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2020年第14期封面故事: 双折射太阳敏感器,让太阳更精准地为我们导航

2020-07-30

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双折射太阳敏感器,让太阳更精准地为我们导航

 

封面文章| 《光学学报》第14期封面故事:潘登;李艳丽;高东;郑建华;基于椭圆拟合的多光斑/重叠光斑中心提取方法[J]. 光学学报, 2020, 40(14):1410001.

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我国古代有很多关于太阳的神话故事,如夸父追日、后羿射日等,古时期,人们看到太阳总是固定从一个方向升起,再从一个方向落下,便把太阳升起的方向命名为东方,太阳落下的方向叫西方,这可能是最早利用太阳来确定方位。

伟大爱国诗人屈原在其著名的《天问》中也有对这个自然现象的描述:“日月安属?列星安陈?出自汤谷,次于蒙汜。”

在现代航空航天中,也经常利用太阳来进行定位或导航,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。它通过测量太阳矢量相对于本体坐标系的入射角,解算出航天器的方位信息。常规的太阳敏感器是利用小孔成像的原理来实现对太阳矢量的测量。

中科院国家空间科学中心(空间中心)复杂航天系统电子信息技术重点实验室高东课题组首次提出利用单轴晶体的双折射特性来研制太阳敏感器。相较于传统太阳敏感器,双折射太阳敏感器具有大视场、高精度以及对绕太敏视轴方向转动信息敏感的特点。其光学系统示意图如图1所示。


图1 双折射太阳敏感器光学系统示意图.

由于双折射现象的存在,当一束光入射到单轴晶体的界面上时,产生的折射光在晶体内分离成一束寻常光(o光)和一束非寻常光(e光),因此敏感器接收到的图像有两个光斑。当入射角较大,光斑靠近视场边缘时,两个光斑扁率增大且存在部分重叠的现象,一般的光斑中心提取方法已经不能适用,这影响了太阳敏感器的有效视场范围和测量精度。

针对双折射太阳敏感器多光斑和重叠光斑的问题,团队提出一种基于椭圆拟合的高精度光斑中心提取方法。这种方法对光斑大小、数量没有限制,能够快速分辨重叠光斑,计算出光斑数量和半径,实现圆形和椭圆形光斑的亚像素级中心坐标提取。

该团队探究了形状因子和光斑重叠程度的关系,使用基于形状因子分析的方法迅速分辨目标区域的光斑是否存在重叠现象。又针对重叠光斑的分割问题提出一种两次分割法,能够快速搜索出边缘凹点并完成重叠光斑的分割。这种重叠分割方法相较于传统的腐蚀法或分水岭法在计算上更为简单。图2为一对重叠椭圆光斑经两次分割法处理的结果。图3是一幅多光斑/重叠光斑图像的中心提取结果。


图2 重叠光斑两次分割法.


图3多光斑/重叠光斑中心提取结果

经过实验验证,使用该方法处理双折射太阳敏感器接收的图像,能够获得准确性和稳定性都较好的结果。在光斑扁率和重叠程度都较大的情况下,中心提取精度可以达到0.5 pixel,保证了双折射太阳敏感器的有效视场和高精度。

该课题组提出一种能够应用于多光斑/重叠光斑图像的光斑中心提取方法,并对提取算法的精度和稳定性进行了实验,证明这种方法能够同时完成多光斑和重叠光斑中心的提取工作,且能达到亚像素级别的定位精度和较好的稳定性,保证了双折射太阳敏感器的有效视场。研究人员表示,下一步还将继续验证双折射太阳敏感器的先进性与可行性,并对基于椭圆拟合的多光斑/重叠光斑中心提取方法进行应用范围的扩展。

 

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延伸阅读:

[1] 冯浩;张黎明;李佳伟;等. 基于CCD相机的反射式点光源高精度指向技术研究 [J]. 光学学报, 2018, 38(5): 0528004.

[2] 高婧婧;毕勇;李金鹏;等. 基于误差解耦的星敏感器热漂移标定系统研究[J]. 中国激光, 2019, 46(10): 1004004.

[3] 王海涌;王腾飞;朱宏玉;等 一种星敏感器导航星筛选算法[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(10):101101.