CN115824583A - 一种基于光纤传感的高分智能光学遥感装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤传感的高分智能光学遥感装置，包括分布式光纤传感部件、计算部件、补偿部件。分布式光纤传感部件安装在高分光学遥感系统各光学组成部件上，利用其信息能够反演构建遥感系统空间在轨力热场；计算部件用于结合在轨热力场信息构建计算模型，在轨计算力热扰动频率下的光学像移；补偿部件基于像移计算结果，通过调整像面位置补偿热致像移，通过高频获取颤振像移计算模糊核用于扰振模糊复原。本发明结构简单、安装方便，适用于空间对地观测高分光学成像质量自主提升，实现高分光学遥感系统智能化。
Description
技术领域
本发明属于卫星遥感技术领域，涉及一种智能光学遥感装置，可用于光学器件的在轨健康监测和智能调整。
背景技术
在现有高分光学遥感系统上，虽然有测温元件，包含热敏电阻、光纤测温传感器等，但基本用于控温闭环使用，每个零件依据控温回路数量设置1～3个测温元件，且分布要求为在控温回路临近即可，安装布局无序。因此其测温目的仅为控温服务，针对温度变化造成的图像模糊等质量退化，只能通过地面发指令控制调节像面，进行过焦曲线摸索来补偿，过程耗时长。更未能有效体现表面外热流、材料比热容和热导率结合下的温度梯度分布带来的温度场变化，以及进一步寻求图像热致模糊机理、在轨摄影参数漂移机理达到自主智能快速补偿。
除此之外，现有高分光学遥感系统因传统测微传感器体积较大，仅能测量光学遥感系统整体安装面的扰振，修复中高频像移存在的偏差，无法测量光学遥感系统内部各核心元件的振动情况，无法更精准的反演中高频像移。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于单光纤多测点分布式测量的高分智能光学遥感装置，可以解决高分相机在轨图像模糊、定位精度不足的补偿效率低、后处理困难等问题。
本发明的技术解决方案是：一种基于光纤传感的高分智能光学遥感装置，包括分布式光纤传感部件、计算部件、补偿部件，其中：
分布式光纤传感部件：安装在高分光学遥感系统各光学组成部件上，同时测量结构表面温度及结构力学微振动响应；
计算部件：利用分布式光纤传感部件获取的测量信息构建空间在轨三维力热场，并在此基础上计算获得低频热致像移和中高频力学颤振像移；
补偿部件：基于像移计算结果，通过调整像面位置补偿热致像移，通过中高频力学颤振像移计算模糊核用于扰振模糊复原。
进一步的，所述的测量结构表面温度为低频测量，测量频率不超过10Hz，测温精度不低于0.1℃。
进一步的，所述的测量结构力学微振动响应为中高频测量，测量频率不低于50Hz，测振精度不低于1mg。
进一步的，所述的分布式光纤传感部件在安装时，安装位置为影响成像质量及影响定位质量的关键结构表面。
进一步的，所述的影响成像质量的安装位置包括：各光学元件、空间连接光学元件的主体支撑结构、像面或者焦面。
进一步的，所述的影响定位质量的关键结构表面，除影响成像质量的安装位置均包含外，还包括星敏感器支架以及星敏感器主结构。
进一步的，所述的分布式光纤传感部件在安装时，具体安装布局依据高分光学遥感系统各光学各组成部件的不同形状和结构进行选择，
如果部件为单一的杆系，分布式光纤传感部件的安装布局为：2端各1个，中间n个等距分布；
如果部件为单一的圆形，分布式光纤传感部件的安装布局为：上下端面中心1个，圆周均布n个，边缘沿法线单线等距分布m个；
如果部件为单一的三角形或者长方形，分布式光纤传感部件的安装布局为：上下端面中心1个，顶角n个，边缘沿法线单线等距分布m个；
如果部件存在异形，则将其拆分为杆系、圆形、三角形或者长方形的组合，n和m均为正整数。
进一步的，所述的分布式光纤传感部件在安装时，最少所需光纤传感器数量minf(n,m)为：
其中，公式(1)用于杆系，公式(2)用于圆形和三角形，n是从3开始，翻倍增长，公式(3)用于长方形，n是从4开始，翻倍增长；m＝1时基于n的三点或者四点确立一个平面构建平面力热场，m＞1时则多个平面构建立体力热场。
进一步的，所述的分布式光纤传感部件在安装时，如果光纤传感器安装布局于光学元件时，剔除镜面中心的安装位置。
进一步的，所述的计算部件还依据光学遥感系统和星敏感器姿态，计算光学遥感指向、光学遥感指向与星敏感器指向夹角，完成在轨摄影测量的内定标和外定标。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明基于分布式光纤传感结合光学系统组成部件形状，能够准确测量三维温度梯度场，直接计算低频热致像移，使得星上能够自主智能控制调整像面位置进行实时补偿，无需以往基于图像预判再复判等迭代。同时，用单光纤多测点分布安装替代现有热敏电阻、热电偶，可以避免每个传感器需要1根电缆，在三维密布的情况下可以减少大量的电缆走线，避免超重，降低精密光机结构的负担；
(2)本发明装置能够准确测量三维温度梯度场，依据光学遥感系统和星敏感器姿态，计算光学遥感指向、光学遥感指向与星敏感器指向夹角，实现在轨摄影测量内定标、外定标，可以完全取代现有添加复杂星上几何定标装置的方式或者地面加入控制点的方式所导致的定位精度差的问题；
(3)本发明装置能够准确测量力学扰动场，结合光学系统模型和采样频谱计算中高频域像移，相比现有地面仅有三点电磁传感器组合测量的方式，其精细程度更高，分布更为合理有效，对扰振传递和抑制机理也更清晰。
附图说明
图1为本发明装置的组成原理框图；
图2为本发明杆系传感器布局图，图a为基础3点布局，图b为法向多点变化；
图3为本发明圆形传感器布局图，图a为法向多点变化，图b为截面多点变化；
图4为本发明三角形传感器布局图，图a为法向多点变化，图b为截面多点变化；
图5为本发明长方形传感器布局图，图a为法向多点变化，图b为截面多点变化。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，为本发明一种基于光纤传感的高分智能光学遥感装置的组成原理图，主要包括：分布式光纤传感部件、计算部件、补偿部件，其中：
分布式光纤传感部件：安装在高分光学遥感系统各光学组成部件上，可以同时测量结构表面温度及结构力学微振动响应。表面温度为低频测量，测量频率与仿真姿态变化下外热流变化剧烈情况对应，不超过10Hz；力学响应为中高频测量，测量频率与星上扰振频率对应，不低于50Hz。测量精度方面，测温精度不低于0.1℃，测振精度不低于1mg。结合精细补偿精度要求可反推像移和定位指向测量精度要求，最终对测温精度、测振精度进行确立，以构建合适精细程度的空间在轨三维力热场。
计算部件：用于构建空间在轨三维力热场，并在此基础上计算力热扰动频率下的光学像移；
补偿部件：基于像移计算结果，通过调整像面位置补偿热致像移，通过高频获取颤振像移计算模糊核用于扰振模糊复原，通过光学遥感系统与星敏感器指向计算来提升无控定位精度。
分布式光纤传感部件在安装时，安装位置为影响成像质量及定位质量的关键结构表面。影响成像质量的位置包括：各光学元件、空间连接光学元件的主体支撑结构、像面(焦面)；影响定位质量的位置除影响成像质量的位置均包含外，还包括：星敏感器支架、星敏感器主结构。
具体安装布局依据不同形状大小结构而进行选择。如果单一零件存在异形，则可视为多个形状拼成，各形状各自选择安装布局。安装布局规律为：
杆系(主结构桁架杆)：2端各1个，中间n个等距分布；
圆形(圆反射镜及镜框)：上下端面中心1个，圆周均布n个，边缘沿法线单线等距分布m个；
三角形(反射镜支撑背板)及长方形(正方形视为特殊长方形，常用于离轴反射镜、主体框架结构等)：上下端面中心1个，顶角n个，边缘沿法线单线等距分布m个。
为建立空间力热扰动下的遥感系统表面环境场，最少所需光纤传感器数量计算方法为：
其中，公式(1)用于杆系。公式(2)用于圆形和三角形，n是从3开始，翻倍增长。公式(3)用于长方形，n是从4开始，翻倍增长。m＝1时基于n的三点四点确立一个平面构建平面力热场，m＞1时则多个平面构建立体力热场。n、m的确立由长度阈值L确定，主要依据光纤解析资源和所需力热场精细程度。同一平面内相邻传感器间距、同一边缘沿法线单线相邻传感器间距超过长度阈值L，则n或m对应增长。
当该离散分布式光纤传感器安装布局于光学元件时，计算最少所需光纤传感器数量应至少剔除镜面中心。公式(4)(5)分别对应镜面光纤传感安装布局时的圆形/三角形、长方形最少所需光纤传感器数量计算方法：
在最少所需光纤传感器数量minf(n,m)基础上，如果空间内外部热源临近光学遥感系统，则可局部加密设置光纤传感器。
具体不同形状大小结构下的分布式光纤传感部件安装布局示意，见图2杆系传感器布局、图3圆形传感器布局、图4三角形传感器布局、图5长方形传感器布局。
伴随高分光学遥感系统在轨进行工作，分布式光纤传感部件将获取既定测量精度下的低频空间温度场、中高频空间力学场的数据，传输至计算部件。
计算部件依据能够准确包覆高分光学遥感系统各光学组成部件的分布式光纤传感系统，构建空间立体力热场。首先建立热梯度模型，结合结构材料计算各光学面、星敏感器安装面及主结构姿态，代入光学系统模型计算低频热致像移。同时依据光学遥感系统和星敏感器姿态，计算光学遥感指向、光学遥感指向与星敏感器指向夹角，实现在轨摄影测量内定标、外定标。然后建立力学扰动模型，结合光学面指向灵敏度、光学系统模型和采样频谱计算中高频域像移。
为体现计算准确性，结构材料性能参数依据实测温度进行自动查表检索选取该温度下的材料性能。
为避免系统存在非线性变化引入计算误差，在地面基于仿真结果进行最大边界工况的实验，对存在不确定耦合装配环节的非线性变化系统进行全测量范围的修正，确保计算精度不偏离真实状态。
关于如何根据传感器信息建立热梯度模型，具体可参见张佳斌，贺庆，张青超，光纤光栅传感器阵列在空间温度场测量中的应用[J].激光与红外，2020,50(6)：724-728或者赵照，熊建军，张平涛，等.基于分布式光纤测温的结冰风洞喷雾耙温度场测量[J].计算机测量与控制，2021,29(3)：14-22。
关于如何结合热梯度模型、各部分姿态计算低频热致像移，具体可参见刘朋朋，靳利锋，赵慧，等.低轨道遥感相机光机热一体化分析及优化设计[J].红外技术，2022,44(6)：614-621或者齐宪林.基于热-结构耦合的光学系统尺寸稳定性分析[D].西安：西安电子科技大学，2009。
关于如何计算中高频域像移，具体可参见赵伟，高青松，王海明，等.石英挠性加速度计测量航天器微振动的方法[J].航天器环境工程，2016,33(2)：199-205或者杨冬，吴蓓蓓，郝刚刚，等.分布式微振动测量及成像质量影响分析[J].导航与控制，2016,15(6)：107-112。
补偿部件依据热致像移结果，控制调整结构对像面位置多自由度调整对准，使像面物理位置满足热变形后清晰成像所需像面位置，消除热致模糊。依据中高频域像移计算像移补偿算法的模糊核，在频域内对各频点精准复原扰振模糊。依据内外自主定标结果，修正无地面控制点图像几何定位。由此实现高分光学遥感系统在轨自主测量、自主修正的智能闭环控制，确保图像清晰、无控定位准确。
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 (10)
1.一种基于光纤传感的高分智能光学遥感装置，其特征在于：包括分布式光纤传感部件、计算部件、补偿部件，其中：
分布式光纤传感部件：安装在高分光学遥感系统各光学组成部件上，同时测量结构表面温度及结构力学微振动响应；
计算部件：利用分布式光纤传感部件获取的测量信息构建空间在轨三维力热场，并在此基础上计算获得低频热致像移和中高频力学颤振像移；
补偿部件：基于像移计算结果，通过调整像面位置补偿热致像移，通过中高频力学颤振像移计算模糊核用于扰振模糊复原。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的高分智能光学遥感装置，其特征在于：所述的测量结构表面温度为低频测量，测量频率不超过10Hz，测温精度不低于0.1℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的高分智能光学遥感装置，其特征在于：所述的测量结构力学微振动响应为中高频测量，测量频率不低于50Hz，测振精度不低于1mg。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的高分智能光学遥感装置，其特征在于：所述的分布式光纤传感部件在安装时，安装位置为影响成像质量及影响定位质量的关键结构表面。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤传感的高分智能光学遥感装置，其特征在于：所述的影响成像质量的安装位置包括：各光学元件、空间连接光学元件的主体支撑结构、像面或者焦面。
6.根据权利要求5所述的一种基于光纤传感的高分智能光学遥感装置，其特征在于：所述的影响定位质量的关键结构表面，除影响成像质量的安装位置均包含外，还包括星敏感器支架以及星敏感器主结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的高分智能光学遥感装置，其特征在于：所述的分布式光纤传感部件在安装时，具体安装布局依据高分光学遥感系统各光学各组成部件的不同形状和结构进行选择，
如果部件为单一的杆系，分布式光纤传感部件的安装布局为：2端各1个，中间n个等距分布；
如果部件为单一的圆形，分布式光纤传感部件的安装布局为：上下端面中心1个，圆周均布n个，边缘沿法线单线等距分布m个；
如果部件为单一的三角形或者长方形，分布式光纤传感部件的安装布局为：上下端面中心1个，顶角n个，边缘沿法线单线等距分布m个；
如果部件存在异形，则将其拆分为杆系、圆形、三角形或者长方形的组合，n和m均为正整数。
8.根据权利要求7所述的一种基于光纤传感的高分智能光学遥感装置，其特征在于：所述的分布式光纤传感部件在安装时，最少所需光纤传感器数量minf(n,m)为：
其中，公式(1)用于杆系，公式(2)用于圆形和三角形，n是从3开始，翻倍增长，公式(3)用于长方形，n是从4开始，翻倍增长；m＝1时基于n的三点或者四点确立一个平面构建平面力热场，m＞1时则多个平面构建立体力热场。
9.根据权利要求8所述的一种基于光纤传感的高分智能光学遥感装置，其特征在于：所述的分布式光纤传感部件在安装时，如果光纤传感器安装布局于光学元件时，剔除镜面中心的安装位置。
10.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的高分智能光学遥感装置，其特征在于：所述的计算部件还依据光学遥感系统和星敏感器姿态，计算光学遥感指向、光学遥感指向与星敏感器指向夹角，完成在轨摄影测量的内定标和外定标。
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