[发明专利]一种基于惯性参考单元的相机视轴扰动测量设备及方法

权利要求书

1.一种基于惯性参考单元的相机视轴扰动测量设备，其特征在于，包括：惯性参考单元与关联测量单元；其中，

惯性参考单元与相机的支撑结构固连在一起，用于测量安装位置处的角位移信息；

关联测量单元用于测量相机视轴与惯性参考单元之间相对指向变化，包括发光组件、导光组件和光斑记录焦面；

发光组件包括光源与发射镜头，光源位于发射镜头焦面位置，发光组件与惯性参考单元固连在一起，光源发出的光经发射镜头准直后变为平行光，经过导光组件进行折转，进入相机镜头，并会聚于光斑记录焦面上；

光斑记录焦面与相机成像焦面固连在一起，光斑记录焦面对发光组件的光源成像，形成光斑，并记录光斑质心位置；

光斑记录焦面通过计算光斑质心位置偏移来计算相机视轴相对惯性参考单元的扰动量；结合惯性参考单元的角位移信息，获得相机视轴绝对角位移信息，即相机视轴扰动量；

基于惯性参考单元的相机视轴扰动测量设备实现的相机视轴扰动测量方法，步骤如下：

(1)调整发光组件出光方向，令发光组件出光方向与光斑记录焦面的面阵探测器中心像元对应的主光线平行，方向相反；

(2)调整导光组件，将导光组件的反射面法线与发光组件出光方向成45±1度；

(3)发光组件发射的光经导光组件、相机镜头后会聚于光斑记录焦面，光斑记录焦面进行光斑质心位置提取，并进行开窗；

光斑尺寸计算公式如下：

其中，D_x为X方向光斑尺寸，D_y为Y方向光斑尺寸；X方向、Y方向分别是过相机中心视场与像面交点，且平行于矩形成像探测器相邻两垂直边的方向；λ为发射光的中心波长，f为相机焦距，D_e为有效光束口径，ω_x、ω_y分别为光斑中心对应的X方向与Y方向视场角；d为光源发光面的尺寸，m为放大倍率；

(4)光斑记录焦面以测量设备工作后的第一个光斑的质心位置作为参考值，计算后续光斑质心位置相对参考位置的偏移量，进而得到相机视轴与发光组件之间的相对角位移；

(5)发光组件与惯性参考单元稳定地固连在一起，相机视轴与发光组件之间的相对角位移即为相机视轴与惯性参考单元之间的相对角位移；

(6)相机视轴相对角位移信息与惯性参考单元获得角位移信息相结合，即得到相机的绝对角位移信息，实现相机视轴扰动测量。

2.根据权利要求1所述的基于惯性参考单元的相机视轴扰动测量设备，其特征在于：所述惯性参考单元为光纤陀螺或角位移传感器，惯性参考单元角位移测量精度优于0.03倍相机角分辨率，测量频率为相机视轴扰动频率的10倍以上，相机角分辨率是指像元与焦距之比。

3.根据权利要求1所述的基于惯性参考单元的相机视轴扰动测量设备，其特征在于：发光组件与惯性参考单元之间的角度稳定性优于0.03倍相机角分辨率；光斑记录焦面的光斑质心位置提取精度优于0.05成像探测器像元。

4.根据权利要求1所述的基于惯性参考单元的相机视轴扰动测量设备，其特征在于：所述光斑记录焦面包括可开窗面阵探测器和处理电路；探测器像元不大于相机成像焦面的成像探测器像元尺寸，面阵探测器感光区域大于光斑直径与长周期温度变化引入的光斑最大偏移量之和；探测器感光开窗区域大于光斑直径与短周期振动引入的光斑最大偏移量之和；光斑记录焦面与成像焦面均位于相机镜头的像面位置，二者共面，相邻，安装于 同一结构上，相机成像焦面单次成像时间内，两个焦面之间相对位置稳定性优于0.03成像探测器像元。

5.根据权利要求1所述的基于惯性参考单元的相机视轴扰动测量设备，其特征在于：所述发光组件中光源尺寸为微米级，光源的谱段为窄谱段，谱段宽度≤30μm。

6.根据权利要求1所述的基于惯性参考单元的相机视轴扰动测量设备，其特征在于：所述导光组件为ULE或微晶材料制作的180度中空导光组件，导光组件两端的平面反射镜与导光组件中轴线成45度，导光组件两端的平面反射镜中心法线共面，且成90度，反光面面形精度优于1/30λ,λ为发射光的中心波长；导光组件两端的平面反射镜的夹角稳定性优于0.03倍相机角分辨率。