜角沿X与Y方向的分解后的角度，A^T为A的转置，p_D为位姿测量探测器的像元尺寸，

表示矩阵对应元素相乘；

将上述方程进行简化，则得到：

在方程中

的值不变，可先将

当做一个整体偏移量

C_X与C_Y为该整体偏移量在X与Y方向的投影；求解该方程组即可得到前、后光栅阵列平面的相对横滚旋转角α和整体偏移量

的值，此时根据上述

的关系，可得到两个方程：

步骤7.4：根据步骤2中太阳光斑B偏移的影响因素，得到关系式：

其中，

为双光栅准直器对太阳中心的指向光轴偏移角，γ_X与γ_Y为该偏移角沿X和Y方向分解后的角度，M^T为M的转置，将方程分解到X和Y方向，得到两个方程：

步骤7.5：根据步骤2中太阳光斑A偏移的影响因素，得到关系式：

其中，

为太阳指向镜头与太阳指向探测器之间沿垂直于光轴方向的错位量，T_X与T_Y为该错位量在X和Y方向的投影，S^T为S的转置，p_S为太阳指向探测器像元尺寸，将上述方程分解到X和Y方向，得到两个方程：

太阳指向镜头与太阳指向探测器之间的错位量

是由于前、后光栅阵列平面的相对平移和相对横滚旋转引起的，根据太阳指向镜头在位姿测量单元图像坐标系下的初始坐标值，求得：

其中，

为前、后光栅阵列平面发生相对平移和横滚旋转后太阳指向镜头在位姿测量单元图像坐标系中的新坐标，从而可求得错位量

步骤7.6：结合步骤7.3中的公式(2)，求解出前、后光栅阵列平面的相对横滚旋转角α及

结合步骤7.3中的公式(3)、步骤7.4中的公式(5)以及步骤7.5中的公式(7)和(9)，求解出前、后光栅阵列平面的相对平移量(D_X、D_Y)、后光栅阵列平面的倾斜角(β_X、β_Y)以及双光栅准直器相对太阳中心的指向光轴偏移量(γ_X、γ_Y)，从而完成了双光栅准直器的指向光轴方向和光栅位姿的标定。

5.根据权利要求4所述的星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定方法，其特征在于：所述步骤4的具体标定过程为：

步骤4.1：根据前光栅阵列平面的加工尺寸和型位关系，得到任意两个监测特征点之间的距离L；

步骤4.2：位姿测量镜头在步骤3中拍摄到所述任意两个监测特征点的光斑坐标为

与

计算得到两个监测特征点的光斑在位姿测量探测器上的距离

步骤4.3：根据公式(10)可得到系数B：

6.根据权利要求4所述的星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定方法，其特征在于：所述步骤5的具体标定过程为：

步骤5.1：将步骤3中所述的平行光线以任意角度

入射位姿监测单元，并记录此时位姿测量探测器上的光斑坐标(x_θ,y_θ)，根据成像关系可以得到：

根据(11)式中任意一式计算可得到L_D，即位姿监测单元的像面的实际轴向位置；

步骤5.2：对式(11)两边求导并整理，可得到在当前物方视场方向下，若目标沿X和Y方向发生视场方向偏移，则偏移角与其所成像发生的位移量之间的关系，即：

其中，

具体为太阳光斑B或特征点光斑C在步骤3中定义的初始标定状态下所处的物方视场方向，可通过式(13)具体计算：

其中，坐标(x₁,y₁)为在步骤3中采集的太阳光斑B或特征点光斑C的像元坐标值。

7.根据权利要求4所述的星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定方法，其特征在于：所述步骤6的具体标定过程与步骤5的标定过程一致。

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