CN116793217A - 一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备，监测设备由点光源、监测镜头、四棱锥反射镜、光斑传感器和相对姿态处理单元组成。监测设备，通过实时计算分析点光源在光斑传感器上形成的光斑的质心位置变化，实现相机反射镜间相对姿态变化的实时准确监测，减小反射镜间的相对姿态误差，提高相机成像质量。

Description

一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备

技术领域

本发明涉及大口径光学相机技术领域，尤其涉及是一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备。

背景技术

随着地基望远镜、遥感卫星等成像系统的空间分辨率不断提高，其所配置的光学相机的通光口径不断增大和焦距不断增长。为了保证大口径空间光学相机的成像质量，需要保证空间光学相机各反射镜之间，尤其是主次镜之间的相对姿态精度。

大口径空间光学相机受重力变化、温度起伏等力热环境影响较大，相机反射镜间尤其是相机主镜与次镜之间距离较远，相对姿态变化较大，需要在轨实时准确监测相对姿态变化，为相机光机结构的优化设计与在轨补偿校正提供重要参考信息。

传统的大口径光学相机反射间相对姿态在轨变化分析方法主要是通过分析相机图像质量或监测镜头波前差等方法来间接评价相机反射间之间的相对姿态变化等。传统空间相机反射间相对姿态变化分析方法具有较大的局限性，主要在于：

1)传统空间光学相机反射间相对姿态变化分析方法，会受到反射镜面形误差、位置误差等多种因素的影响，反射镜间相对姿态测量精度较低；

2)传统空间光学相机反射间相对姿态变化分析方法，需要进行复杂的仿真分析，实时性较差。

发明内容

发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备，有效解决了长焦距光学相机反射镜间相对姿态高精度实时监测的问题，能够显著提高相机反射镜间相对姿态变化的测量效果，为长焦距光学相机的优化设计与在轨补偿校正提供重要参考信息。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备，包括：点光源、监测镜头、四棱锥反射镜、光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV和相对姿态处理单元；

点光源、监测镜头与相机反射镜II固连在一起；

点光源，用于发射一束发散光束，并入射到监测镜头中；

监测镜头，用于将发散光束变为会聚光束入射到四棱锥反射镜上；

四棱锥反射镜与相机反射镜I固连在一起；

四棱锥反射镜，用于接收监测镜头发射的会聚光束，将会聚光束反射后分成四束会聚光束，分别会聚于光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV上；

光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV与相机反射镜II固连在一起，光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV均布于相机反射镜II边缘，用于采集光斑图像；

相对姿态处理单元，用于根据光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV采集光斑图像，计算出光斑质心位置数据，进而计算分析相机反射镜I与相机反射镜II的相对姿态变化。

优选地，点光源为脉冲光源，点光源的发光面尺寸≤3μm，点光源的谱段范围≤30nm，单次脉冲时间≤10ms，脉冲频率不小于1Hz。

优选地，四棱锥反射镜的材料为微晶玻璃。

优选地，四棱锥反射镜反射面的面形精度优于1/50λRMS，λ为点光源的中心波长。

优选地，点光源、监测镜头、光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV与相机反射镜II之间的相对位置变化量均不大于1μm。

优选地，四棱锥反射镜与相机反射镜I之间相对位置变化量小于1μm，相对角度变化量小于0.03″。

优选地，在相机反射镜II的截面为圆形时，光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV的安装位置关于相机反射镜II的中心点对称；在相机反射镜II的截面为矩形时，矩形每个棱边中点位置分别设置有一个光斑传感器。

优选地，光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV均采用面阵传感器，像元尺寸≤10μm，感光区域A≥(L×ε/cosθ+d)；

其中，L为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV中心与四棱锥反射镜中心距离的平均值，ε为相机反射镜I与相机反射镜II间最大允许相对姿态变化量，d为光斑平均直径；θ为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV中心到四棱锥反射镜中心的连线与OXY平面之间的夹角平均值；以反射镜II的镜面中心点作为O-XYZ坐标系的原点O，X轴和Y轴位于反射镜II的镜面内，且相互垂直。

优选地，光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV上像素阵列的行方向相同且列方向相同；X轴平行于光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV上像素阵列的行方向，Y轴平行于光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV上像素阵列的列方向。

优选地，相对姿态处理单元以初始的光斑质心位置作为参考值，计算后续光斑质心位置相对参考位置的偏移量，进而得到相机反射镜I与相机反射镜II之间的相对姿态变化：

其中，ε_X′为相机反射镜I绕X′轴的角度变化量，ε_Y′为相机反射镜I绕Y′轴的角度变化量，ε_z′为相机反射镜I绕Z′轴的角度变化量；Δx₁、Δx₂、Δx₃、Δx₄分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV的光斑沿X轴方向的光斑偏移量；Δy₁、Δy₂、Δy₃、Δy₄分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV的光斑沿Y轴方向的光斑偏移量；

以反射镜I的中心为O’-X’Y’Z’坐标的原点O’，X’轴、Y’轴过原点O’且相互垂直；X’轴与X轴平行，Y’轴与Y轴平行，Z轴’与Z轴平行；

L1、L2、L3、L4分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV中心到四棱锥反射镜中心距离的设计值；θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV的中心到四棱锥反射镜中心的连线与OXY平面之间夹角的设计值；

R₁、R₂、R₃、R₄分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV的中心到坐标原点O距离的设计值。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明采用反射镜间相对姿态在轨监测设备，可以在轨实时准确监测空间相机反射镜之间的相对姿态变化；

(2)本发明采用高精度光学测量方法及高稳定性光学组件(四棱锥反射镜)，测量精度高，可以实现亚角秒级反射镜间相对姿态测量；

(3)本发明采用内部高稳定点光源，不需要借助定标场等外部参考信息，可实现在轨自主标定，可用性强，可靠性高，测量频率高、测量精度高。

(4)本发明采用四个对称分布的光斑传感器，可以减小机反射镜I与相机反射镜II之间相对位置误差的影响，提高相机反射镜I与相机反射镜II之间相对姿态测量精度。

附图说明

图1为本发明长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备的组成框图；

图2为本发明相机反射镜I上O’X’Y’平面示意图；

图3为本发明光斑传感器与相机反射镜II的布局示意图。

具体实施方式

一般来说，相机的焦距越长，相机的口径(反射镜尺寸)越大，对应的L和R越大，相对姿态测量精度越高。反射镜的间距越大，反射镜间的相对姿态变化对成像质量的影响越大。因此长焦距相机对反射镜间相对姿态测量的需求更强。短焦距相机对反射镜间相对位姿变化不敏感，可以通过反射镜支撑结构的高稳定性设计来保证反射镜间相对位姿。

本发明提出一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备，有效解决大口径长焦距光学系统反射镜间相对姿态实时高精度测量难题，对于口径长焦距光学系统反射镜的姿态调整与成像质量提升等具有重要意义。

图1是本发明一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备的组成框图。图2和图3分别本发明一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备的各单元的布局及坐标系示意图。

如图1所示，本发明一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备，包括：点光源、监测镜头、四棱锥反射镜、光斑传感器和相对姿态处理单元。

点光源、监测镜头与相机反射镜II固连在一起，点光源发射一束发散光束，并入射到监测镜头中；

监测镜头将发散光束变为会聚光束入射到四棱锥反射镜上；

四棱锥反射镜与相机反射镜I固连在一起，接收监测镜头发射的会聚光束，将会聚光束反射后分成四束会聚光束，分别会聚于光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV上；

光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV与相机反射镜II固连在一起，对称分布于相机反射镜II边缘，用于采集光斑图像；

在相机反射镜II的截面为圆形时，光斑传感器周向均布；在相机反射镜II的截面为矩形时，矩形每个棱边中点位置设置一个光斑传感器。

相对姿态处理单元，根据光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV采集光斑图像，计算出光斑质心位置数据，进而计算分析相机反射镜I与相机反射镜II的相对姿态变化。

本发明实施例中，相机反射镜通常为圆形，矩形、椭圆形等轴对称形状。以反射镜II的镜面中心点作为O-XYZ坐标系的原点O，X轴和Y轴过原点O(反射镜II中心)且相互垂直的两个对称轴，相机反射镜关于X轴对称，相机反射镜关于Y轴对称。四个光斑传感器对称分布于X轴、Y轴与反射镜边缘的交点上。

如图3所示，反射镜I的中心为O’-X’Y’Z’坐标的原点，X’轴、Y’轴是过原点(反射镜I中心)且相互垂直的两个对称轴。X’轴与X轴平行，Y’轴与Y轴平行，Z轴’与Z轴平行。

点光源为小发光面、窄波段、脉冲光源，点光源的发光面尺寸≤3μm，点光源的谱段范围≤30nm，单次脉冲时间≤10ms，脉冲频率取决于测量频率要求，一般不小于1Hz。

光斑传感器与相机反射镜II之间通过高稳定结构固连在一起；点光源、监测镜头通过高稳定结构固连在一起，并与相机反射镜II固连在一起；四棱锥反射镜与相机反射镜I之间通过高稳定结构固连在一起。

四棱锥反射镜采用微晶玻璃等高稳定性材料制作而成，四棱锥反射镜反射面的面形精度优于1/50λRMS，λ为点光源的中心波长；四棱锥反射镜与相机反射镜I之间相对位置变化量小于1μm，相对角度变化量小于0.03″。

四棱锥反射镜的四个反射面的角度与光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV位置对应，保证四棱锥反射镜的四个反射面将入射到上面的会聚光线分别反射到光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV的中心位置。

点光源、监测镜头、光斑传感器与相机反射镜II之间相对位置变化量不大于1μm。

光斑传感器采用面阵传感器，像元尺寸≤10μm，感光区域≥(L×ε/cosθ+d)，L为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV中心到四棱锥反射镜中心的平均距离，ε为相机反射镜I与相机反射镜II间最大允许相对姿态变化量，θ为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV中心到四棱锥反射镜中心的连线与OXY平面之间的平均夹角；d为光斑平均直径。

坐标系X′Y′Z′的原点O′、坐标系XYZ的原点O分别位于相机反射镜I与相机反射镜II的中心，坐标系X′Y′Z′与坐标系XYZ的对应轴互相平行。

光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV上像素阵列的行方向相同且列方向相同。X轴平行于光斑传感器上像素阵列的行方向，Y轴平行于光斑传感器上像素阵列的列方向。

相对姿态处理单元以初始的光斑质心位置作为参考值，计算后续光斑质心位置相对参考位置的偏移量，进而得到相机反射镜I与相机反射镜II之间的相对姿态变化：

其中，ε_X′为相机反射镜I绕X′轴的角度变化，ε_Y′为相机反射镜I绕Y′轴的角度变化，ε_z′为相机反射镜I绕Z′轴的角度变化；Δx₁、Δx₂、Δx₃、Δx₄分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV的光斑沿X方向的光斑偏移量；Δy₁、Δy₂、Δy₃、Δy₄分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV的光斑沿Y方向的光斑偏移量；

L1、L2、L3、L4分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV中心到四棱锥反射镜中心距离的设计值；θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV的中心与四棱锥反射镜中心连线与OXY平面之间夹角的设计值；

R₁、R₂、R₃、R₄分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV的中心到坐标原点O距离的设计值。上述值均为设计值；设计值可能有实际值略有偏差，但对相对姿态测量精度影响较小，可接受。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

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)

1.一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备，其特征在于，包括：点光源、监测镜头、四棱锥反射镜、光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV和相对姿态处理单元；

点光源、监测镜头与相机反射镜II固连在一起；

点光源，用于发射一束发散光束，并入射到监测镜头中；

监测镜头，用于将发散光束变为会聚光束入射到四棱锥反射镜上；

四棱锥反射镜与相机反射镜I固连在一起；

四棱锥反射镜，用于接收监测镜头发射的会聚光束，将会聚光束反射后分成四束会聚光束，分别会聚于光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV上；

光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV与相机反射镜II固连在一起，光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV均布于相机反射镜II边缘，用于采集光斑图像；

相对姿态处理单元，用于根据光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV采集光斑图像，计算出光斑质心位置数据，进而计算分析相机反射镜I与相机反射镜II的相对姿态变化。

2.根据权利要求1所述的一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备，其特征在于，点光源为脉冲光源，点光源的发光面尺寸≤3μm，点光源的谱段范围≤30nm，单次脉冲时间≤10ms，脉冲频率不小于1Hz。

3.根据权利要求1所述的一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态在轨监测设备，其特征在于，四棱锥反射镜的材料为微晶玻璃。

4.根据权利要求3所述的一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态在轨监测设备，其特征在于，四棱锥反射镜反射面的面形精度优于1/50λRMS，λ为点光源的中心波长。

5.根据权利要求1所述的一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备，其特征在于，点光源、监测镜头、光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV与相机反射镜II之间的相对位置变化量均不大于1μm。

6.根据权利要求1所述的一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备，其特征在于，四棱锥反射镜与相机反射镜I之间相对位置变化量小于1μm，相对角度变化量小于0.03″。

7.根据权利要求1所述的一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备，其特征在于，在相机反射镜II的截面为圆形时，光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV的安装位置关于相机反射镜II的中心点对称；在相机反射镜II的截面为矩形时，矩形每个棱边中点位置分别设置有一个光斑传感器。

8.根据权利要求1～6任意之一所述的一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备，其特征在于，光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III和光斑传感器IV均采用面阵传感器，像元尺寸≤10μm，感光区域A≥(L×ε/cosθ+d)；

其中，L为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV中心与四棱锥反射镜中心距离的平均值，ε为相机反射镜I与相机反射镜II间最大允许相对姿态变化量，d为光斑平均直径；θ为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV中心到四棱锥反射镜中心的连线与OXY平面之间的夹角平均值；以反射镜II的镜面中心点作为O-XYZ坐标系的原点O，X轴和Y轴位于反射镜II的镜面内，且相互垂直。

9.根据权利要求8所述的一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备，其特征在于，光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV上像素阵列的行方向相同且列方向相同；X轴平行于光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV上像素阵列的行方向，Y轴平行于光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV上像素阵列的列方向。

10.根据权利要求9所述的一种长焦距光学相机反射镜间相对姿态监测设备，其特征在于，相对姿态处理单元以初始的光斑质心位置作为参考值，计算后续光斑质心位置相对参考位置的偏移量，进而得到相机反射镜I与相机反射镜II之间的相对姿态变化：

其中，ε_X′为相机反射镜I绕X′轴的角度变化量，ε_Y′为相机反射镜I绕Y′轴的角度变化量，ε_z′为相机反射镜I绕Z′轴的角度变化量；Δx₁、Δx₂、Δx₃、Δx₄分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV的光斑沿X轴方向的光斑偏移量；Δy₁、Δy₂、Δy₃、Δy₄分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV的光斑沿Y轴方向的光斑偏移量；

以反射镜I的中心为O’-X’Y’Z’坐标的原点O’，X’轴、Y’轴过原点O’且相互垂直；X’轴与X轴平行，Y’轴与Y轴平行，Z轴’与Z轴平行；

L1、L2、L3、L4分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV中心到四棱锥反射镜中心距离的设计值；θ₁、θ₂、θ₃、θ₄分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV的中心到四棱锥反射镜中心的连线与OXY平面之间夹角的设计值；

R₁、R₂、R₃、R₄分别为光斑传感器I、光斑传感器II、光斑传感器III、光斑传感器IV的中心到坐标原点O距离的设计值。