[发明专利]星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定系统及方法

说明书

本发明公开了一种星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定系统及方法，该系统采用太阳指向镜头、太阳指向探测器、位姿测量镜头、监测特征点、位姿测量探测器以及控制及处理单元构建的标定系统，直接安装于双光栅准直器上，通过分析出光轴指向变化、前后光栅阵列平面的位姿变化与光斑位置坐标变化之间的关系，通过构建多个关系式，对待标定参数的表征量进行求解即可实现指向光轴和光栅位姿的同时标定，并且本发明系统结构简单、体积小，有利于载荷量化，并且处理算法易实现，同时能够解算出双光栅准直器工作时的多种必须信息。

技术领域

本发明涉及光学和视觉测量技术领域，具体涉及一种星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定系统及方法。

背景技术

太阳耀斑研究一直都是太阳物理领域的研究热点，对于帮助解释太阳爆发活动的能量释放机制具有重大意义。

基于傅里叶变换的调制成像技术经常被用于太阳耀斑观测，该技术通过沿着入射光轴前后布置双光栅阵列平面对太阳耀斑在不同空间尺度下进行合成成像，而前后按照一定距离放置的两层光栅阵列平面被称作双光栅准直器。

双光栅准直器是将多种周期的透射式光栅按照多个角度摆放在两个平面上形成光栅阵列，沿面法线方向相距一定距离(米量级)放置，一般是安装在一个桁架承力框架的两端，前、后光栅阵列面上每个位置的光栅狭缝摆放角度一致且前、后光栅阵列面上光栅狭缝一一对齐。从成像原理来考虑，前、后双光栅的狭缝对齐精度越高，最终耀斑的成像越精确。

根据应用需求，为了准确探测到耀斑图像，需要解决两个问题：

1、由于双光栅调制成像的原理不同于传统光学直接进行成像，不能根据物象共轭关系和几何成像关系得出耀斑发生在太阳日面的图像和具体位置，因此仪器在工作时，需要准确得到设备的入射光轴偏离日面中心的距离和方向，根据此偏移量才能知道对日观测光线入射角度，对于修正耀斑爆发的位置数据意义重大，而现有的光轴标定方式完全不能适用于双光栅准直器。

2、双光栅准直器在轨工作时，由于重力卸载和空间环境温度变化，极大可能会使设备的承力框架出现微小形变，直接导致安装在其上且一一对准的前、后双光栅狭缝出现错位，对耀斑探测的精度产生极大的不利影响。因此需要在轨监测出前后光栅阵列平面的位姿关系，作为成像数据修正的依据。

发明内容

为了解决背景技术中提出的无法采用现有方式对双光栅准直器的指向光轴进行标定，以及双光栅准直器在轨工作时，前、后光栅狭缝出现错位，对耀斑探测的精度产生极大的不利影响的问题，本发明提出了一种能够同时对双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿进行精确标定的系统和方法，从而以此作为推断耀斑图像探测精度和可信度的判据。

本发明的技术思路是：

本发明实际上是一个光学视觉测量系统，区别于一般的视觉测量系统，本发明不仅能够标定仪器的入射光轴的指向，还能够实现前、后光栅阵列平面的相对位姿测量。为了实现所述的两种功能，本装置包含两套光学系统：其一为太阳指向单元，是一个长焦光学系统，仅对太阳成像，特点是将成像镜头与探测器分开，镜头安装于前光栅阵列平面，探测器同后光栅阵列平面一起安装在承力框架后端面。其二为位姿测量单元，是一个焦距相对较短且大视场的光学系统。位姿测量单元一共能采集到的四个光斑，包括一个太阳光斑和三个用于位姿测量的特征点光斑。特征点光斑是通过在前光栅阵列平面上安装三个特征点而形成，太阳光入射时形成三个一致性好且亮度稳定的均匀圆光斑。不论仪器入射光轴指向还是前后光栅阵列平面的相对位姿发生变化，都会使系统监测到的五个光斑位置发生移动，因此可以通过光斑位置的变化反向推导出仪器入射光轴和前后光栅阵列平面位姿的变化量，从而实现该太阳观测设备的指向光轴和光栅位姿的标定。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种星载双光栅准直器的指向光轴和光栅位姿标定系统包括太阳指向单元、位姿监测单元以及控制及处理单元；

太阳指向单元包括太阳指向镜头以及太阳指向探测器；