《Optics & Laser Technology》：Wide-FOV and high-accuracy compound-eye-inspired sun sensor with orthogonal codes
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仿生复眼多孔径太阳传感器基于检测器多路复用和正交编码调制，通过编码子视场成像区域实现120°广视角与0.0001°高分辨率，实验室误差0.0038°（1σ），户外相对误差0.0012°（1σ）。
李张|曹洪静|李宇航|詹海阳|刘新源|史海燕|张哲|李金|费星|张志辰
北京航空航天大学集成电路科学与工程学院自旋电子学国家重点实验室，中国北京100191
摘要
太阳传感器在航天器指向确认和光伏系统的太阳跟踪中发挥着重要作用。现有的单孔径太阳传感器面临一个矛盾：无法同时实现宽视场（FOV）和高角测量分辨率。多摄像头拼接的太阳传感器存在结构复杂、体积大和功耗高的缺点。受昆虫复眼启发，开发了一种小体积的多孔径太阳传感器。该传感器基于探测器复用和正交编码调制原理，将来自不同天空区域的调制太阳图像投影到同一个探测器上。通过收集编码信息，可以识别子视场（sub-FOVs），实现120°的宽视场。通过平均多个子眼的测量结果，减少了随机误差，计算出的太阳方向向量的分辨率为0.0001°，准确度为0.0038°（1σ）。
引言
太阳传感器是一种光电传感器，通过观察探测器上太阳成像点的具体位置来检测太阳的方位角。其主要功能是提供太阳相对于传感器的方向信息。作为现代光学传感技术的重要组成部分，太阳传感器在航天器、卫星、无人机和太阳跟踪系统等多个关键领域中发挥着不可或缺的作用[1]。在航空航天应用中，太阳传感器可以提供精确的太阳方位角，确保飞行器姿态控制的稳定性，或用于高精度导航和定位系统[[2], [3], [4], [5]]。在可再生能源领域，太阳传感器（也称为太阳跟踪器）专注于捕捉、跟踪和粗略定位太阳，驱动太阳能板和电池转动，以最大化光收集效率[6,7]。
太阳在天空中的位置是唯一的。因此，太阳传感器需要在近半球范围内搜索太阳的方位角，宽视场（FOV）成为太阳传感器的一个重要性能要求。从仿生学的角度出发，现有研究可以分为两类。一类是受鱼眼启发的太阳传感器，其光学系统主要是鱼眼相机，通过仿生原理模仿鱼眼观察水面上景物的方式，实现半球形或超半球形视场[[8], [9], [10], [11]]。这种结构属于单孔径光学系统，视场（FOV）和分辨率之间存在限制关系：虽然通过短焦距可以实现宽视场，但系统的角测量分辨率会降低，导致测量精度较低。另一类是受复眼启发的太阳传感器，它将多个高分辨率太阳传感器以金字塔形或半球形拼接的方式组合[3,4,7,12,13]。每个太阳传感器类似于昆虫复眼中的小眼（在复眼启发式太阳传感器系统中称为子眼），具有不同的子视场，这些子视场拼接在一起形成宽视场。然而，这种结构通常体积较大、成本较高且功耗较高。此外，太阳只在一个子眼中出现，大多数子眼处于闲置状态，导致系统资源利用率低。
提出了一种探测器复用测量原理，以解决宽视场和高测量分辨率之间的不兼容问题[[14], [15], [16]]。该方法通过共享单个探测器支持多个测量通道，从而减少了复眼启发式太阳传感器中的探测器硬件数量，以及成本和功耗。核心测量原理是在空间域进行编码，使来自多个子眼成像区域的信号能够在同一探测器上以时间共享的方式成像而不相互干扰，然后通过编码来识别成像区域。这种方法已应用于太阳传感器[14]，但缺乏子眼编码的设计。现有方法通过图像匹配来识别探测器收集到的图像对应的子眼区域[16]。这种解码计算量较大且计算效率较低。
经过上述分析，根据光学结构，宽视场太阳传感器可以分为三类。第一类是基于鱼眼镜头的太阳传感器；第二类是基于离散复眼的太阳传感器，该系统由多个单孔径相机或光敏元件拼接而成；第三类是基于集成复眼的太阳传感器，该系统主要采用探测器复用测量原理。三种系统的指标对比表见表1。
生物复眼具有并行处理能力，对外部信号的感知更新速率极高，处理速度非常快[17,18]。受生物复眼启发，本文开发了一种由编码子眼阵列组成的复眼光学系统，基于探测器复用原理实现宽视场和高分辨率的太阳方位角信息采集。设计了子眼阵列布局，并基于遗传算法设计了子眼位置之间的正交编码，大大提高了编码区域的冗余性和识别匹配速度。最终开发的复眼启发式太阳传感器可以实现120°的圆形视场。实验室中太阳方向向量的分辨率为0.0001°，绝对测量误差为0.0038°（1σ），实际室外环境中的相对测量误差为0.0012°（1σ）。
部分摘录
探测器复用和编码调制的测量原理
对于单孔径光学系统，观测视场（FOV）和角测量分辨率之间存在固有矛盾[19]。当系统焦距较短时，系统的视场较宽，可以观测到更广泛的目标范围；但此时系统的角测量分辨率较低，准确感知观测目标的能力较差。当系统焦距较长时，系统的视场较窄，
系统误差校准
受复眼启发的太阳传感器存在许多系统误差，主要来源包括：焦距误差、光学系统制造偏差、光学系统安装误差、保护玻璃折射误差等。这些误差之间存在很强的耦合关系，难以逐一解耦和校正。同时，一些误差项与太阳传感器的尺寸参数有关。例如，折射误差
结论
为满足宽视场和高精度测量太阳方向向量的要求，本文开发了一种受复眼启发的太阳传感器。基于探测器复用和编码调制原理，将太阳不同观测角度的天空区域投影到同一个探测器上。根据太阳的独特性和收集到的太阳成像点之间的编码信息，识别出太阳所在的子视场（sub-FOV），然后
作者贡献声明
李张：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、方法论、资金申请、正式分析、数据管理、概念化。曹洪静：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、正式分析、数据管理、概念化。李宇航：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、数据管理。詹海阳：撰写 – 审稿与编辑、正式分析、数据管理。刘新源：撰写 – 审稿与编辑、方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFB3906300）、CPSF博士后奖学金计划（项目编号：GZC20252756）以及北京自然科学基金-非共识创新项目（项目编号：F251046）的财政支持。
