一种基于能量矩阵的光方向矢量测量方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于能量矩阵的光方向矢量测量方法及系统，所述方法包括：使用四象限探测器的光矢量测量仪器测量待测点的四路光电流值；根据待测点的四路光电流值计算得到待测点的偏航方向能量值和俯仰方向能量值；基于待测点的偏航方向能量值和俯仰方向能量值，从预先建立好的能量矩阵中搜索满足条件的网格坐标；根据网格坐标采用插值方法得到待测点光方向矢量的旋转角。本发明实现了大视场范围内方向矢量的高精度测量，在不增加资源需求的情况下，实现测量精度、测量准确度、矢量更新率大幅度甚至数量级的提升，而且也降低了对四路电流增益一致性的严格要求，使硬件研制难度和研制成本显著降低。

说明书

技术领域

本发明涉及高精度光方向矢量测量领域，大视场的数字太阳敏感器测量领域，特别涉及一种基于能量矩阵的光方向矢量测量方法及系统。

背景技术

四象限探测器具有低噪声、高灵敏度和高带宽等特点，在目标跟踪、定位以及准直系统中的应用十分广泛，再加上四象限探测器宽温度适应性，以及体积小、功耗低、抗辐照、低成本等方面的优势，特别适合在太空应用。基于四象限探测器开发的太阳敏感器，正快速替代基于APS或者CMOS光学成像式的太阳敏感器。四象限探测器用于光方向矢量测量，主要是利用基于四象限探测器的电流比值进行计算，但由于四象限探测器输出响应与输入窗口位置有一定的关联性，再加上四路光电流放大器的完全一致性实施起来也有难度，所以如果单纯依赖四象限探测器的四路输出电流值的大小来计算光方向矢量方法，测量精度一般都会较低。本发明提出了一种基于能量矩阵的光方向矢量测量技术，可以实现大视场范围内方向矢量的高精度测量，相比传统的数学比值计算法，可以在不增加资源需求的情况下，测量精度、姿态更新率大幅度提升，而且也降低了对四路电流放大一致性的严格要求。基于该技术研制出来的数字太敏感器视场可以达到140°×140°，全视场范围内的测量精度优于0.050，而太阳敏感器的重量小于6g，功耗小于35mW，可以在-40℃～+100℃范围内均能正常工作。如果提升能量矩阵的标定精度，全视场范围内的测量精度可以达到角秒级别。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于能量矩阵的光方向矢量测量方法及系统，特别适合于目标定位测量，尤其适合于重量轻、体积小、功耗低的高精度的数字太阳敏感器。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于能量矩阵的光方向矢量测量方法，基于使用四象限探测器的光矢量测量仪器实现，所述方法包括：

使用四象限探测器的光矢量测量仪器测量待测点的四路光电流值；

根据待测点的四路光电流值计算得到待测点的偏航方向能量值和俯仰方向能量值；

基于待测点的偏航方向能量值和俯仰方向能量值，从预先建立好的能量矩阵中搜索满足条件的网格坐标；

根据网格坐标采用插值方法得到待测点光方向矢量的旋转角。

作为上述方法的一种改进，所述方法还包括建立能量矩阵的步骤，具体包括：

设置太阳模拟器为光源；

将使用四象限探测器的光矢量测量仪器安装在二维转台上，通过转动二维转台，记录不同位置的四路光电流强度输出值，得到能量矩阵。

作为上述方法的一种改进，所述将使用四象限探测器的光矢量测量仪器安装在二维转台上，通过转动二维转台，记录不同位置的四路光电流强度输出值，得到能量矩阵；具体包括：

将使用四象限探测器的光矢量测量仪器安装在二维转台上，调节使得四象限探测器的水平方向与二维转台偏航方向保持平行，四象限探测器的垂直方向与二维转台的俯仰方向平行；

转动二维转台，调节太阳模拟器的光轴方向与四象限探测器的法线方向准直，将该位置的光矢量方向定位为能量矩阵的零位置；

转动二维转台的偏航方向至相对于零位置为-φ/2角，φ是光矢量测量仪器在偏航方向上的视场角，转动二维转台的俯仰方向至相对于零位置为-θ/2角，θ是太阳敏感器在俯仰方向上的视场角；

启动太阳模拟器，记录在(-φ/2，-θ/2)位置四象限敏感器的四路光电流强度输出值；

保持二维转台的偏航方向不变，以相同的步进角度ε控制二维转台的俯仰角至(-φ/2，-θ/2+nε)位置，n大于等于1，并记录四路光电流强度输出值，直至二维转台的俯仰角至(-φ/2，+θ/2)位置，从而得到偏航方向为-φ/2时各位置上的四路光电流强度输出值；

将二维转台调整至(-φ/2+τ，-θ/2)位置，φ/τ为偶数，保持偏航角度为-φ/2+τ不变，以相同的步进角度ε控制二维转台的俯仰角至(-φ/2+τ，-θ/2+nε)位置，n大于等于1，并记录四路光电流强度输出值，直至二维转台的俯仰角至(-φ/2+τ，+θ/2)位置，从而得到偏航方向为-φ/2+τ时各位置上的四路光电流强度输出值；从而完成θ×φ视场内m×n个位置的标定，形成m×n的能量矩阵，能量矩阵的每一个元素对应一对旋转角度和四路光电流强度输出值。

作为上述方法的一种改进，所述根据待测点的四路光电流值计算得到待测点的偏航方向能量值和俯仰方向能量值；具体为：

根据光矢量测量仪器在t时刻测量得到的四象限探测器左上象限光电流值

待测点的俯仰方向能量值

其中，A表示四象限探测器左上象限，B表示四象限探测器右上象限，C表示四象限探测器左下象限，D表示四象限探测器右下象限，α为偏航角，β为俯仰角。

作为上述方法的一种改进，所述基于待测点的偏航方向能量值和俯仰方向能量值，从预先建立好的能量矩阵中搜索满足条件的网格坐标；具体包括：

构造出能量矩阵的边缘分布，其中，

偏航方向的上边缘分布为一维列矩阵，第j个元素

偏航方向的下边缘分布为一维列矩阵，第j个元素

俯仰方向的上边缘分布为一维列矩阵，第i个元素

偏航方向的下边缘分布为一维列矩阵，第i个元素

采用二分查找法找到偏航方向的下边缘分布中小于等于

根据j

i

j

根据搜索范围，在能量矩阵中搜索满足以下条件的网格坐标(i

作为上述方法的一种改进，所述根据网格坐标采用插值方法得到待测点光方向矢量的旋转角；具体包括：

对网格坐标(i

俯仰角ω

一种基于能量矩阵的光方向矢量测量系统，所述系统包括：四象限探测器的光矢量测量仪器、能量值计算模块、网格坐标搜索模块和光矢量旋转角计算模块；其中，

所述四象限探测器的光矢量测量仪器，用于测量待测点的四路光电流值；

所述能量值计算模块，用于根据待测点的四路光电流值计算得到待测点的偏航方向能量值和俯仰方向能量值；

所述网格坐标搜索模块，用于基于待测点的偏航方向能量值和俯仰方向能量值，从预先建立好的能量矩阵中搜索满足条件的网格坐标；

所述光矢量旋转角计算模块，用于根据网格坐标采用插值方法得到待测点光方向矢量的旋转角。

作为上述系统的一种改进，所述能量值计算模块的具体实现过程为：

根据光矢量测量仪器在t时刻测量得到的四象限探测器左上象限光电流值

待测点的俯仰方向能量值

其中，A表示四象限探测器左上象限，B表示四象限探测器右上象限，C表示四象限探测器左下象限，D表示四象限探测器右下象限，α为偏航角，β为俯仰角。

作为上述系统的一种改进，所述网格坐标搜索模块的具体实现过程为：

构造出能量矩阵的边缘分布，其中，

偏航方向的上边缘分布为一维列矩阵，第j个元素

偏航方向的下边缘分布为一维列矩阵，第j个元素

俯仰方向的上边缘分布为一维列矩阵，第i个元素

偏航方向的下边缘分布为一维列矩阵，第i个元素

采用二分查找法找到偏航方向的下边缘分布中小于等于

根据j

i

j

根据搜索范围，在能量矩阵中搜索满足以下条件的网格坐标(i

作为上述系统的一种改进，所述光矢量旋转角计算模块的具体实现过程为：

对网格坐标(i

俯仰角ω

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明提出了一种基于能量矩阵的光方向矢量测量技术，可以实现大视场范围内方向矢量的高精度测量，相比传统的数学比值计算法，可以在不增加资源需求的情况下，实现测量精度、测量准确度、矢量更新率等大幅度甚至数量级的提升，而且也降低了对四路电流增益一致性的严格要求，使硬件研制难度和研制成本显著降低。

附图说明

图1是本发明实施例1的基于能量矩阵的光方向矢量测量方法的流程图；

图2是本发明实施例2的基于能量矩阵的光方向矢量测量系统组成框图。

附图标记

100、能量值计算模块 200、网格坐标搜索模块

300、光矢量旋转角计算模块

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供了一种基于能量矩阵的光方向矢量测量方法。

能量矩阵的形成是基于四象限探测器的四路电流的比值形成的矩阵。该矩阵形成方式是：首先将使用四象限探测器的光矢量测量仪器安装在高精度的二维转台上，调节使得四象限探测器的水平方向与转台偏航方向保持平行，四象限探测器的垂直方向与转台的俯仰方向平行；然后转动二维转台，调节太阳模拟器的光轴方向与四象限探测器的法线方向准直，将该位置的光矢量方向定位为能量矩阵的零位置。

不妨设所用二维转台的旋转顺序是先旋转偏航方向，再旋转俯仰方向。偏航方向从太阳模拟器入射方向观察以向左为正，俯仰方向以向上为正。转动转台的偏航方向转动相对于零位置为-φ/2角，φ是太阳敏感器在偏航方向上的视场角，转台此时停留在此位置，然后转动二维转台的俯仰方向相对于零位置为-θ/2角，θ是太阳敏感器在俯仰方向上的视场角，启动太阳模拟器，记录在(-φ/2，-θ/2)位置四象限敏感器的四路光电流强度输出值。在完成(-φ/2，-θ/2)位置的四象限光电流测量之后，控制二维转台的俯仰角，保持偏航方向不变，转动到(-φ/2，-θ/2+ε)位置。ε可以根据自己测量精度的需要任意选取，原则上应保证θ/ε为偶数，这里不妨设θ/ε＝m-1。然后记录(-φ/2，-θ/2+ε)位置四路光电流强度输出值，然后以相同的ε角度转动俯仰方向至(-φ/2，-θ/2+2ε)位置，如此重复该操作，直至(-φ/2，+θ/2)位置，这样就得到了偏航方向为-φ/2时各位置上的四路光电流强度输出值。

在完成-φ/2偏航方向的一维矩阵的测量之后，控制转台调整(-φ/2+τ，-θ/2)位置，τ可以根据自己测量精度的需要任意选取，原则上保证φ/τ为偶数，这里不妨设θ/ε＝n-1。然后在保持偏航角度为-φ/2+τ，持续调整俯仰角度位置，步进角度仍为ε，如此重复该操作，在每个位置上记录四路光电流强度输出值，直至(-φ/2+τ，+θ/2)位置。持续完成类似操作，直至完成θ×φ视场内m×n个位置的标定，这样就形成了一个m×n的数据矩阵，数据矩阵的每一个元素对应一对旋转角度和四路光电流强度输出值。

上述记录四路光电流强度输出值的过程，可以取多次结果进行平均以提升精度。

将上一步得到的数据矩阵进一步处理成为光方向矢量测量所需的能量矩阵，具体的计算方法如下：

其中，

这样就得到了偏航方向能量矩阵和俯仰方向能量矩阵，它们均是m×n的矩阵。

接下来介绍如何通过能量矩阵来得到当前光方向矢量的技术。四象限探测器运行时，获取当前四路光电流值后，首先需要计算当前的偏航方向能量和俯仰方向能量值：

其中

接下来在能量矩阵中搜索满足以下条件的网格坐标(i,j)：

上述搜索可以结合能量矩阵的理论形状设计出高性能的算法，这里给出一种快速搜索算法。首先构造出能量矩阵的边缘分布阵列：

其中，

进行搜索时，首先用二分查找法找到下列几个序号：偏航方向的下边缘分布阵列中不大于

i

j

一般情况下i

最终搜索完成后，可以得到一组网格坐标(j

其中ω

实施例2

本发明的实施例2提供了一种基于能量矩阵的光方向矢量测量系统，该系统包括：能量值计算模块100、网格坐标搜索模块200、光矢量旋转角计算模块300；还需要四象限探测器的光矢量测量仪器，用来测量待测点的四路光电流值。该系统的具体实现方法同实施例1。其中，

能量值计算模块100，用于根据待测点的四路光电流值计算得到待测点的偏航方向能量值和俯仰方向能量值；

网格坐标搜索模块200，用于基于待测点的偏航方向能量值和俯仰方向能量值，从预先建立好的能量矩阵中搜索满足条件的网格坐标；

光矢量旋转角计算模块300，用于根据网格坐标采用插值方法得到待测点光方向矢量的旋转角。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。