一種多視場複合光學敏感器的標定裝置及方法

2023-06-06 11:08:56 1

一種多視場複合光學敏感器的標定裝置及方法
【專利摘要】本發明提供一種多視場複合光學敏感器的標定裝置及方法，所述裝置包括三軸高精度轉臺、單星星光模擬器、用於支撐單星模擬器的大理石平臺、數據處理計算機以及多視場複合光學敏感器；本發明建立了多視場複合光學敏感器星光入射矢量、反射矢量以及透視投影成像的模型，利用兩步法，分別對單敏感器和複合光學敏感器進行標定。通過本發明的測量裝置和方法，可以測量出多視場複合光學敏感器光學系統的各項參數以及安裝參數。
【專利說明】一種多視場複合光學敏感器的標定裝置及方法

【技術領域】
[0001] 本發明提供一種多視場複合光學敏感器的標定裝置與方法，屬於航天測量技術。

【背景技術】
[0002] 多視場複合光學敏感器是一種新型的航天測量儀器，它利用多個虛擬視場同時對 近地天體（如地球、月球）和恆星成像，為空間飛行器提供姿態和位置信息。一般自主天 文導航系統是通過多種光學敏感器（如星敏感器、太陽敏感器、紅外地平儀、紫外月球敏感 器）組合的方式來確定太空飛行器的空間位置和姿態。多視場複合光學敏感器將這些基於同一 光學原理的敏感器在功能上進行複合，實現了 "一敏多用"。該敏感器的具體實現方式見專 利"一種多視場複合光學敏感器標定裝置與方法（專利號ZL201310631365.X)"。其具體實 現原理為：多視場複合光學敏感器的光學系統由四稜鏡和透鏡組成，根據光學反射原理將 CMOS成像面分割成不重疊的多個成像區域，由此虛擬出多個觀測視場，並分別對恆星和近 地天體成像；然後經過系統的圖像預處理程序可以得到星點質心和地球邊緣等信息；數據 處理系統利用這些信息進行星圖識別以及導航結算，計算出太空飛行器的導航信息。其原理示 意圖如圖1所示。
[0003] 光學敏感器在投入使用前必須要測定其內外參數，稱之為光學敏感器的標定。多 視場複合光學敏感器在結構原理上類似於具有四個虛擬視場的星敏感器，所以其標定可以 採用星敏感器的標定方法。傳統星敏感器的標定方法通常採用基於二軸轉臺和單星模擬器 的標定法，它主要利用了星光為平行光的特點，對星敏感器的參數進行統一建模，其具體標 定過程見專利'一種星敏感器內外元素校準方法（專利號ZL2005101125537) '。
[0004] 這種方法現在普遍應用於傳統星敏感器的標定以及精度測試，但是對於新型多視 場複合光學敏感器，這種傳統標定方法不再適用，其主要原因有以下幾點：
[0005] (1)新型多視場複合光學敏感器的四個虛擬視軸朝向四個不同的方向，進光口與 光軸近於垂直狀態，在兩軸狀態條件下無法安裝，而且兩軸轉臺無法按照標定要求運動使 星點線性的布滿整個視場。
[0006] (2)多視場複合光學敏感器的光學系統包含光學稜鏡、透鏡和成像器件，其參數更 為複雜。由於稜鏡參數和敏感器安裝參數、透鏡參數相耦合類似，在採用傳統標定方法進行 統一建模計算時，會造成計算過程無法收斂或者擬合精度極低。
[0007] 由於裝置、建模和計算方法的限制，傳統的基於二軸轉臺的星敏感器標定方法不 適用於新型多視場複合光學敏感器的標定。


【發明內容】

[0008] 本發明的技術解決問題：針對多視場複合光學敏感器的標定存在的問題，提供一 種新型多視場複合光學敏感器的標定裝置與方法，對多視場複合光學敏感器分為單敏感器 標定和複合光學敏感器整體標定兩部分，並進行分別建模計算，利用非線性擬合方法迭代 出參數的最佳估計值。
[0009] 本發明的技術方案是：一種多視場複合光學敏感器的標定裝置，包括三軸高精度 轉臺、用於支撐單星星光模擬器的大理石平臺、用於模擬星光入射的單星星光模擬器、多視 場複合光學敏感器以及數據處理計算機。其中單星星光模擬器水平安裝在大理石平臺上， 多視場複合光學敏感器安裝在三維高精度轉臺上，複合光學敏感器的視軸平行於三軸高精 度轉臺的內軸，單星星光模擬器發出的星光方向垂直於三軸高精度轉臺的中軸。
[0010] 一種多視場複合光學敏感器的標定方法，分兩步進行，分別為單敏感器標定與復 合敏感器整體標定，所述單敏感器是指多視場複合光學敏感器除去光學稜鏡的部分；在進 行第一步單敏感器標定後得到單敏感器的安裝參數和內部參數，將結果代入第二步複合 敏感器整體標定中參與迭代計算，利用非線性最小二乘法擬合出稜鏡參數，其實現步驟如 下：
[0011] ⑴單敏感器的標定
[0012] 利用三軸轉臺來標定單敏感器，在進行第一步單敏感器單元的標定時，多視場光 學敏感器不安裝光學稜鏡（稱之為單敏感器），調整三軸轉臺中軸，使單敏感器的視軸與單 星模擬器星光入射方向平行，通過傳統標定方法可以得到單敏感器的安裝誤差矩陣，焦距， 光學主點以及鏡頭畸變係數參數，具體過程參見"一種星敏感器內外元素校準方法"（專利 號 ZL2005101125537)。
[0013] (2)多視場複合光學敏感器的整體標定
[0014] 在步驟（1)的基礎上，保持單敏感器的安裝位置不變並正確安裝光學四稜鏡，調 整三軸轉臺使得複合光學敏感器的視軸與單星模擬器的星光入射方向相垂直，並按如下步 驟進行標定；
[0015] (2. 1)建立測量坐標系
[0016] 建立敏感器坐標系和三軸轉臺零位坐標系，其中敏感器坐標系與三軸轉臺零位坐 標系之間的轉換關係可由三軸轉臺轉過的角度確定；
[0017] 敏感器坐標系M定義為：原點Om為多視場複合光學敏感器鏡頭的光學中心，X m與 圖像傳感器行方向平行，Ym與圖像傳感器列方向平行，Zm沿星敏感器鏡頭的光軸方向，由右 手定則確定，記作：Om-XmYmZm;
[0018] 轉臺零位坐標系N定義為：零位狀態下由轉臺迴轉軸確定的坐標系，原點為轉臺 的迴轉中心，X,為三軸轉臺內框軸轉軸，Y,為轉臺中框軸轉軸，Z,為三軸軸轉臺外框軸轉軸 確定，記作也-XJA ;
[0019] (2. 2)稜鏡入射矢量建模
[0020] 定義從單星星光模擬器發出併入射到光學四稜鏡表面上的星光矢量為稜鏡入射 矢量V1。影響稜鏡入射矢量的因素主要包括星光矢量初始對準偏差Vtl、敏感器安裝偏差R w和轉臺轉換矩陣&，它們之間關係為：
[0021] V1 = WV0

【權利要求】
1. 一種多視場複合光學敏感器的標定裝置，其特徵在於包括：三軸高精度轉臺、單星 星光模擬器、用於支撐單星模擬器的大理石平臺、數據處理計算機以及多視場複合光學敏 感器；其中單星星光模擬器水平安裝在大理石平臺上，多視場複合光學敏感器安裝在三維 高精度轉臺上，複合光學敏感器的主視軸平行於三軸高精度轉臺的內軸，單星星光模擬器 發出的星光方向垂直於三軸高精度轉臺的中軸。
2. -種多視場複合光學敏感器的標定方法，其特徵在於：多視場複合光學敏感器的標 定分兩步進行，分別為單敏感器標定與複合敏感器整體標定，所述單敏感器是指多視場復 合光學敏感器除去光學稜鏡的部分；在進行第一步單敏感器標定後得到單敏感器的安裝參 數和內部參數，將結果代入第二步複合敏感器整體標定中參與迭代計算，利用非線性最小 二乘法擬合出稜鏡參數，具體實現步驟如下： (1) 單敏感器的標定 利用三軸轉臺來標定單敏感器，在進行第一步標定時，多視場光學敏感器不安裝光學 稜鏡，稱之為單敏感器。調整三軸轉臺中軸，使單敏感器的視軸與單星模擬器星光入射方向 平行，利用星敏感器的標定方法得到單敏感器的安裝誤差矩陣，焦距，光學主點以及鏡頭畸 變係數等參數； (2) 多視場複合光學敏感器的整體標定 在步驟（1)的基礎上，保持單敏感器的安裝位置不變並正確安裝光學四稜鏡，調整三 軸轉臺使得複合光學敏感器的視軸與單星模擬器的星光入射方向相垂直，並按如下步驟進 行標定； (2. 1)建立測量坐標系 建立敏感器坐標系和三軸轉臺零位坐標系，其中敏感器坐標系與三軸轉臺零位坐標系 之間的轉換關係由三軸轉臺轉過的角度確定； 敏感器坐標系M定義為：原點Om為多視場複合光學敏感器鏡頭的光學中心，Xm與圖像 傳感器行方向平行，Ym與圖像傳感器列方向平行，Zm沿星敏感器鏡頭的光軸方向，由右手定 則確定，記作：〇m_XmYmZm ; 轉臺零位坐標系N定義為：零位狀態下由轉臺迴轉軸確定的坐標系，原點為轉臺的回 轉中心，X,為三軸轉臺內框軸轉軸，Y,為轉臺中框軸轉軸，Z,為三軸轉臺外框軸轉軸確定， 記作：〇r_XrYrZr ; (2. 2)稜鏡入射矢量建模 定義從單星星光模擬器發出併入射到光學四稜鏡表面上的星光矢量為稜鏡入射矢量Vi。影響稜鏡入射矢量的因素包括星光矢量初始對準偏差％、敏感器安裝偏差Rw和轉臺轉 換矩陣艮，它們之間關係為： Vi=Rr*Rw*V0 令
，經計算可以得到： vn = z〇cos a cos ^ cos co2+z^in a cos ^ cos co 2+z2sin ^ cos co 2+z3cos a cos^ cosco^i nc〇2 +z4sinacos3coscopinco2+z5sin3coscopinco2+z6cosacos3sincopinco2 +z7sinacos 3sincopinco2+z8sin3 sincopinco2 v12 = _z0cosapos3sinco2-ZiSinacos3sinco2_z2sin3sinco2+z3cosapos3cosco丄cosco2 +z4sinacos ^cosco^osco2+z5sin^ cosco^osco2+z6cosacos ^sinco^osco2 +z7sinacos3sincofosco2+z8sin3sincofosco2 v13 = _z3cosacos3sinco「Zqsinacos3sinco「ZsSin3sincoi+ZgCosacos3cosco丄 +z7sinacos3coscoi+ZsSin3cosco丄 其中a，0為星光矢量在坐標系N中的類赤經和類赤緯；Z(l?z8SRw矩陣自左上至 右下的元素，其值經第（1)步標定得到；％為轉臺從零位狀態繞中軸的旋轉角，《2為轉臺 從零位繞外軸的旋轉角； (2. 3)稜鏡反射矢量建模 定義經四稜鏡表面反射後進入光學透鏡的矢量為稜鏡反射矢量影響稜鏡反射矢量 的因素包括對應稜鏡平面的法向量&，設為視場1、稜鏡入射向量'， 根據平面反射原理得到它們之間的關係為：
令
_經計算可以得到： rx =sin^ (z2cosco2+z5cosco^inco2+z8sinco^inco2+cosacos^ (z〇cosco2+z3coscoxs inc〇2+ z6sincopinco2)+cos3sina(zfoscoi+ZqCoscopinco2+z7sincopinco2)-cos由cosY( 2sin (sin3 (ZsCoscOfZsSincoJ+cosacos^ (ZeCoscOfZgSincoJ+cos^sina(zfoscOfZq sinco汐） +2cos4>siny(sin^ (z5cosco^osco2-z2sinco2+z8cosco2sincox)+cosacos^ (z3cosco iCOS co 2 _z0sinco2+z6cosco2sinco)+cos3sina(z4coscofosco2-ZiSinco2+z7cosco2sinco)) +2cos4>cosy(sin3 (ZgCosc^+ZsCoscOiSinc^+ZsSincOiSincoJ+cosacos^ (z0cos c〇2 +z3coscoxsinco2+z6sinco^inco2)+cos^sina(z^osco2+z4cosco^inco2+z7sinco^in c〇2))) r2 =sin3(z5coscofosco2_z2sinco2+z8cosco2sincoJ+cosacos3(z3coscoposco2_z0 sinco# z6cosco2sincoJ+cos3sina(z4coscofosco4-ZiSinco2+z7cosco2sinco)-cos由sinY(2sin4>(sin3 (ZsCoscOfZsSincoJ+cosacos^ (ZeCoscOfZgCosc^+cos^sina(z7co sco「 z4sin co x)) +2cos sin y (sin ^ (z5cos co ^os co 2-z2sin co 2+z8cos co 2sin co x) +cos a cos (z3cos co fos co 2_z0sin co 2+z6cos co 2sin co J +cos 3 sin a (z4cos co pos co2-ZiSin co 2+z7c osco^inco^) +2cos由cos Y (sin 3 (z2cos co 2+z5cos co pin co 2+z8sin co pin co 2)+cos a cos 3 (z〇cos co 2+z3cos co xs in co 2+z6sin co ^in co 2) +cos ^sina (z^osco 2+z4cos co ^in co 2+z7s inco^inco^)) r3 = sin 3 (z8cos co「z^sin co J -sin Y (2sin由（sin 3 (z8cos co「z^sin co ) +cos a cos ^ (z6cos co ^Zgsin co x) +cos3sina (zfoscofZqsincOiD+Scos^sinY (sin3 (ZsCoscOiCosc^-ZgSincL^+ZsC cos a cos 3 (z3cos co iCos co 2_z0sin co 2+z6cos co 2sin co i) +cos 3 sin a (z4cos co iCos co 2_z 1sinc〇2 +z7cos co 2sin co x)) +2cos cos y (sin ^ (z2cos co 2+z5cos co ^in co 2) +z8sin co ^in co 2) + cos a cos ^ (z〇cos co 2+z3cos co ^in co 2+z6sin co ^in co 2) +sin a cos ^ (z^os co 2+z4cos co 1sinc〇2 +z7sin co pin co 2))) +cos a cos 3 (z6cos co「Zgsin co i+cos 3 sin a (z7cos co「Zqsin co丄）） (2. 4)透視投影成像建模 反射矢量光進入透鏡在圖像傳感器靶面上的成像過程看作透視投影，其成像點位置 為：
其中，f為鏡頭焦距，（X^YJ為光學主點，單位為像素；(Dx，Dy)為像元尺寸；Pi、p2、p3、P4為鏡頭畸變係數； (2. 5)數據採集與數據處理 以上模型建立了轉臺角度位置、複合敏感器各項參數述與星點圖像坐標的對應關係， 通過採集不同轉臺位置下的星點圖像坐標，利用非線性最小二乘法可以擬合出敏感器的各 項參數； (2. 5. 1) 轉動轉臺外軸和內軸，是星點線性的布滿整個視場，在一個位置採集n次數據，n取 100?1000,並同時記錄當時的轉臺坐標位置， 公式為：
(2. 5. 2) 利用（2.5.1)記錄的轉臺坐標，根據稜鏡入射矢量模型（2.2)計算出不同轉臺坐標對 應的稜鏡入射矢量，即由轉臺角度（9ue2, 93)解算出稜鏡入射矢量
利用（2.5.1)獲取的星點圖像坐標，根據透視投影成像模型（2.4)計算出不同星點坐 標對應的稜鏡反射矢量，即由星點位置解算出稜鏡反射矢量'
(2. 5. 3) 兩步法標定複合光學敏感器的第二步主要有4個參數，用向量i來表示這些參數為：
根據上述（2. 4)稜鏡反射模型得到：
假設根據模型計算得到的反射矢量的估計值為
|由於G&弋均為非線性函 數，採用非線性最小二乘迭代方法來估計參數向量.？，設心;為向量估計偏差，則有：

這裡A，B為敏感矩陣，假設參與計算星點個數為m，令
這裡P是由三個方向上的殘留偏差組成的向量，M為A，B，C三個敏感矩陣組成的整體 敏感矩陣， 則有迭代方程：
其中k為迭代序號，經迭代結束後的穩定值，即為第二步的參數標定結果，綜合第一步 和第二步的結果，就能得到所有參數的標定值，完成對複合光學敏感器的標定。
【文檔編號】G01C25/00GK104406607SQ201410676243
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月21日 優先權日:2014年11月21日
【發明者】江潔, 李寧, 閆勁雲 申請人:北京航空航天大學