基于TFT-LCD的動(dòng)態(tài)星模擬器星點(diǎn)位置修正方法

基于TFT-LCD的動(dòng)態(tài)星模擬器星點(diǎn)位置修正方法

介紹了基于TFT-LCD的動(dòng)態(tài)星模擬器的工作原理及星點(diǎn)位置誤差的計(jì)算方法。利用經(jīng)緯儀對(duì)動(dòng)態(tài)星模擬器顯示的網(wǎng)格星點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算了各星點(diǎn)的位置誤差及修正系數(shù)。對(duì)網(wǎng)格上星點(diǎn)的修正系數(shù)進(jìn)行分區(qū)處理，并利用Matlab軟件對(duì)各分區(qū)的修正系數(shù)進(jìn)行曲線擬合，得到修正系數(shù)關(guān)于星點(diǎn)位置（方位或俯仰）坐標(biāo)的方程。結(jié)果表明，修正后星點(diǎn)的位置誤差均小于35″，滿足動(dòng)態(tài)星模擬器的設(shè)計(jì)要求。

動(dòng)態(tài)星模擬器；經(jīng)緯儀；曲線擬合

1 引 言

動(dòng)態(tài)星模擬器是一種星敏感器的地面檢測(cè)標(biāo)定設(shè)備，在星敏感器的檢測(cè)與標(biāo)定過(guò)程中起著重要作用。動(dòng)態(tài)星模擬器能夠模擬無(wú)窮遠(yuǎn)處恒星組成的星圖，能夠顯示不同恒星的位置及星等。星敏感器通過(guò)觀察動(dòng)態(tài)星模擬器顯示的星圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的星圖識(shí)別和星跟蹤等功能的檢測(cè)。因此，動(dòng)態(tài)星模擬器顯示星圖的準(zhǔn)確程度直接影響了星敏感器檢測(cè)的準(zhǔn)確程度［1，2］。

動(dòng)態(tài)星模擬器主要由星點(diǎn)顯示器和準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)兩部分組成。通過(guò)星點(diǎn)顯示器顯示出來(lái)的星點(diǎn)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)后，遠(yuǎn)離中心點(diǎn)顯示的星點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一定的像差，因此要對(duì)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后的星點(diǎn)位置進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)星點(diǎn)在原始坐標(biāo)系中的輸入坐標(biāo)進(jìn)行修正，使其經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后的位置與理論值的誤差在允許范圍之內(nèi)［3，4］。

2 工作原理

動(dòng)態(tài)星模擬器的工作原理如圖1所示。TFTLCD顯示器放在準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，且光學(xué)系統(tǒng)的軸心與TFT-LCD顯示器所使用的視場(chǎng)中心重合。背光板發(fā)出的光均勻照射到TFT-LCD顯示器上，TFT-LCD顯示出亮度均勻的星點(diǎn)，星點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)后形成平行光射出，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)恒星的模擬顯示。TFT-LCD顯示器的星圖顯示由計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)計(jì)算機(jī)輸入的數(shù)據(jù)，對(duì)不同的星圖進(jìn)行模擬顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)星敏感器星圖識(shí)別和星跟蹤等功能的檢測(cè)。

圖1 動(dòng)態(tài)星模擬器原理圖Fig.1 Schematic diagram of dynamic star simulator

3 星點(diǎn)位置的測(cè)量

利用計(jì)算機(jī)控制TFT-LCD顯示器，使其在整個(gè)視場(chǎng)中顯示如圖 2所示的網(wǎng)格（間距為126 pixel），網(wǎng)格中每一個(gè)交叉點(diǎn)代表一個(gè)待測(cè)的星點(diǎn)。以TFT-LCD顯示器所使用的視場(chǎng)中心點(diǎn)O為中心，使用萊卡TM5100A經(jīng)緯儀對(duì)各點(diǎn)相對(duì)于中心點(diǎn)的俯仰角和方位角進(jìn)行測(cè)量。

圖2 動(dòng)態(tài)星模擬器測(cè)試網(wǎng)格Fig.2 Test grid of dynamic star simulator

4 星點(diǎn)坐標(biāo)的修正

4.1 網(wǎng)格上各星點(diǎn)的位置計(jì)算

用經(jīng)緯儀測(cè)量給定網(wǎng)格上各星點(diǎn)的方位角和俯仰角（αi，βi），中心星點(diǎn) O 為（α0，β0），則網(wǎng)格上任意一星點(diǎn)P（mi，ni）相對(duì)中心O的方位角和俯仰角（α0i，β0i）為：

P點(diǎn)相對(duì)中心點(diǎn)O的實(shí)測(cè)像素?cái)?shù)位置坐標(biāo)（m′i，n′i）為：

式中，α，β為P點(diǎn)相對(duì)于中心點(diǎn)O的方位和俯仰角，f ′為光學(xué)系統(tǒng)焦距實(shí)測(cè)值，spix為像元尺寸。

4.2 修正系數(shù)計(jì)算

當(dāng)被測(cè)點(diǎn)P相對(duì)于中心點(diǎn)O的方位角和俯仰角為（α0，β0）時(shí)，其對(duì)應(yīng)的星點(diǎn)位置為（m′i，n′i），但實(shí)際應(yīng)該點(diǎn)亮的像素理論位置為（mi，ni），即需要修正系數(shù)把（m′i，n′i）修正到（mi，ni）才能滿足修正要求。任意被測(cè)星點(diǎn)P的橫向修正系數(shù)km和縱向修正系數(shù)kn為：

為了確定網(wǎng)格點(diǎn)之外星點(diǎn)的修正系數(shù)，需要統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格點(diǎn)上各星點(diǎn)的修正系數(shù)與對(duì)應(yīng)星點(diǎn)位置的關(guān)系。通過(guò)觀察它們?cè)谡菆D中的分布規(guī)律，確定如何分區(qū)計(jì)算各點(diǎn)修正系數(shù)的均值。驗(yàn)證取均值后各點(diǎn)的修正系數(shù)是否滿足修正要求，點(diǎn)P進(jìn)行修正后的位置（m″i，n″i）為：

判斷m′i，n″i和mi，ni的關(guān)系，如不滿足要求則需要重新劃分區(qū)域計(jì)算均值，直到滿足要求為止。

4.3 曲線擬合

根據(jù)經(jīng)緯儀對(duì)網(wǎng)格上各點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)分區(qū)后各區(qū)域的修正系數(shù)進(jìn)行處理。在一個(gè)被劃分好的區(qū)域中，各點(diǎn)的修正系數(shù)k是其所在位置的函數(shù)，應(yīng)用這些已知的函數(shù)對(duì)，以位置為（方位或俯仰）橫坐標(biāo)，系數(shù)為縱坐標(biāo)，使用matlab軟件進(jìn)行最小二乘擬合，得到該區(qū)域的方位修正系數(shù)k和俯仰修正系數(shù)K關(guān)于星點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）的曲線方程，根據(jù)方程可求得分區(qū)內(nèi)任意星點(diǎn)位置的修正系數(shù)。

（1）當(dāng)x＞0，y＞0時(shí)

星點(diǎn)方位坐標(biāo)x的修正系數(shù)擬合曲線如圖3所示。

圖3 方位坐標(biāo)修正系數(shù)擬合曲線Fig.3 Fitting curve of correction factor for positon

方位坐標(biāo)修正系數(shù)方程為：

圖4 俯仰坐標(biāo)修正系數(shù)擬合曲線Fig.4 Fitting curve of correction factor for pitch

星點(diǎn)俯仰坐標(biāo)y的修正系數(shù)擬合曲線如圖4所示。

俯仰坐標(biāo)修正系數(shù)方程為：

同理可求出其它區(qū)域的方位、俯仰坐標(biāo)的修正系數(shù)曲線方程。

（2）當(dāng)x＞0，y＜0時(shí)

方位坐標(biāo)修正系數(shù)方程為：

俯仰坐標(biāo)修正系數(shù)方程為：

（3）當(dāng)x＜0，y＞0時(shí)

方位坐標(biāo)修正系數(shù)方程為：俯仰坐標(biāo)修正系數(shù)方程為：

（4）當(dāng)x＜0，y＜0時(shí)

方位坐標(biāo)修正系數(shù)方程為：

俯仰坐標(biāo)修正系數(shù)方程為：

5 修正結(jié)果檢驗(yàn)

5.1 星點(diǎn)位置誤差的計(jì)算

若任意兩個(gè)星點(diǎn)P1，P2在TFT-LCD顯示器有效像面上用經(jīng)緯儀測(cè)出方位角和俯仰角為 P1（u1，v1），P2（u2，v2），則星點(diǎn)P1，P2間的星對(duì)角距實(shí)測(cè)值θ0可由下式計(jì)算得到：

式中，δ1=90°-β1，δ2=90°-β2。

若任意兩個(gè)星點(diǎn)P1，P2在TFT-LCD顯示器有效像面上的理論位置為P1（u2，v1），P2（u2，v2），則星點(diǎn)P1，P2間的星對(duì)角距理論值θ0為：

式中，f為準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)焦距的實(shí)測(cè)值。

任意兩個(gè)星點(diǎn)的星對(duì)角距誤差Δθ為：

取所有任意兩點(diǎn)Δθ最大者為模擬器的星對(duì)角距誤差。若選P1點(diǎn)為視場(chǎng)中心點(diǎn)O，則上式中Δθ為單星位置誤差。

5.2 星點(diǎn)位置誤差修正結(jié)果

根據(jù)修正系數(shù)的分區(qū)，將擬合好的修正系數(shù)曲線方程輸入計(jì)算機(jī)，隨機(jī)設(shè)置10個(gè)星點(diǎn)坐標(biāo)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制TFT-LCD顯示輸出。利用經(jīng)緯儀對(duì)10個(gè)星點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算其相對(duì)于中心點(diǎn)O的星對(duì)角距誤差（即星點(diǎn)位置誤差），測(cè)量結(jié)果如表1所示。經(jīng)過(guò)測(cè)量，10個(gè)點(diǎn)的星點(diǎn)位置誤差均小于35″，滿足動(dòng)態(tài)星模擬器設(shè)計(jì)要求。

表1 修正后的星點(diǎn)位置誤差Tab.1 Corrected star position errors

6 結(jié) 論

本文利用經(jīng)緯儀對(duì)動(dòng)態(tài)星模擬器顯示的星點(diǎn)網(wǎng)格進(jìn)行了測(cè)量。根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，計(jì)算了各網(wǎng)格上各星點(diǎn)的位置誤差及修正系數(shù)。利用Matlab軟件對(duì)分區(qū)處理的修正系數(shù)進(jìn)行了曲線擬合，并得出了修正系數(shù)的方程。通過(guò)經(jīng)緯儀重新測(cè)量，證明修正后動(dòng)態(tài)星模擬器顯示的星點(diǎn)位置誤差均小于35″，達(dá)到了動(dòng)態(tài)星模擬器的設(shè)計(jì)要求。

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Abstract：To measure total solar irradiance accurately，the solar irradiance absolute radiometer SIAR-3a with the ability of automatic solar tracking is designed and constructed.The principle and structure of the solar irradiance absolute radiometer SIAR-3a are presented in this paper and its control scheme for automatic double-axis solar tracking is proposed.The solar irradiance absolute radiometer SIAR-3a imposes electricity to calibrate the total solar irradiance，which is able to measure the total solar irradiance and follow the sun simultaneously.In the calibration experiments，the corresponding rms error limit of SIAR-3a amounts to 0.06％at the 3σ level，which has been calibrated to World Radiometric Reference stored in World Radiation Centre（WRC）in Davos，Switzerland.The experiment results indicate that SIAR-3a works reliably and accurately.

Key words：solar irradiance；total solar irradiance；absolute radiometer；solar tracking；irradiation calibration

文章編號(hào)1674-2915（2011）03-0252-07

王 俁1，張國(guó)玉1，2，高玉軍3，孫高飛1，鄭 茹1

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林長(zhǎng)春130022；
2.光電測(cè)控與光信息傳輸技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130022；
3.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033）

Star position correction of dynamic star simulator based on TFT-LCD

WANG Yu1，ZHANG Guo-yu1，2，GAO Yu-jun3，SUN Gao-fei1，ZHENG Ru1

（1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China；2.Key Laboratory of Optoelectronic Measuring-controlling and Optical Information Transmiting Technology，Ministry of Education，Changchun 130022，China；3.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

This paper describes the working principle of the dynamic star simulator based on a TFT-LCD and the calculation of the revised star angular distance error.A theodolite is used to measure the star point on the grid shown by the dynamic star simulator，then the position error correction factor of each star point is calculated based on the measured data.The correction coefficient of the star point on the grid is partitioned，and Matlab software is used for the curve fitting of each partition′s revised correction coefficients to get the（azimuth or elevation）coordinate equations of the star position.The experimental result shows that the revised star angular distance error is less than 35″，which meets the design requirements of the dynamic star simulator.

dynamic star simulator；theodolite；curve fitting

Solar irradiance absolute radiometer with ability of automatic solar tracking

WANG Hong-rui，F(xiàn)ANG Wei

（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

V448

A

1674-2915（2011）03-0247-05

2011-01-14；

2011-04-13

王 俁（1984—），男，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生，主要從事精密測(cè)控技術(shù)與儀器方面的研究。

E-mail：richie_wang@126.com

張國(guó)玉（1962—），男，吉林松原人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事空間科學(xué)與技術(shù)、光電儀器與探測(cè)技術(shù)方面的研究。E-mail：zh_guoyu@yahoo.com.cn