本發(fā)明涉及光機(jī)電一體化技術(shù)，光機(jī)電測(cè)量技術(shù)，具體涉及一種采用太陽(yáng)模擬器、高精度3軸轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)數(shù)字式太陽(yáng)敏感器主點(diǎn)、焦距標(biāo)定的方法。

背景技術(shù)：

數(shù)字太陽(yáng)敏感器是用來(lái)測(cè)量太陽(yáng)矢量和衛(wèi)星等航天器的體軸之間夾角的儀器。數(shù)字太敏可為空間飛行器在給定視場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行太陽(yáng)有無(wú)判斷，全姿態(tài)捕獲時(shí)，保持衛(wèi)星對(duì)日定向(慣性空間定向)，確保星上能源供應(yīng)。也可用來(lái)為其它更高精度的姿態(tài)測(cè)量敏感器(如星敏感器、紫外敏感器、紅外地球敏感器等)的視場(chǎng)提供監(jiān)護(hù)。此外，它還能用于太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡一類(lèi)的有效載荷與太陽(yáng)帆板的精確定向控制、星敏感器與紅外地平儀太陽(yáng)入射光線(xiàn)的保護(hù)控制、產(chǎn)生開(kāi)關(guān)和時(shí)標(biāo)信號(hào)，確定空間飛行器在自旋過(guò)程中的相位基準(zhǔn)，測(cè)定飛行器的自旋轉(zhuǎn)速和角度等姿態(tài)數(shù)據(jù)。

對(duì)于數(shù)字太陽(yáng)敏感器小規(guī)模量產(chǎn)、貨架產(chǎn)品化的需求，對(duì)每套產(chǎn)品需有可實(shí)施、可操作的方法對(duì)其光學(xué)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種標(biāo)定數(shù)字太陽(yáng)敏感器主點(diǎn)、焦距的方法，這種方法能夠精確標(biāo)定出數(shù)字太陽(yáng)敏感器的主點(diǎn)，可以有效的克服因數(shù)字太陽(yáng)敏感器裝配、安裝帶來(lái)的誤差導(dǎo)致最終標(biāo)定主點(diǎn)、焦距誤差較大的問(wèn)題，解決工程化、產(chǎn)品化可實(shí)施性不足的問(wèn)題。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明是通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種標(biāo)定數(shù)字太陽(yáng)敏感器主點(diǎn)、焦距的方法，其包括如下步驟：

步驟1)確定數(shù)字太陽(yáng)敏感器標(biāo)定方案

將數(shù)字太陽(yáng)敏感器架設(shè)在高精度轉(zhuǎn)臺(tái)上，使其探測(cè)器濾光片與太陽(yáng)模擬器光軸垂直，通過(guò)繞太陽(yáng)模擬器光軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)數(shù)字太陽(yáng)敏感器主點(diǎn)進(jìn)行尋找，尋找到主點(diǎn)后對(duì)通過(guò)旋轉(zhuǎn)高精度轉(zhuǎn)臺(tái)尋找數(shù)字太陽(yáng)敏感器測(cè)量坐標(biāo)系的X軸及Y軸；

步驟2)確定數(shù)字太陽(yáng)敏感器標(biāo)定模型

根據(jù)數(shù)字太陽(yáng)敏感器的特性，利用折射定律，將數(shù)字太陽(yáng)敏感器的濾光片距離探測(cè)器玻璃蓋片的距離、玻璃蓋片的厚度及玻璃蓋片距探測(cè)器光敏面的距離進(jìn)行計(jì)算；通過(guò)非線(xiàn)性方程組的求解，確定出濾光片距離探測(cè)器玻璃蓋片的距離、玻璃蓋片的厚度及玻璃蓋片距探測(cè)器光敏面的距離。

進(jìn)一步，所述的步驟1)中，通過(guò)圍繞太陽(yáng)模擬器光軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，再進(jìn)行圍繞太陽(yáng)模擬器光軸轉(zhuǎn)動(dòng)采點(diǎn)的動(dòng)作，以此進(jìn)行循環(huán)，不斷逼近主點(diǎn)。

進(jìn)一步，所述的步驟1)中，通過(guò)微調(diào)整圍繞太陽(yáng)模擬器光軸旋轉(zhuǎn)的角度，通過(guò)圍繞探測(cè)器坐標(biāo)系X軸的旋轉(zhuǎn)及圍繞探測(cè)器Y軸的旋轉(zhuǎn)，找出探測(cè)器坐標(biāo)系X軸及Y軸，遍歷整個(gè)探測(cè)器幅面，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

進(jìn)一步，所述步驟2)中，所使用探測(cè)器均采用玻璃蓋片對(duì)探測(cè)器光敏面進(jìn)行保護(hù)，探測(cè)器玻璃蓋片對(duì)數(shù)字太陽(yáng)敏感器精度影響較大，通過(guò)折射模型建立模型對(duì)其進(jìn)行修正，達(dá)到測(cè)量精度的要求。

本發(fā)明利用數(shù)字太陽(yáng)敏感器本身成像的性質(zhì)，通過(guò)實(shí)際測(cè)量的方式將數(shù)字太敏的焦距與主點(diǎn)找出。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：

物理測(cè)量方式可靠性高、可信度高、可實(shí)施性高。明確的表征了數(shù)字太陽(yáng)敏感器各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。在軌使用時(shí)，可對(duì)整星坐標(biāo)修正，數(shù)字太陽(yáng)敏感器在軌坐標(biāo)修正提供支持。

附圖說(shuō)明

以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明測(cè)量對(duì)象數(shù)字太陽(yáng)敏感器示意圖；

圖2是本發(fā)明測(cè)量對(duì)象標(biāo)定采點(diǎn)示意圖；

圖3是本發(fā)明測(cè)量對(duì)象采點(diǎn)結(jié)果示意圖；

圖4是本發(fā)明測(cè)量對(duì)象采濾光片探測(cè)器關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的一種標(biāo)定數(shù)字太陽(yáng)敏感器主點(diǎn)、焦距的方法，包括以下步驟：

1)確定數(shù)字太陽(yáng)敏感器標(biāo)定方案

將數(shù)字太陽(yáng)敏感器架設(shè)在高精度轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)繞太陽(yáng)模擬器光軸的轉(zhuǎn)動(dòng)以及對(duì)3軸轉(zhuǎn)臺(tái)的調(diào)整，使得數(shù)字太陽(yáng)敏感器探測(cè)器光敏面與太陽(yáng)模擬器光軸垂直，對(duì)數(shù)字太陽(yáng)敏感器主點(diǎn)進(jìn)行尋找。尋找到主點(diǎn)后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)高精度轉(zhuǎn)臺(tái)尋找數(shù)字太陽(yáng)敏感器測(cè)量坐標(biāo)系的X軸及Y軸。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)高精度轉(zhuǎn)臺(tái)圍繞太陽(yáng)模擬器光軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，圍繞探測(cè)器坐標(biāo)系X或探測(cè)器坐標(biāo)系Y軸旋轉(zhuǎn)，遍歷整個(gè)探測(cè)器幅面，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2)確定數(shù)字太陽(yáng)敏感器標(biāo)定模型

通過(guò)折射定律將數(shù)字太陽(yáng)敏感器焦距按照物理意義分為3個(gè)部分(濾光片下表面至探測(cè)器玻璃蓋片距離H1、玻璃蓋片厚度H2、玻璃蓋片至探測(cè)器光敏面距離H3)。通過(guò)解非線(xiàn)性方程組，對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行求解。

實(shí)施過(guò)程中，測(cè)量數(shù)字式太陽(yáng)敏感器測(cè)量坐標(biāo)系與其棱鏡坐標(biāo)系關(guān)系的方法，包括如下步驟：

步驟一：模擬數(shù)字太陽(yáng)敏感器裝星方式，將數(shù)字太陽(yáng)敏感器安裝于高精度3軸轉(zhuǎn)臺(tái)上；

步驟二：使用太陽(yáng)模擬器模擬太陽(yáng)光線(xiàn)矢量照射數(shù)字太陽(yáng)敏感器，使得數(shù)字太陽(yáng)敏感器成像工作，輸出太陽(yáng)光線(xiàn)矢量在探測(cè)器坐標(biāo)系上的光斑灰度質(zhì)心坐標(biāo)信息；

步驟三：調(diào)整3軸轉(zhuǎn)臺(tái)使得數(shù)字太陽(yáng)敏感器測(cè)量坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系正交，考慮到數(shù)字太陽(yáng)敏感器本身的精度，太陽(yáng)模擬器光軸、高精度3軸轉(zhuǎn)臺(tái)之間正交度需優(yōu)于數(shù)字式太陽(yáng)敏感器測(cè)量坐標(biāo)系精度1個(gè)數(shù)量級(jí)；

步驟四：調(diào)整3軸轉(zhuǎn)臺(tái)使得數(shù)字太陽(yáng)敏感器測(cè)量坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系正交；

步驟五：進(jìn)行標(biāo)定點(diǎn)的采集，通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)，在不同角度下，使太陽(yáng)敏感器進(jìn)行標(biāo)定點(diǎn)的采集。

步驟六：將采集的標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，帶入方程進(jìn)行計(jì)算得出相關(guān)參數(shù)；

如圖1所示，是本發(fā)明測(cè)試對(duì)象示意圖，數(shù)字太陽(yáng)敏感器包括：棱鏡、探測(cè)器濾光片及殼體。其中Z_{探測(cè)器}Z_棱鏡、X_{探測(cè)器}X_棱鏡、Y_{探測(cè)器}Y_棱鏡定義如圖1所示。2個(gè)坐標(biāo)系的3軸指向均一致。其中Z_{探測(cè)器}為數(shù)字太陽(yáng)敏感器探測(cè)器光軸，字太陽(yáng)敏感器探測(cè)器測(cè)量坐標(biāo)系與其棱鏡坐標(biāo)系均滿(mǎn)足右手法則。數(shù)字太陽(yáng)敏感器安裝于航天器或轉(zhuǎn)臺(tái)的面為平行于X_{探測(cè)器}O_{探測(cè)器}Y_{探測(cè)器}面的底面。

旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)軸，對(duì)主點(diǎn)進(jìn)行尋找。繞滾動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)360度，每0.1度進(jìn)行一次采點(diǎn)。采集后對(duì)所得點(diǎn)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)。對(duì)采集的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行集中度(絕對(duì)偏差的均值)及均值進(jìn)行計(jì)算。

其中集中度通過(guò)式1進(jìn)行計(jì)算，

其中X_AvE、y_AvE代表X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)的離散度；

X代表數(shù)字太陽(yáng)敏感器輸出的X坐標(biāo)；

Y代表數(shù)字太陽(yáng)敏感器輸出的Y坐標(biāo)；

代表數(shù)字太陽(yáng)敏感器X坐標(biāo)均值；

代表數(shù)字太陽(yáng)敏感器Y坐標(biāo)均值。

滾動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)360度采點(diǎn)并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的偏航以及俯仰方向進(jìn)行調(diào)整。使得采點(diǎn)計(jì)算的X_AvE、Y_AvE要求離散度不大于0.05個(gè)像素。

以主點(diǎn)位置為轉(zhuǎn)臺(tái)0位。標(biāo)定時(shí)將數(shù)字太陽(yáng)敏感器安裝在高精度3軸轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面上，其中轉(zhuǎn)臺(tái)安裝面與太陽(yáng)模擬器光軸垂直。旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)軸到任意一個(gè)角度，偏航方向進(jìn)行整個(gè)視場(chǎng)遍歷，進(jìn)行采點(diǎn)如圖2所示。采點(diǎn)記錄下數(shù)字太陽(yáng)敏感器輸出的坐標(biāo)值以及轉(zhuǎn)臺(tái)的滾動(dòng)、偏航以及俯仰的角度值。

出光斑相對(duì)于標(biāo)定原點(diǎn)的半徑，

式中，

r為相對(duì)于標(biāo)定原點(diǎn)的半徑，

X₀為標(biāo)定主點(diǎn)的X坐標(biāo)，

Y₀為標(biāo)定主點(diǎn)的Y坐標(biāo)。

其中，

f為焦距，

H1為探測(cè)器光敏面玻璃保護(hù)蓋的厚度，

H2為探測(cè)器玻璃蓋片到光敏面的距離；

α1為轉(zhuǎn)臺(tái)高低角，

n2為探測(cè)器光敏面玻璃保護(hù)蓋的折射率。

其中f、H1、H2為未知量，其余均為已知量。通過(guò)將數(shù)字太陽(yáng)敏感器在不同轉(zhuǎn)臺(tái)角度下測(cè)得的坐標(biāo)值帶入式2、式3進(jìn)行計(jì)算?？傻胒、H1、H2三個(gè)參數(shù)的值。

以下是數(shù)字太陽(yáng)敏感器測(cè)試實(shí)例：

找到找到該數(shù)字式太陽(yáng)敏感器的主點(diǎn)：

X0＝511.3；

Y0＝520.2；

對(duì)數(shù)字太陽(yáng)敏感器全幅面進(jìn)行采點(diǎn)，如表1所示。

表1標(biāo)定數(shù)據(jù)

將X0、Y0以及表1中的數(shù)值帶入式2、式3進(jìn)行計(jì)算?？傻?/p>

f＝4.2mm

H1＝1.50mm

H2＝0.50mm。