一种双折射太阳敏感器及其载体三轴姿态的测量方法与流程

本发明属于姿态测量与确定领域，具体涉及一种双折射太阳敏感器及其载体三轴姿态的测量方法。

背景技术：

太阳敏感器是航天姿态控制系统中的重要测量部件，是在航天领域应用最广泛的一类光电敏感器，可提供太阳矢量与航天器上特定轴线间的角度反馈。几乎所有的航天器都需要安装太阳敏感器，以便根据太阳敏感器提供的状态反馈信息完成航天器各个阶段的姿态控制任务。

常规的太阳敏感器是利用小孔成像的原理实现对太阳矢量的测量，只有一条光线，只能测量两个垂直敏感器光轴方向的姿态信息，不能测量绕敏感器光轴的姿态信息；此外，衡量太阳敏感器好与坏的主要指标是视场和测量精度，常规太阳敏感器受制于设计原理，想要提高测量精度，就必须缩小视场，而要扩大视场，就要降低测量精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服目前的太阳敏感器存在的不能测量载体的绕敏感器光轴方向的姿态信息这个缺陷，提出了一种双折射太阳敏感器，该太阳敏感器利用单轴晶体的双折射原理制成，在单独观测太阳可以实现载体的三轴姿态测量，并且在保证大视场的条件下，做到高精度姿态测量，由此使航天器/无人机单独依靠太阳测量就可以实现三轴姿态测量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种双折射太阳敏感器，包括：光线过滤模块、单轴晶体镜头、图像传感器和数据处理模块；所述光线过滤模块将光线进行集束，形成较细的入射光线；所述单轴晶体镜头将入射光线进行双折射，形成两条折射光线；所述图像传感器对两束折射光线进行成像；所述数据处理模块用于提取像点中心，并根据两条折射光线计算入射光线的矢量信息，由此计算出载体的三轴姿态信息。

上述技术方案中，所述单轴晶体镜头的材质为方解石。

上述技术方案中，所述光线过滤模块为在单轴晶体镜头的表面设置透光孔；所述透光孔置于单轴晶体镜头外表面的中心位置，所述透光孔的直径不大于0.1mm。

上述技术方案中，所述光线过滤模块为在单轴晶体镜头上设置黑色原点；所述黑色原点置于单轴镜头外表面的中心位置，所述黑色原点的直径不大于0.1mm。

上述技术方案中，所述光线过滤模块为在单轴晶体镜头前设置凸透镜片；所述凸透镜片设置在单轴晶体镜头之前，其中心与单轴晶体镜头前表面的距离为所述凸透镜片的焦距。

在载体上安装上述的双折射太阳敏感器，本发明还提供了一种载体三轴姿态的测量方法，所述方法包括：

步骤1)所述光线过滤模块对太阳光线进行过滤；

步骤2)过滤后的入射光线通过单轴晶体镜头成为双折射光线：o光和e光；

步骤3)利用图像传感器对o光和e光所形成的光斑进行成像；

步骤4)提取o光和e光的光斑质心；

步骤5)利用两束折射光线计算入射光线的矢量信息；

步骤6)根据入射光线和两条折射光线计算载体的三维姿态信息。

上述技术方案中，所述步骤5)的具体实现过程为：

平面波在折射时满足n₁·r＝n₂·r，r为分界面任意矢量，n₁和n₂为光线折射前后的介质折射率，波矢量仍然在入射平面内；

对于o光，波矢量方向与折射光线重合，即

θ_o＝θ₂＝arcsin(n₁sinθ₁/n_o) (1)

式中，θ₁为入射光线入射角，θ_o和θ₂为折射光o光与单轴晶体镜头表面法线的夹角，n_o为o光在单轴晶体镜头中的折射率；

对于e光，n₂表示为：

θ_kp为光波矢量与光轴的夹角，所以有：

上式中，n_e为e光在单轴晶体镜头中的折射率；θ_k为e光波矢量e_k与单轴晶体镜头表面法线的夹角，e光波矢量e_k仍然在入射平面内，表示为：

e_k＝cosθ_ke_z+sinθ_ke_x (4)

其中，e_z、e_x为三轴分量单位矢量；故得到：

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

θ_p为单轴晶体镜头光轴与z轴的夹角，φ_p为光轴在单轴晶体表面的投影线与x轴夹角，e_p为光轴单位矢量，e光波矢量确定后，e光线单位矢量e_r与光轴的夹角θ_rp由下式确定：

由于e光光线、e光波矢量与光轴三者共面，设三者满足：

e_r＝αe_k+βe_p (7)

α和β的待定系数，经过各矢量之间的约束关系得到：

进而得到：

这样通过选定单轴晶体镜头，利用公式(1)确定o光的入射光θ₁与折射光的关系，利用公式(10)确定e光线单位矢量e_r与θ_p、θ_k的关系，再由公式(3)确定θ_k与θ₁之间的关系，这样联合公式(1)、(3)和(10)确定了入射光与两束折射光之间的关系，通过测量得到两束折射光线，则入射光线矢量也就唯一确定了。

上述技术方案中，所述步骤6)的具体实现过程为：

载体的姿态信息包含俯仰角、偏航角和滚动角；直接测量两束折射光在图像传感器上的二维坐标(x,y)，经过计算得到两束折射光的俯仰角θ和偏航角ψ的信息，具体为：

式中，f为凸透镜的焦距；

经过直接测量两束折射光光斑质心确定入射光的俯仰角θ_m和偏航角ψ_m，对两束折射光光斑质心进行连线，确定出入射光的旋转角度，即滚动角此时确定的三个姿态角均为太阳敏感器坐标系下的值，记为通过敏感器的转换矩阵T_bm，将姿态转化为飞行器本体坐标系下，即

为载体本体坐标系下的姿态信息。

由于双折射太阳敏感器充分利用了光线的折射原理，所以可以做到较大的视场，与常规太阳敏感器相比，本发明的双折射太阳敏感器具有如下的优势：

1、可以测量三轴姿态

由于入射光线经折射后变为两束光线，对两束光线进行成像，可以计算出载体绕敏感器光轴的姿态信息；这样，双折射太阳敏感器就可以对载体的三轴姿态信息进行同时测量。

2、姿态测量精度高

双折射太阳敏感器同时对两束折射光线进行对位，而两束折射光线同时确定一条入射光线，所以双折射太阳敏感器的测量精度相比常规太阳敏感器可以提高一个量级。

3、在保证精度的条件下，本发明的双折射太阳敏感器可以做到较大的视场，并且能够保证不损失姿态测量精度。

附图说明

图1为本发明的双折射太阳敏感器的示意图；

图2为载体三轴姿态的测量方法的流程图；

图3为入射光线过滤示意图；

图4为透镜聚光示意图；

图5为单轴晶体的双折射原理示意图；

图6为本发明的确定入射光线的旋转角度信息的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明的双折射太阳敏感器是利用单轴晶体双折射特性来确定入射太阳光方向矢量的光学测量敏感器，其原理为：利用单轴晶体将太阳入射光折射为o光(寻常光)和e光(非寻常光)，通过光学中的菲涅耳定理可以计算出双折射光线与入射光线的关系，即通过采集两束折射光的矢量信息来精确确定入射光线的矢量信息。

由于太阳光线进入双折射太阳敏感器后，折射为两束光线，所以不仅可以在保证大视场情况下更精确地计算入射光线的矢量信息，并且还可以确定入射光线沿太阳敏感器光轴的转动角度，这是常规太阳敏感器无法做到的。双折射太阳敏感器相比常规太阳敏感器可以同时测量载体三轴姿态，同时具备测量精度高、视场大的特点。

为了将入射光进行双折射，并形成两个折射光线的光斑，入射光线的光斑不能太大，所以需要对太阳入射光线进行过滤。光线过滤的方法有三种方法：a)在单轴晶体表面留个透光小孔；b)方解石中间置黑色原点，如图1所示；c)利用凸透镜将入射平行光进行聚光，形成窄光束，如图2所示。

如图3所示，一种双折射太阳敏感器，包括：光线过滤模块、单轴晶体镜头、图像传感器和数据处理模块；所述单轴晶体镜头的材质为方解石，

根据光线过滤实现的途径不同，所述光线过滤模块有三种形式：

1、在单轴晶体镜头的表面设置透光孔；所述透光孔置于单轴晶体镜头外表面的中心位置，为了提高图像传感器对光斑的测量精度而不不发生入射光的衍射，透光孔的直径不大于0.1mm。

2、在单轴晶体镜头上设置黑色原点；所述黑色原点置于单轴晶体镜头外表面的中心位置，为了提高图像传感器对暗斑的识别精度而不发生光的衍射，黑色原点的直径不大于0.1mm。

3、在单轴晶体镜头前设置凸透镜片；凸透镜片的作用是将入射光进行汇聚，凸透镜片设置在单轴晶体镜头之前，其中心与单轴晶体镜头前表面的距离为凸透镜的焦距。

所述光线过滤模块将光线进行集束，形成较细的入射光线；所述单轴晶体镜头将入射光线进行双折射，形成两条折射光线；所述图像传感器对两束折射光线进行成像；所述数据处理模块用于提取像点中心，并根据两条折射光线计算入射光线的矢量信息，由此计算出载体的三轴姿态信息。

如图4所示，当载体上安装上述双折射敏感器，本发明还提供了一种载体三轴姿态的测量方法，所述方法包括：

步骤1)所述光线过滤模块对太阳光线进行过滤；

步骤2)过滤后的入射光线通过单轴晶体镜头成为双折射光线：o光和e光；

在非线性光学中，不同成份的光波须重叠在一起，相互作用，才能实现非线性转换。在非线性光学器件中，单轴晶体镜头的光轴常常与表面成一定角度，入射光也并非总是正入射，也有斜入射的情况。当一束光线从单轴晶体镜头的表面入射时，折射后，会出现两束光，一束光为正常折射，符合折射定律，称之为寻常光(o光)，另外一束光为非正常折射，不符合折射定律，称之为非寻常光(e光)。如图5所示。单轴晶体镜头的光轴与坐标z的夹角为θ_p，光轴在x-y平面的投影与x轴的夹角为φ_p，入射光的入射角为θ₁。

从图5可以看出，对于寻常光o光，其折射光与光波矢量在一个方向，而对于非寻常光e光，其折射光与光波矢量不在一个方向。

这样光线通过单轴晶体镜头就是折射为两束光线：寻常光(o光)和非寻常光(e光)。

步骤3)利用图像传感器对o光和e光所形成的光斑进行成像；

该步骤可以降低敏感器的功耗，为光斑质心的提取做好准备。

步骤4)提取o光和e光的光斑质心；

在提取得到每个光斑的所有像素位置后，利用质心定位算法计算出每个光斑的质心，该算法计算出的光斑质心位置精度可以达到亚像素级别。

步骤5)利用两束折射光线计算入射光线的矢量信息；

平面波在折射时满足n₁·r＝n₂·r，r为分界面任意矢量，n₁和n₂为光线折射前后的介质折射率，波矢量仍然在入射平面内，且n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂，这里的角度是波矢量与晶体表面法线的夹角，不是折射角(光线与晶体表面法线的夹角)。

对于o光，波矢量方向与折射光线重合，即

θ_o＝θ₂＝arcsin(n₁sinθ₁/n_o) (1)

式中，θ₁为入射光线入射角，θ_o和θ₂为折射光o光与单轴晶体镜头表面法线的夹角，n_o为o光在单轴晶体镜头中的折射率；

对于e光，n₂表示为：

上式中，n_e为e光在单轴晶体镜头中的折射率；θ_kp为e光光波矢量e_k与光轴的夹角，所以有：

θ_k为e光波矢量e_k与单轴晶体镜头表面法线的夹角，e光波矢量e_k仍然在入射平面内，表示为：

e_k＝cosθ_ke_z+sinθ_ke_x (4)

e_z、e_x为三轴分量单位矢量(见图5所示)；故可以得到

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

θ_p为单轴晶体镜头光轴与z轴的夹角，φ_p为光轴在x-y平面(单轴晶体镜头表面)的投影线与x轴夹角(见图5所示)，e_p为光轴单位矢量，e光波矢量确定后，e光线单位矢量e_r与光轴的夹角θ_rp可由下式确定：

由于e光光线、e光波矢量与光轴三者共面，设三者满足：

e_r＝αe_k+βe_p (7)

α和β的待定系数，经过各矢量之间的约束关系可以得到：

进而，可以得到

这样通过选定单轴晶体镜头，利用公式(1)可以确定o光的入射光与折射光的关系(θ₁为入射光线入射角)，利用公式(10)可以确定e光线单位矢量e_r与θ_p(单轴晶体光轴与z轴的夹角，当选定单轴晶体镜头后，此角确定)、θ_k(e光波矢量与晶体法线的夹角)的关系，再由公式(3)确定θ_k与θ₁之间的关系，这样联合公式(1)、(3)和(10)约定了入射光与两束折射光之间的关系，通过测量得到两束折射光线，则入射光线矢量也就唯一确定了。

步骤6)根据入射光线和两条折射光线计算载体的三维姿态信息；

从图5中可以看到，由于折射光线为两束，即o光和e光，将两束折射光的质心进行连线，可以唯一确定入射光绕敏感器光轴的转动姿态。这样联合上面的测量结果就实现了入射光线的三维矢量信息。结合双折射敏感器与航天器/无人机的安装矩阵，即可测量出载体的三维姿态信息。

载体的姿态信息包含俯仰角、偏航角和滚动角。直接测量两束折射光在图像传感器上的二维坐标(x,y)，经过计算可以得到两束折射光的俯仰角θ和偏航角ψ的信息，具体为：

式中，f为凸透镜的焦距。

根据步骤5)中的公式可以得到入射光的俯仰角和偏航角信息，这样直接测量两束折射光光斑质心可以确定入射光的两维姿态信息。而且因为由两束折射光约定一束折射光，所以相比常规太阳敏感器，入射光的确定精度可以提高50％以上。

当入射光旋转时(等同于太阳敏感器绕入射光旋转)两束折射光(o光和e光)也会在图像传感器上旋转，如图6所示，将o光光斑的质心和e光光斑的质心进行连线，可以确定出入射光旋转的角度，即可以确定出入射光线的旋转角度信息。这样经过直接测量两束折射光光斑质心可以确定入射光的俯仰角和偏航角，对两束折射光光斑质心进行连线，可以确定出入射光的旋转角度，即滚动角。此时确定的三个姿态角均为太阳敏感器坐标系下的值，记为通过敏感器的转换矩阵T_bm(3×3)，可以将姿态转化为飞行器本体坐标系下，即

为载体本体坐标系下的姿态信息，这样利用双折射太阳敏感器就实现了飞行器三轴姿态测量。

利用两束折射光线来确定入射光线的矢量信息是太阳敏感器的核心和关键，利用非线性光学理论详细推导两束折射光线与入射光线的约束关系，这样两束折射光线的矢量信息可以唯一确定入射光线的二维矢量信息。利用两束折射光的位置关系计算入射光绕敏感器光轴的姿态转动角度，这样联合前面确定的入射光线的二维矢量信息，得到入射光线的三维矢量信息。

本发明的创新点为：首次利用具有双折射特性单轴晶体作为太阳敏感器的光学镜头，来研发双折射太阳敏感器，使太阳敏感器具有三轴姿态测量能力，具备高精度和宽视场特点。