一種雙折射太陽敏感器及其載體三軸姿態的測量方法與流程

本發明屬于姿態測量與確定領域，具體涉及一種雙折射太陽敏感器及其載體三軸姿態的測量方法。

背景技術：

太陽敏感器是航天姿態控制系統中的重要測量部件，是在航天領域應用最廣泛的一類光電敏感器，可提供太陽矢量與航天器上特定軸線間的角度反饋。幾乎所有的航天器都需要安裝太陽敏感器，以便根據太陽敏感器提供的狀態反饋信息完成航天器各個階段的姿態控制任務。

常規的太陽敏感器是利用小孔成像的原理實現對太陽矢量的測量，只有一條光線，只能測量兩個垂直敏感器光軸方向的姿態信息，不能測量繞敏感器光軸的姿態信息；此外，衡量太陽敏感器好與壞的主要指標是視場和測量精度，常規太陽敏感器受制于設計原理，想要提高測量精度，就必須縮小視場，而要擴大視場，就要降低測量精度。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服目前的太陽敏感器存在的不能測量載體的繞敏感器光軸方向的姿態信息這個缺陷，提出了一種雙折射太陽敏感器，該太陽敏感器利用單軸晶體的雙折射原理制成，在單獨觀測太陽可以實現載體的三軸姿態測量，并且在保證大視場的條件下，做到高精度姿態測量，由此使航天器/無人機單獨依靠太陽測量就可以實現三軸姿態測量。

為了實現上述目的，本發明提供了一種雙折射太陽敏感器，包括：光線過濾模塊、單軸晶體鏡頭、圖像傳感器和數據處理模塊；所述光線過濾模塊將光線進行集束，形成較細的入射光線；所述單軸晶體鏡頭將入射光線進行雙折射，形成兩條折射光線；所述圖像傳感器對兩束折射光線進行成像；所述數據處理模塊用于提取像點中心，并根據兩條折射光線計算入射光線的矢量信息，由此計算出載體的三軸姿態信息。

上述技術方案中，所述單軸晶體鏡頭的材質為方解石。

上述技術方案中，所述光線過濾模塊為在單軸晶體鏡頭的表面設置透光孔；所述透光孔置于單軸晶體鏡頭外表面的中心位置，所述透光孔的直徑不大于0.1mm。

上述技術方案中，所述光線過濾模塊為在單軸晶體鏡頭上設置黑色原點；所述黑色原點置于單軸鏡頭外表面的中心位置，所述黑色原點的直徑不大于0.1mm。

上述技術方案中，所述光線過濾模塊為在單軸晶體鏡頭前設置凸透鏡片；所述凸透鏡片設置在單軸晶體鏡頭之前，其中心與單軸晶體鏡頭前表面的距離為所述凸透鏡片的焦距。

在載體上安裝上述的雙折射太陽敏感器，本發明還提供了一種載體三軸姿態的測量方法，所述方法包括：

步驟1)所述光線過濾模塊對太陽光線進行過濾；

步驟2)過濾后的入射光線通過單軸晶體鏡頭成為雙折射光線：o光和e光；

步驟3)利用圖像傳感器對o光和e光所形成的光斑進行成像；

步驟4)提取o光和e光的光斑質心；

步驟5)利用兩束折射光線計算入射光線的矢量信息；

步驟6)根據入射光線和兩條折射光線計算載體的三維姿態信息。

上述技術方案中，所述步驟5)的具體實現過程為：

平面波在折射時滿足n₁·r＝n₂·r，r為分界面任意矢量，n₁和n₂為光線折射前后的介質折射率，波矢量仍然在入射平面內；

對于o光，波矢量方向與折射光線重合，即

θ_o＝θ₂＝arcsin(n₁sinθ₁/n_o) (1)

式中，θ₁為入射光線入射角，θ_o和θ₂為折射光o光與單軸晶體鏡頭表面法線的夾角，n_o為o光在單軸晶體鏡頭中的折射率；

對于e光，n₂表示為：

θ_kp為光波矢量與光軸的夾角，所以有：

上式中，n_e為e光在單軸晶體鏡頭中的折射率；θ_k為e光波矢量e_k與單軸晶體鏡頭表面法線的夾角，e光波矢量e_k仍然在入射平面內，表示為：

e_k＝cosθ_ke_z+sinθ_ke_x (4)

其中，e_z、e_x為三軸分量單位矢量；故得到：

cosθ_kp＝e_k·e_p＝cosθ_kcosθ_p+sinθ_ksinθ_pcosφ_p (5)

θ_p為單軸晶體鏡頭光軸與z軸的夾角，φ_p為光軸在單軸晶體表面的投影線與x軸夾角，e_p為光軸單位矢量，e光波矢量確定后，e光線單位矢量e_r與光軸的夾角θ_rp由下式確定：

由于e光光線、e光波矢量與光軸三者共面，設三者滿足：

e_r＝αe_k+βe_p (7)

α和β的待定系數，經過各矢量之間的約束關系得到：

進而得到：

這樣通過選定單軸晶體鏡頭，利用公式(1)確定o光的入射光θ₁與折射光的關系，利用公式(10)確定e光線單位矢量e_r與θ_p、θ_k的關系，再由公式(3)確定θ_k與θ₁之間的關系，這樣聯合公式(1)、(3)和(10)確定了入射光與兩束折射光之間的關系，通過測量得到兩束折射光線，則入射光線矢量也就唯一確定了。

上述技術方案中，所述步驟6)的具體實現過程為：

載體的姿態信息包含俯仰角、偏航角和滾動角；直接測量兩束折射光在圖像傳感器上的二維坐標(x,y)，經過計算得到兩束折射光的俯仰角θ和偏航角ψ的信息，具體為：

式中，f為凸透鏡的焦距；

經過直接測量兩束折射光光斑質心確定入射光的俯仰角θ_m和偏航角ψ_m，對兩束折射光光斑質心進行連線，確定出入射光的旋轉角度，即滾動角此時確定的三個姿態角均為太陽敏感器坐標系下的值，記為通過敏感器的轉換矩陣T_bm，將姿態轉化為飛行器本體坐標系下，即

為載體本體坐標系下的姿態信息。

由于雙折射太陽敏感器充分利用了光線的折射原理，所以可以做到較大的視場，與常規太陽敏感器相比，本發明的雙折射太陽敏感器具有如下的優勢：

1、可以測量三軸姿態

由于入射光線經折射后變為兩束光線，對兩束光線進行成像，可以計算出載體繞敏感器光軸的姿態信息；這樣，雙折射太陽敏感器就可以對載體的三軸姿態信息進行同時測量。

2、姿態測量精度高

雙折射太陽敏感器同時對兩束折射光線進行對位，而兩束折射光線同時確定一條入射光線，所以雙折射太陽敏感器的測量精度相比常規太陽敏感器可以提高一個量級。

3、在保證精度的條件下，本發明的雙折射太陽敏感器可以做到較大的視場，并且能夠保證不損失姿態測量精度。

附圖說明

圖1為本發明的雙折射太陽敏感器的示意圖；

圖2為載體三軸姿態的測量方法的流程圖；

圖3為入射光線過濾示意圖；

圖4為透鏡聚光示意圖；

圖5為單軸晶體的雙折射原理示意圖；

圖6為本發明的確定入射光線的旋轉角度信息的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細的說明。

本發明的雙折射太陽敏感器是利用單軸晶體雙折射特性來確定入射太陽光方向矢量的光學測量敏感器，其原理為：利用單軸晶體將太陽入射光折射為o光(尋常光)和e光(非尋常光)，通過光學中的菲涅耳定理可以計算出雙折射光線與入射光線的關系，即通過采集兩束折射光的矢量信息來精確確定入射光線的矢量信息。

由于太陽光線進入雙折射太陽敏感器后，折射為兩束光線，所以不僅可以在保證大視場情況下更精確地計算入射光線的矢量信息，并且還可以確定入射光線沿太陽敏感器光軸的轉動角度，這是常規太陽敏感器無法做到的。雙折射太陽敏感器相比常規太陽敏感器可以同時測量載體三軸姿態，同時具備測量精度高、視場大的特點。

為了將入射光進行雙折射，并形成兩個折射光線的光斑，入射光線的光斑不能太大，所以需要對太陽入射光線進行過濾。光線過濾的方法有三種方法：a)在單軸晶體表面留個透光小孔；b)方解石中間置黑色原點，如圖1所示；c)利用凸透鏡將入射平行光進行聚光，形成窄光束，如圖2所示。

如圖3所示，一種雙折射太陽敏感器，包括：光線過濾模塊、單軸晶體鏡頭、圖像傳感器和數據處理模塊；所述單軸晶體鏡頭的材質為方解石，

根據光線過濾實現的途徑不同，所述光線過濾模塊有三種形式：

1、在單軸晶體鏡頭的表面設置透光孔；所述透光孔置于單軸晶體鏡頭外表面的中心位置，為了提高圖像傳感器對光斑的測量精度而不不發生入射光的衍射，透光孔的直徑不大于0.1mm。

2、在單軸晶體鏡頭上設置黑色原點；所述黑色原點置于單軸晶體鏡頭外表面的中心位置，為了提高圖像傳感器對暗斑的識別精度而不發生光的衍射，黑色原點的直徑不大于0.1mm。

3、在單軸晶體鏡頭前設置凸透鏡片；凸透鏡片的作用是將入射光進行匯聚，凸透鏡片設置在單軸晶體鏡頭之前，其中心與單軸晶體鏡頭前表面的距離為凸透鏡的焦距。

所述光線過濾模塊將光線進行集束，形成較細的入射光線；所述單軸晶體鏡頭將入射光線進行雙折射，形成兩條折射光線；所述圖像傳感器對兩束折射光線進行成像；所述數據處理模塊用于提取像點中心，并根據兩條折射光線計算入射光線的矢量信息，由此計算出載體的三軸姿態信息。

如圖4所示，當載體上安裝上述雙折射敏感器，本發明還提供了一種載體三軸姿態的測量方法，所述方法包括：

步驟1)所述光線過濾模塊對太陽光線進行過濾；

步驟2)過濾后的入射光線通過單軸晶體鏡頭成為雙折射光線：o光和e光；

在非線性光學中，不同成份的光波須重疊在一起，相互作用，才能實現非線性轉換。在非線性光學器件中，單軸晶體鏡頭的光軸常常與表面成一定角度，入射光也并非總是正入射，也有斜入射的情況。當一束光線從單軸晶體鏡頭的表面入射時，折射后，會出現兩束光，一束光為正常折射，符合折射定律，稱之為尋常光(o光)，另外一束光為非正常折射，不符合折射定律，稱之為非尋常光(e光)。如圖5所示。單軸晶體鏡頭的光軸與坐標z的夾角為θ_p，光軸在x-y平面的投影與x軸的夾角為φ_p，入射光的入射角為θ₁。

從圖5可以看出，對于尋常光o光，其折射光與光波矢量在一個方向，而對于非尋常光e光，其折射光與光波矢量不在一個方向。

這樣光線通過單軸晶體鏡頭就是折射為兩束光線：尋常光(o光)和非尋常光(e光)。

步驟3)利用圖像傳感器對o光和e光所形成的光斑進行成像；

該步驟可以降低敏感器的功耗，為光斑質心的提取做好準備。

步驟4)提取o光和e光的光斑質心；

在提取得到每個光斑的所有像素位置后，利用質心定位算法計算出每個光斑的質心，該算法計算出的光斑質心位置精度可以達到亞像素級別。

步驟5)利用兩束折射光線計算入射光線的矢量信息；

平面波在折射時滿足n₁·r＝n₂·r，r為分界面任意矢量，n₁和n₂為光線折射前后的介質折射率，波矢量仍然在入射平面內，且n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂，這里的角度是波矢量與晶體表面法線的夾角，不是折射角(光線與晶體表面法線的夾角)。

對于o光，波矢量方向與折射光線重合，即

θ_o＝θ₂＝arcsin(n₁sinθ₁/n_o) (1)

式中，θ₁為入射光線入射角，θ_o和θ₂為折射光o光與單軸晶體鏡頭表面法線的夾角，n_o為o光在單軸晶體鏡頭中的折射率；

對于e光，n₂表示為：

上式中，n_e為e光在單軸晶體鏡頭中的折射率；θ_kp為e光光波矢量e_k與光軸的夾角，所以有：

θ_k為e光波矢量e_k與單軸晶體鏡頭表面法線的夾角，e光波矢量e_k仍然在入射平面內，表示為：

e_k＝cosθ_ke_z+sinθ_ke_x (4)

e_z、e_x為三軸分量單位矢量(見圖5所示)；故可以得到

cosθ_kp＝e_k·e_p＝cosθ_kcosθ_p+sinθ_ksinθ_pcosφ_p (5)

θ_p為單軸晶體鏡頭光軸與z軸的夾角，φ_p為光軸在x-y平面(單軸晶體鏡頭表面)的投影線與x軸夾角(見圖5所示)，e_p為光軸單位矢量，e光波矢量確定后，e光線單位矢量e_r與光軸的夾角θ_rp可由下式確定：

由于e光光線、e光波矢量與光軸三者共面，設三者滿足：

e_r＝αe_k+βe_p (7)

α和β的待定系數，經過各矢量之間的約束關系可以得到：

進而，可以得到

這樣通過選定單軸晶體鏡頭，利用公式(1)可以確定o光的入射光與折射光的關系(θ₁為入射光線入射角)，利用公式(10)可以確定e光線單位矢量e_r與θ_p(單軸晶體光軸與z軸的夾角，當選定單軸晶體鏡頭后，此角確定)、θ_k(e光波矢量與晶體法線的夾角)的關系，再由公式(3)確定θ_k與θ₁之間的關系，這樣聯合公式(1)、(3)和(10)約定了入射光與兩束折射光之間的關系，通過測量得到兩束折射光線，則入射光線矢量也就唯一確定了。

步驟6)根據入射光線和兩條折射光線計算載體的三維姿態信息；

從圖5中可以看到，由于折射光線為兩束，即o光和e光，將兩束折射光的質心進行連線，可以唯一確定入射光繞敏感器光軸的轉動姿態。這樣聯合上面的測量結果就實現了入射光線的三維矢量信息。結合雙折射敏感器與航天器/無人機的安裝矩陣，即可測量出載體的三維姿態信息。

載體的姿態信息包含俯仰角、偏航角和滾動角。直接測量兩束折射光在圖像傳感器上的二維坐標(x,y)，經過計算可以得到兩束折射光的俯仰角θ和偏航角ψ的信息，具體為：

式中，f為凸透鏡的焦距。

根據步驟5)中的公式可以得到入射光的俯仰角和偏航角信息，這樣直接測量兩束折射光光斑質心可以確定入射光的兩維姿態信息。而且因為由兩束折射光約定一束折射光，所以相比常規太陽敏感器，入射光的確定精度可以提高50％以上。

當入射光旋轉時(等同于太陽敏感器繞入射光旋轉)兩束折射光(o光和e光)也會在圖像傳感器上旋轉，如圖6所示，將o光光斑的質心和e光光斑的質心進行連線，可以確定出入射光旋轉的角度，即可以確定出入射光線的旋轉角度信息。這樣經過直接測量兩束折射光光斑質心可以確定入射光的俯仰角和偏航角，對兩束折射光光斑質心進行連線，可以確定出入射光的旋轉角度，即滾動角。此時確定的三個姿態角均為太陽敏感器坐標系下的值，記為通過敏感器的轉換矩陣T_bm(3×3)，可以將姿態轉化為飛行器本體坐標系下，即

為載體本體坐標系下的姿態信息，這樣利用雙折射太陽敏感器就實現了飛行器三軸姿態測量。

利用兩束折射光線來確定入射光線的矢量信息是太陽敏感器的核心和關鍵，利用非線性光學理論詳細推導兩束折射光線與入射光線的約束關系，這樣兩束折射光線的矢量信息可以唯一確定入射光線的二維矢量信息。利用兩束折射光的位置關系計算入射光繞敏感器光軸的姿態轉動角度，這樣聯合前面確定的入射光線的二維矢量信息，得到入射光線的三維矢量信息。

本發明的創新點為：首次利用具有雙折射特性單軸晶體作為太陽敏感器的光學鏡頭，來研發雙折射太陽敏感器，使太陽敏感器具有三軸姿態測量能力，具備高精度和寬視場特點。