[发明专利]一种双光谱三维姿态角测量装置及测量方法

说明书

本发明涉及一种双光谱三维姿态角测量装置及测量方法，解决现有三维姿态角测量系统复杂、体积大以及测量精度较低，不符合航天领域测量要求的问题。该装置包括双光谱光源、二维自准直仪、图像传感器电路板、五棱分光棱镜、折转棱镜和数据处理模块；双光谱光源发射红绿光谱光束，该光谱光束经二维自准直仪的同一狭缝出射后入射至五棱分光棱镜，五棱分光棱镜将双光谱光束分成两路，第一光路光束穿过五棱分光棱镜直接入射至被测立方镜前表面，第二光路光束通过折转棱镜折转入射至被测立方镜的侧表面，两路光束原路反射，二维自准直仪的图像传感器对返回的光束进行分时成像，图像传感器电路板对图像进行采集，并传输给数据处理模块。

技术领域

本发明涉及角度测量领域，具体涉及一种双光谱三维姿态角测量装置及测量方法。

背景技术

物体在空间中的旋转姿态主要包括滚转角、偏航角和俯仰角，其测量方法及测量设备一直是重点关注的对象。物体三维姿态角的测量方法主要包括干涉法、偏振法和自准直法。其中，干涉法抗干扰能力较差，测量精度容易受影响；偏振法测量系统复杂，测量装置体积较大，不能灵活布局安装使用；基于图像测量的自准直法具有测量精度高、系统结构简单、体积小、可以灵活布局等特点，使得自准直法(包括准直法)在三维姿态角度测量中大量应用。

当前工程应用中，被测装置的三维姿态测量主要采用三角布局三基座的测量系统，该系统可以通过灵活布局实现被测装置的三维姿态测量，但是需要多个单光普自准直仪同步协助测量，不同自准直仪之间受环境影响引入的相对误差难以消除，使得测量精度受到影响，由于航天领域测角精度要求极为严格，因此该测量精度不符合航天领域测角精度要求。同时，航空航天产品对设备体积要求更加严格，该系统相对布局复杂、体积大，难以满足航空航天产品的测量要求。

发明内容

针对现有技术中三维姿态角测量系统复杂、体积大以及测量精度较低，不符合航天领域测量要求的问题，本发明提供一种双光谱三维姿态角测量装置及测量方法，该装置是一种具有高精度、体积小巧、双光谱的三维姿态角测量装置。

本发明提供的技术方案如下：

一种双光谱三维姿态角测量装置，包括双光谱光源、二维自准直仪、图像传感器电路板、五棱分光棱镜、折转棱镜和数据处理模块；所述双光谱光源发射红绿光谱光束，该红绿光谱光束经二维自准直仪的同一狭缝出射后入射至五棱分光棱镜，五棱分光棱镜将红绿光谱光束分成两路，第一光路光束穿过五棱分光棱镜直接入射至被测立方镜前表面，第二光路光束通过折转棱镜折转入射至被测立方镜的侧表面，两路光束原路反射，二维自准直仪的图像传感器对返回的光束进行分时成像，图像传感器电路板对成像的图像进行采集，并传输给数据处理模块，数据处理模块通过融合计算得到被测立方镜的三维姿态；数据处理模块包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下计算过程；

计算被测立方镜的偏航角β、俯仰角ω和滚转角α；

S_2y＝f×tan2a₂

α＝arcsin(-sina₂/cosω)

其中，S_1z为第一光路光束在图像传感器上出射时的位置与返回时的位置在Z向的差值；S_1y为第一光路光束在图像传感器上出射时的位置与返回时的位置在Y向的差值；S_2y为第二光路光束在图像传感器上出射时的位置与返回时的位置在Y向的差值；f为二维自准直仪的接收系统焦距。

进一步地，所述五棱分光棱镜的左侧面设置有附加棱镜，所述五棱分光棱镜的右侧面、底面和附加棱镜的左侧面镀有宽带增透膜，使得红光与绿光的透过率优于99％，所述五棱分光棱镜的左侧面镀有半反半透膜，使红光透过率优于95％，使绿光反射率优于95％。