[發明專利]一種基于慣性參考單元的相機視軸擾動測量設備及方法

有效

• 申請號: 202011166814.4
• 申請日: 2020-10-27
• 公開（公告）號: CN112461508B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 程少園;孫世君;阮寧娟;孫德偉;于艷波;楊沐
• 申請（專利權）人: 北京空間機電研究所
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 馬全亮

1.一種基于慣性參考單元的相機視軸擾動測量設備，其特征在于，包括：慣性參考單元與關聯測量單元；其中，

慣性參考單元與相機的支撐結構固連在一起，用于測量安裝位置處的角位移信息；

關聯測量單元用于測量相機視軸與慣性參考單元之間相對指向變化，包括發光組件、導光組件和光斑記錄焦面；

發光組件包括光源與發射鏡頭，光源位于發射鏡頭焦面位置，發光組件與慣性參考單元固連在一起，光源發出的光經發射鏡頭準直后變為平行光，經過導光組件進行折轉，進入相機鏡頭，并會聚于光斑記錄焦面上；

光斑記錄焦面與相機成像焦面固連在一起，光斑記錄焦面對發光組件的光源成像，形成光斑，并記錄光斑質心位置；

光斑記錄焦面通過計算光斑質心位置偏移來計算相機視軸相對慣性參考單元的擾動量；結合慣性參考單元的角位移信息，獲得相機視軸絕對角位移信息，即相機視軸擾動量；

基于慣性參考單元的相機視軸擾動測量設備實現的相機視軸擾動測量方法，步驟如下：

(1)調整發光組件出光方向，令發光組件出光方向與光斑記錄焦面的面陣探測器中心像元對應的主光線平行，方向相反；

(2)調整導光組件，將導光組件的反射面法線與發光組件出光方向成45±1度；

(3)發光組件發射的光經導光組件、相機鏡頭后會聚于光斑記錄焦面，光斑記錄焦面進行光斑質心位置提取，并進行開窗；

光斑尺寸計算公式如下：

其中，D_x為X方向光斑尺寸，D_y為Y方向光斑尺寸；X方向、Y方向分別是過相機中心視場與像面交點，且平行于矩形成像探測器相鄰兩垂直邊的方向；λ為發射光的中心波長，f為相機焦距，D_e為有效光束口徑，ω_x、ω_y分別為光斑中心對應的X方向與Y方向視場角；d為光源發光面的尺寸，m為放大倍率；

(4)光斑記錄焦面以測量設備工作后的第一個光斑的質心位置作為參考值，計算后續光斑質心位置相對參考位置的偏移量，進而得到相機視軸與發光組件之間的相對角位移；

(5)發光組件與慣性參考單元穩定地固連在一起，相機視軸與發光組件之間的相對角位移即為相機視軸與慣性參考單元之間的相對角位移；

(6)相機視軸相對角位移信息與慣性參考單元獲得角位移信息相結合，即得到相機的絕對角位移信息，實現相機視軸擾動測量。

2.根據權利要求1所述的基于慣性參考單元的相機視軸擾動測量設備，其特征在于：所述慣性參考單元為光纖陀螺或角位移傳感器，慣性參考單元角位移測量精度優于0.03倍相機角分辨率，測量頻率為相機視軸擾動頻率的10倍以上，相機角分辨率是指像元與焦距之比。

3.根據權利要求1所述的基于慣性參考單元的相機視軸擾動測量設備，其特征在于：發光組件與慣性參考單元之間的角度穩定性優于0.03倍相機角分辨率；光斑記錄焦面的光斑質心位置提取精度優于0.05成像探測器像元。

4.根據權利要求1所述的基于慣性參考單元的相機視軸擾動測量設備，其特征在于：所述光斑記錄焦面包括可開窗面陣探測器和處理電路；探測器像元不大于相機成像焦面的成像探測器像元尺寸，面陣探測器感光區域大于光斑直徑與長周期溫度變化引入的光斑最大偏移量之和；探測器感光開窗區域大于光斑直徑與短周期振動引入的光斑最大偏移量之和；光斑記錄焦面與成像焦面均位于相機鏡頭的像面位置，二者共面，相鄰，安裝于 同一結構上，相機成像焦面單次成像時間內，兩個焦面之間相對位置穩定性優于0.03成像探測器像元。

5.根據權利要求1所述的基于慣性參考單元的相機視軸擾動測量設備，其特征在于：所述發光組件中光源尺寸為微米級，光源的譜段為窄譜段，譜段寬度≤30μm。

6.根據權利要求1所述的基于慣性參考單元的相機視軸擾動測量設備，其特征在于：所述導光組件為ULE或微晶材料制作的180度中空導光組件，導光組件兩端的平面反射鏡與導光組件中軸線成45度，導光組件兩端的平面反射鏡中心法線共面，且成90度，反光面面形精度優于1/30λ,λ為發射光的中心波長；導光組件兩端的平面反射鏡的夾角穩定性優于0.03倍相機角分辨率。