高精度、大視場不同孔徑太陽敏感器光線引入器設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽敏感器姿態(tài)測量技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種高精度、大視場不同孔 徑太陽敏感器光線引入器設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽敏感器是空間飛行器姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)的重要組成部分,通過測量太陽光 線與太陽敏感器坐標(biāo)系的夾角實(shí)現(xiàn)空間飛行器的對日定向。太陽敏感器主要分為模擬式與 數(shù)字式,模擬式太陽敏感器結(jié)構(gòu)簡單,但精度較低且易受雜散光的影響,不適用于高精度的 姿態(tài)確定與控制系統(tǒng)。相對于模擬式太陽敏感器,數(shù)字式太陽敏感器具有較高的測量精度, 其光學(xué)系統(tǒng)可消除雜散光影響,美國JPL實(shí)驗(yàn)室于2002年提出基于MEMS工藝光學(xué)掩膜和 APS CMOS圖像傳感器的數(shù)字式太陽敏感器,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式太陽敏感器小型化,從此微型數(shù) 字式太陽敏感器得到廣泛研宄,尤其在大視場角、高精度、高分辨率以及質(zhì)心提取算法等方 面。
[0003] 在提高數(shù)字式太陽敏感器視場角及分辨率方面,有許多方法被提出并得到應(yīng)用, 主要有:透鏡法、多探測器組合法、拱形/金字塔形光線引入器法,但以上方法使系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 復(fù)雜、增大體積和功耗。邢飛等人于2013年提出了基于MEMS平面光線引入器的圖像探測 器復(fù)用技術(shù),可在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下同時(shí)獲得大視場角及高分辨率。但對于基于 小孔成像原理設(shè)計(jì)的多孔光線引入器,由于小孔衍射作用,相鄰小孔間衍射成像產(chǎn)生干涉, 在大視場情況下尤為明顯,影響圖像質(zhì)心提取精度。為解決小孔陣列由于衍射產(chǎn)生的圖像 交疊問題,鄭志敏、魏新國等人對等間距相同孔徑小孔陣列光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了衍射仿真,并根 據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的小孔尺寸及間距,但對于基于圖像探測器復(fù)用技術(shù)的數(shù)字式太陽 敏感器,不同分視場對應(yīng)不同的小孔陣列,因此需對不同分視場的小孔尺寸進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
[0005] 為此,本發(fā)明的目的在于提出一種高精度、大視場不同孔徑太陽敏感器光線引入 器設(shè)計(jì)方法,該方法可同時(shí)提高太陽敏感器視場角范圍、分辨率和太陽入射角提取精度。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的實(shí)施例提出了一種高精度、大視場不同孔徑太陽敏 感器光線引入器設(shè)計(jì)方法,包括以下步驟:S1 :設(shè)置太陽敏感器的視場角F0V以及所述光線 引入器到圖像傳感器的間距;S2 :根據(jù)所述太陽敏感器視場角F0V得到所述光線引入器單 軸邊緣入射孔最小間距;S3 :根據(jù)"惠更斯-菲涅爾"衍射積分公式對不同入射角不同尺寸 小孔衍射特性進(jìn)行仿真分析,以確定不同入射角光線引入器入射孔徑尺寸;S4 :根據(jù)衍射 光仿真圖像,確定最大仿真入射角小孔衍射光斑直徑及光線引入器入射孔組邊緣間距,其 中,所述最大仿真入射角根據(jù)所述太陽敏感器的視場角F0V得到;S5 :分別設(shè)置光線引入器 入射孔組在X軸、Y軸方向的安全間隙值,并據(jù)此計(jì)算入射孔組的中心間距;S6 :計(jì)算每組 入射孔組可測量分視場范圍以及為實(shí)現(xiàn)所述視場角F0V的測量的兩軸向所需入射孔組數(shù); S7 :判斷光線引入器兩軸向邊緣入射孔間距是否滿足步驟S2中的設(shè)計(jì)需求,如果是,則執(zhí) 行步驟S8,否則執(zhí)行步驟S3 ;S8 :根據(jù)所述不同入射角光線引入器的入射孔徑尺寸與所述 每組入射孔組可測量分視場范圍,得到不同入射孔組的孔徑尺寸;S9 :對各入射孔組中小 孔間距進(jìn)行唯一編碼,并根據(jù)編碼即孔徑尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果通過微納加工工藝加工制造得到光 線引入器。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高精度、大視場不同孔徑太陽敏感器光線引入器設(shè)計(jì)方法, 根據(jù)"惠更斯-菲涅爾"衍射積分公式對不同入射角不同尺寸小孔衍射特性進(jìn)行了仿真分 析,確定不同分視場光線引入器小孔孔徑尺寸,解決了太陽敏感器邊緣視場相鄰小孔衍射 成像模糊以及由于干涉效應(yīng)導(dǎo)致圖像交疊影響質(zhì)心提取這一問題,從而提高了太陽敏感器 視場角范圍和太陽入射角提取精度,為數(shù)字太陽敏感器高精度光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種有 實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的設(shè)計(jì)方案。
[0008] 另外,根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的高精度、大視場不同孔徑太陽敏感器光線引入器 設(shè)計(jì)方法還可以具有如下附加的技術(shù)特征:
[0009] 在一些示例中,還包括:根據(jù)所述制造得到的光線引入器對太陽敏感器進(jìn)行標(biāo)定, 以驗(yàn)證所述太陽傳感器是否滿足設(shè)計(jì)要求。
[0010] 在一些示例中,所述太陽敏感器視場角FOV的計(jì)算公式如下:
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高精度、大視場不同孔徑太陽敏感器光線引入器設(shè)計(jì)方法,其特征在于,包括w 下步驟: 51 ;設(shè)置太陽敏感器的視場角FOVW及所述光線引入器到圖像傳感器的間距; 52 ;根據(jù)所述太陽敏感器視場角FOV得到所述光線引入器單軸邊緣入射孔最小間距; 53 ;根據(jù)"惠更斯-菲涅爾"衍射積分公式對不同入射角不同尺寸小孔衍射特性進(jìn)行仿 真分析,W確定不同入射角光線引入器入射孔徑尺寸; S4;根據(jù)衍射光仿真圖像,確定最大仿真入射角小孔衍射光斑直徑及光線引入器入射 孔組邊緣間距,其中,所述最大仿真入射角根據(jù)所述太陽敏感器的視場角FOV得到; 55 ;分別設(shè)置光線引入器入射孔組在X軸、Y軸方向的安全間隙值,并據(jù)此計(jì)算入射孔 組的中屯、間距; 56 ;計(jì)算每組入射孔組可測量分視場范圍W及為實(shí)現(xiàn)所述視場角FOV的測量的兩軸向 所需入射孔組數(shù); 57 ;判斷光線引入器兩軸向邊緣入射孔間距是否滿足步驟S2中的設(shè)計(jì)需求,如果是, 則執(zhí)行步驟S8,否則執(zhí)行步驟S3 ; 58 ;根據(jù)所述不同入射角光線引入器的入射孔徑尺寸與所述每組入射孔組可測量分視 場范圍,得到不同入射孔組的孔徑尺寸; 59 ;對各入射孔組中小孔間距進(jìn)行唯一編碼,并根據(jù)編碼及孔徑尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果通過微 納加工工藝加工制造得到光線引入器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度、大視場不同孔徑太陽敏感器光線引入器設(shè)計(jì)方法, 其特征在于,還包括: 根據(jù)所述制造得到的光線引入器對太陽敏感器進(jìn)行標(biāo)定,W驗(yàn)證所述太陽敏感器是否 滿足設(shè)計(jì)要求。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度、大視場不同孔徑太陽敏感器光線引入器設(shè)計(jì)方法, 其特征在于,所述太陽敏感器視場角FOV的計(jì)算公式如下:
其中,Utet。為所述光線引入器單軸邊緣入射孔最小間距,h為光線引入器到COMS圖 像傳感器的間距,IwMDt為圖像傳感器相應(yīng)軸向長度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度、大視場不同孔徑太陽敏感器光線引入器設(shè)計(jì)方法, 其特征在于,光線引入器全部入射孔組邊緣間距相同,且所述邊緣間距為所述最大仿真入 射角小孔衍射光斑直徑的=倍。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度、大視場不同孔徑太陽敏感器光線引入器設(shè)計(jì)方法, 其特征在于,所述步驟S5進(jìn)一步包括: X軸向入射孔組中屯、間距為: d= 1-D-1 . "mx sensorx ? Y軸向入射孔組中屯、間距為: dfliy 1 sensory Dy dmax, 其中,Dx、Dy分別為光線引入器入射孔組在X軸、Y軸方向的安全間隙值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度、大視場不同孔徑太陽敏感器光線引入器設(shè)計(jì)方法, 其特征在于,所述步驟S6進(jìn)一步包括: 根據(jù)如下公式計(jì)算每組入射孔組可測量分視場范圍W及為實(shí)現(xiàn)視場角FOV的測量的 兩軸向所需入射孔組數(shù):
其中,[FOV。,F(xiàn)OVi,F(xiàn)0V2…FOV。]為每組入射孔組可測量分視場范圍,n為實(shí)現(xiàn)視場角FOV的測量單軸向所需入射孔組數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度、大視場不同孔徑太陽敏感器光線引入器設(shè)計(jì)方法, 其特征在于,所述步驟S7具體包括: 根據(jù)關(guān)系式化dm,判斷光線引入器兩軸向邊緣入射孔間距是否滿足步驟S2中 的設(shè)計(jì)需求; 若計(jì)算所得兩軸向Ipatt。?均小于步驟S2設(shè)計(jì)1。。"。,。,則判定滿足要求,繼續(xù)執(zhí)行步驟S8 ; 若計(jì)算所得兩軸向其中一個(gè)軸向Ipatt。,。大于步驟S2設(shè)計(jì)1。。"。,。,則不滿足要求,需返 回再次執(zhí)行步驟S3。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度、大視場不同孔徑太陽敏感器光線引入器設(shè)計(jì)方法, 其特征在于,所述圖像傳感器為CMOS圖像傳感器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度、大視場不同孔徑太陽敏感器光線引入器設(shè)計(jì)方法, 其特征在于,所述對各入射孔組中小孔間距進(jìn)行唯一編碼,進(jìn)一步包括: 設(shè)左孔與中孔中屯、間距為Li,中孔與右孔間距為L2; 分別對各組定位孔中的Li和L2進(jìn)行唯一編碼。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種高精度、大視場不同孔徑太陽敏感器光線引入器設(shè)計(jì)方法,包括:S1:設(shè)置太陽敏感器的視場角及光線引入器到圖像傳感器的間距;S2:計(jì)算入射孔最小間距;S3:確定不同入射角光線引入器入射孔徑尺寸;S4:確定最大入射角小孔衍射光斑直徑及入射孔組邊緣間距;S5:設(shè)置入射孔組的安全間隙值,計(jì)算其中心間距;S6:計(jì)算入射孔組可測量分視場范圍及所需入射孔組數(shù);S7:判斷入射孔間距是否滿足S2中需求,若是,執(zhí)行S8,否則執(zhí)行S3;S8:根據(jù)入射孔徑尺寸與入射孔組可測量分視場范圍得到不同入射孔組的孔徑尺寸;S9:對小孔間距進(jìn)行唯一編碼,完成光線引入器設(shè)計(jì)。本發(fā)明可同時(shí)提高太陽敏感器視場角范圍、分辨率及太陽入射角提取精度。
【IPC分類】G01C21-02
【公開號】CN104848853
【申請?zhí)枴緾N201510282773
【發(fā)明人】王賡, 邢飛, 衛(wèi)旻嵩, 尤政
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月28日