[发明专利]一种二维姿态角的测量方法和系统

权利要求书

1.一种二维姿态角的测量方法，其特征在于，该方法包括：

将平行准直光源的平行入射光线通过针孔光阑上的多个不对称的阵列小孔投射在图像传感器成像面上，形成多个光斑；

根据光斑成像区域，计算各光斑质心在成像面的坐标；

根据各光斑质心相对位置关系，在各光斑为入射光线通过针孔光阑经平面反射镜反射在图像传感器成像面上形成的反射光斑时，计算各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标；根据各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法计算出入射光线的二维姿态角；

在各光斑为入射光线直接通过针孔光阑投射在图像传感器成像面上形成的正射光斑时，根据各光斑质心的坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法计算出入射光线的二维姿态角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算各光斑质心在成像面的坐标之前，该方法进一步包括：对针孔光阑、平面反射镜和图像传感器的成像面进行系统建模；

所述系统建模具体为：取针孔光阑中心到图像传感器的成像面的垂直点，作为图像传感器成像面的平面直角坐标系的原点，计算出各阵列小孔的中心坐标、及平面反射镜的位置。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述计算出入射光线的二维姿态角具体为：根据各光斑质心的坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法得到入射光线的多个二维姿态角，将所有得到的二维姿态角取平均值作为入射光线的二维姿态角。

4.一种二维姿态角的测量系统，其特征在于，该系统包括：

平行准直光源，用于提供平行入射光；

成像单元，用于将平行准直光源的平行入射光线通过多个不对称的阵列小孔投射在成像面上形成多个光斑，并将各光斑的成像区域传送给计算机处理单元；

计算机处理单元，用于根据成像单元传来的各光斑的成像区域，计算出各光斑的质心坐标，并根据各光斑的质心的相对位置，在各光斑为经过平面反射镜反射形成的反射光斑时，计算各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标，根据各光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何的方法计算出二维姿态角；在各光斑为入射光线直接通过针孔光阑投射在图像传感器成像面上形成的正射光斑时，根据各光斑质心的坐标和相应阵列小孔的中心坐标及系统焦距，通过三角几何方法计算出入射光线的二维姿态角。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述成像单元进一步包括：

针孔光阑，用于利用多个不对称的阵列小孔，在平行准直光源的平行入射光线照射时，在图像传感器的成像面上形成多个不对称的光斑；

图像传感器，用于将各光斑成像区域的光信号转换为电信号，逐个传送给计算机处理单元；

平面反射镜，用于将通过针孔光阑照射来的光线反射到图像传感器上。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述计算机处理单元进一步包括：

质心计算单元，用于通过一阶矩质心算法计算各光斑的质心坐标；

光斑正反识别单元，用于根据各光斑的质心坐标得到各光斑的质心的相对位置，在经过平面反射镜反射形成反射光斑时，计算反射光斑映射到虚拟扩展的成像面内的质心坐标；在没有经过平面反射镜反射而形成正射光斑时，直接将各光班的质心坐标传送给姿态角计算单元；

姿态角计算单元，用于根据预先设定的系统焦距、光斑正反识别单元传送的光斑质心坐标和针孔光阑的各阵列小孔的中心坐标，采用三角几何的方法计算出光线的二维姿态角。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述计算机处理单元进一步包括：

系统建模单元，用于取针孔光阑中心到图像传感器的成像面的垂直点，作为图像传感器成像面的平面直角坐标系的原点，为针孔光阑、平面反射镜和图像传感器的成像面进行系统建模，计算出各阵列小孔的中心坐标、及平面反射镜的位置；还用于为质心计算单元提供计算所需的直角坐标系。

8.根据权利要求4至7任一项所述的系统，其特征在于，该系统进一步包括：

接口单元，用于将成像单元得到的图像数据按照所使用的接口传送协议进行封装，传送到计算机处理单元。