纳米级定心精度测试系统技术方案

本申请涉及光学成像式精密测量技术领域，特别涉及一种纳米级定心精度测试系统

【技术实现步骤摘要】
纳米级定心精度测试系统、方法及存储介质


[0001]本申请涉及光学成像式精密测量
，特别涉及一种纳米级定心精度测试系统
、
方法及存储介质
。

技术介绍

[0002]在光学测量中，点目标质心定位技术用于将数字图像中目标区域的像素灰度映射为目标亚像素质心位置，在空间导航
、
天文观测和超分辨显微等领域具有重要应用
。
星敏感器是航天器上姿态测量精度最高的敏感器，是决定航天任务成败与性能高低的关键性器件，主要以恒星作为测量参考基准，对恒星进行成像
、
提取
、
定心与星表匹配识别，进而解算空间绝对姿态
。
在此过程中，恒星定心技术几乎决定了星敏感器的姿态测量精度，因此高精度定心算法成为多年来的研究重点并获得迅速更迭与发展
。
[0003]然而，在定心精度向几十纳米甚至几纳米发展的进程中，难以对百分之一像素到千分之一像素量级的精度进行有效测试和验证，技术瓶颈愈发凸显
。
相关技术中的定心精度测试方式有实验室测试和外场测试
。
[0004]星模拟器测试系统是实验室广泛使用的测试方法，其通过液晶光阀等显示器件形成模拟星图及星点运动，能够对星敏感器的定心精度及测姿功能进行基础性验证，但受显示器件的像素尺寸制约，模拟星点的位置精度及运动步长只能是离散的像素量级，此外不同像素的亮度具有一定不均匀性，为定心算法的精度评估带来较大误差
。
另一种实验室测试方法是利用高精度转台带动星敏感器进行姿态变化，再对静态光学点目标进行成像定心，将图像处理结果与转台运动信息对比从而评估精度，但仅依靠转台角秒级精度的机械运动难以在几十毫米焦距星敏的探测器上形成像斑纳米级精密运动，无法对纳米级定心算法进行有效测试
。
[0005]外场测试方法主要是将星敏感器固定在可转望远镜或固定三脚架上对真实星空进行观测，具有贴近在轨真实应用的优点，但地基观测方式受大气复杂扰动影响，定心精度中耦合大气角秒级误差，难以分离，影响了对定心算法本身的评估
。
因此在像斑纳米级定心精度的量级上，常用测试系统或环境引入的噪声不可忽视，耦合在定心误差里难以分离，影响了对定心算法本身精度的评估和测试，限制了高精度定心算法的研究和发展
。

技术实现思路

[0006]本申请提供一种纳米级定心精度测试系统
、
方法及存储介质，以解决传统定心测试方法受像素尺寸
、
机械误差和大气扰动制约导致的光学目标运动离散化及运动精度差等问题
。
[0007]本申请第一方面实施例提供一种纳米级定心精度测试系统，包括以下步骤：机械运动模块，用于驱动
OLED(Organic Light
‑
Emitting Diode
，有机发光二极管
)
显示屏进行亚像素级的微位移；光学缩放模块，用于通过大比例光学缩放方式将
OLED
显示屏的微位移缩小到待测仪器的图像探测器上，形成阵列像斑的图像；图像处理模块，用于采集所述阵列
像斑的图像，识别所述图像中所述阵列像斑的像斑质心位移估计值，基于所述像斑质心位移估计值和所述图像探测器上的目标质心的位移真值计算所述待测仪器的定心精度
。
[0008]可选地，所述机械运动模块包括音圈电机固定机构
、
音圈电机可动机构
、
光栅尺
、
转接装置
、
运动控制器及上位机，其中，所述光栅尺与所述音圈电机固定机构相连，所述转接装置同时连接音圈电机可动机构和所述
OLED
显示屏，所述上位机与所述运动控制器接收所述光栅尺的位置测量结果，根据所述位置测量结果对所述音圈电机进行闭环控制
。
[0009]可选地，所述光学缩放模块包括
OLED
显示屏，长焦距平行光管和短焦距待测仪器的光学镜头组，其中，所述
OLED
显示屏发出光信号，经所述长焦距平行光管准直和所述短焦距待测仪器的光学镜头组汇聚后，在图像探测器上形成阵列像斑的图像
。
[0010]可选地，所述
OLED
显示屏的发光平面位于所述平行光管的焦面内，
OLED
显示屏的中心位于所述平行光管主点附近，所述机械运动模块的可动机构通过转接件与
OLED
显示屏固连，驱动
OLED
显示屏在平行光管的焦平面内进行二维的微位移
。
[0011]可选地，所述图像处理模块包括采集卡和上位机，其中，所述采集卡用于采集所述阵列像斑的图像，所述上位机用于对所述阵列像斑的图像进行像斑定位和精度评估
。
[0012]可选地，所述系统工作在光学抗振平台和暗室的环境
。
[0013]本申请第二方面实施例提供一种纳米级定心精度测试方法，包括：在
OLED
显示屏上加载目标模版矩阵，形成模拟阵列光学目标；控制机械运动模块带动所述
OLED
显示屏进行亚像素级的微位移，通过大比例光学缩放方式将光学目标缩小到待测仪器的图像探测器上，形成阵列像斑的图像，并根据平行光管和待测仪器的光学参数，获得图像探测器上的目标质心的位移真值；采集所述阵列像斑的图像，识别所述图像中所述阵列像斑的像斑质心位移估计值，基于所述像斑质心位移估计值和所述图像探测器上的目标质心的位移真值计算所述待测仪器的定心精度
。
[0014]可选地，所述控制机械运动模块带动所述
OLED
显示屏进行亚像素级的微位移，包括：在所述
OLED
显示屏的微位移的次数使得所述图像探测器上阵列像斑跨越预设个像素时，停止测试
。
[0015]可选地，所述识别所述图像中所述阵列像斑的像斑质心位移估计值，包括：识别所述图像中像斑最亮像素为中心的预设窗口；将所述预设窗口作为提取区域，将所述提取区域以外的区域的像素均值作为图像背景，提取每一帧的像斑图像的像斑有效区域并去除图像背景；基于所述像斑有效区域获得像斑有效灰度矩阵序列，对所述像斑有效灰度矩阵序列进行亚像素定位，将每一个有效灰度矩阵映射为像斑质心位移估计值
。
[0016]本申请第三方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如上述实施例所述的纳米级定心精度测试方法
。
[0017]由此，本申请至少具有如下有益效果：
[0018]本申请实施例利用机械运动模块驱动
OLED
进行亚像素级微位移，突破像素尺寸对目标位置模拟精度的限制，实现细化到亚像素位置的模拟光学阵列目标生成；进一步地，通过大比例光学缩放方式将
OLED
机械微位移缩小到待测仪器的探测器上，从而缩小机械运动误差，在探测器上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种纳米级定心精度测试系统，其特征在于，包括：机械运动模块，用于驱动
OLED
显示屏进行亚像素级的微位移；光学缩放模块，用于通过大比例光学缩放方式将
OLED
显示屏的微位移缩小到待测仪器的图像探测器上，形成阵列像斑的图像；图像处理模块，用于采集所述阵列像斑的图像，识别所述图像中所述阵列像斑的像斑质心位移估计值，基于所述像斑质心位移估计值和所述图像探测器上的目标质心的位移真值计算所述待测仪器的定心精度
。2.
根据权利要求1所述的纳米级定心精度测试系统，其特征在于，所述机械运动模块包括音圈电机固定机构
、
音圈电机可动机构
、
光栅尺
、
转接装置
、
运动控制器及上位机，其中，所述光栅尺与所述音圈电机固定机构相连，所述转接装置同时连接音圈电机可动机构和所述
OLED
显示屏，所述上位机与所述运动控制器接收所述光栅尺的位置测量结果，根据所述位置测量结果对所述音圈电机进行闭环控制
。3.
根据权利要求1所述的纳米级定心精度测试系统，其特征在于，所述光学缩放模块包括
OLED
显示屏，长焦距平行光管和短焦距待测仪器的光学镜头组，其中，所述
OLED
显示屏发出光信号，经所述长焦距平行光管准直和所述短焦距待测仪器的光学镜头组汇聚后，在图像探测器上形成阵列像斑的图像
。4.
根据权利要求3所述的纳米级定心精度测试系统，其特征在于，所述
OLED
显示屏的发光平面位于所述平行光管的焦面内，
OLED
显示屏的中心位于所述平行光管主点附近，所述机械运动模块的可动机构通过转接件与
OLED
显示屏固连，驱动
OLED
显示屏在平行光管的焦平面内进行二维的微位移
。5.
根据权利要求1所述的纳米级定心精度测试系统，其特征在于，所述图像处理模块包括采...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢飞，战海洋，张利，曹宏婧，尤政，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：