張 楠,韓興偉

(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)長(zhǎng)春人造衛(wèi)星觀測(cè)站,吉林 長(zhǎng)春 130117)

1 引 言

衛(wèi)星激光測(cè)距的原理是通過精確測(cè)量激光脈沖在地面觀測(cè)站和衛(wèi)星之間的往返時(shí)間間隔,從而計(jì)算出目標(biāo)到地面觀測(cè)站的距離。衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)是大地空間測(cè)量的主要技術(shù)之一,在人造衛(wèi)星或航天器的精密測(cè)定、精密時(shí)間比對(duì)等方面有著重要的科學(xué)應(yīng)用,尤其在地球動(dòng)力學(xué)和大地測(cè)量學(xué)領(lǐng)域有著重要貢獻(xiàn)[1-2]。衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)涵蓋多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,在各學(xué)科發(fā)展的推動(dòng)下,衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)主要朝著提高測(cè)量精度和測(cè)距系統(tǒng)的自動(dòng)化水平這兩個(gè)方向發(fā)展[3-4]。

通過軟硬件的協(xié)同配合來代替人的部分操作,最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備的穩(wěn)定工作和長(zhǎng)期運(yùn)行,能夠大大降低人力資源,因此對(duì)衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)的自動(dòng)化研究具有積極的意義和實(shí)用價(jià)值。本文介紹了一套用于衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)的圖像處理子系統(tǒng),該系統(tǒng)集圖像采集、存儲(chǔ)、顯示、目標(biāo)定位功能于一體,通過圖像處理方法,分別識(shí)別出衛(wèi)星和激光后向散射光尖,為控制系統(tǒng)提供根據(jù)偏差量信息,控制系統(tǒng)依據(jù)偏差量修正衛(wèi)星到視場(chǎng)中心閉環(huán)跟蹤,同時(shí)將激光出光方向鎖定到視場(chǎng)中心,實(shí)現(xiàn)對(duì)激光發(fā)射光束和望遠(yuǎn)鏡指向的自動(dòng)調(diào)整。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試,該子系統(tǒng)操作方便,運(yùn)行穩(wěn)定,有助于提高衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

2 系統(tǒng)框架

本文設(shè)計(jì)的圖像處理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件部分負(fù)責(zé)獲取觀測(cè)衛(wèi)星與激光光束圖像,并為算法提供計(jì)算機(jī)平臺(tái)；軟件部分主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像采集、實(shí)時(shí)計(jì)算激光束光尖和衛(wèi)星的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù),并通過網(wǎng)絡(luò)通訊的方式將激光光束光尖位置偏差量和衛(wèi)星位置偏差量發(fā)送給控制系統(tǒng),由控制系統(tǒng)根據(jù)偏差量完成后續(xù)的激光束指向調(diào)整以及目標(biāo)預(yù)報(bào)修正。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of the system

如圖1所示,硬件部分包括CCD相機(jī)、圖像采集卡以及計(jì)算機(jī)。相機(jī)與圖像采集卡組成圖像采集設(shè)備,計(jì)算機(jī)與采集卡相連接,作為圖像的存儲(chǔ)、處理和顯示設(shè)備,負(fù)責(zé)圖像采集、存儲(chǔ)、目標(biāo)提取功能,同時(shí)負(fù)責(zé)與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

軟件部分是在VC框架下進(jìn)行模塊化開發(fā),其結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要可以分為：圖像采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸3個(gè)部分。圖像采集模塊,在連接相機(jī)與圖像采集卡并且啟動(dòng)后,實(shí)時(shí)采集激光光束及觀測(cè)衛(wèi)星圖像,并通過PCI總線發(fā)送給圖像處理計(jì)算機(jī)；數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)實(shí)時(shí)采集的原始圖像進(jìn)行圖像處理,并計(jì)算衛(wèi)星及光尖的位置坐標(biāo),處理后的圖像與計(jì)算得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)均在人機(jī)交互界面上顯示；數(shù)據(jù)傳輸模塊通過網(wǎng)絡(luò)將衛(wèi)星及光尖的位置偏差反饋給控制系統(tǒng)。衛(wèi)星與光尖的識(shí)別均可以根據(jù)需求選擇自動(dòng)識(shí)別或手動(dòng)選擇兩種方法。

圖2 軟件系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of the software

3 圖像處理算法

對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理,主要包括目標(biāo)識(shí)別和目標(biāo)定位兩部份,主要圖像處理算法流程如圖3所示。

圖3 圖像處理算法流程Fig.3 Program flowchart of the image processing method

為了防止圖像中夾雜噪聲對(duì)目標(biāo)識(shí)別的影響,首先要對(duì)對(duì)原始圖像進(jìn)行濾波去噪。本文采用Butterworth低通濾波器,該濾波器的通帶和阻帶間沒有明顯的躍變,處理后圖像的模糊程度會(huì)減少,所以非常適合圖像的預(yù)處理工作。

3.1 目標(biāo)識(shí)別

目標(biāo)識(shí)別實(shí)際上是一個(gè)圖像分割的過程,首先將目標(biāo)同背景分離開,然后將衛(wèi)星與激光光束分離開。

結(jié)合圖像特點(diǎn)和算法復(fù)雜程度,采用全局閾值分離目標(biāo)與背景。全局閾值的選取采用基于統(tǒng)計(jì)的閾值算法[5-6],計(jì)算公式如式(1)所示：

T=V+α(P-V),0<α<1

(1)

其中,V為圖像的平均灰度;P為峰值灰度;α為比例系數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,α選在0.3左右比較合適。

這種自適應(yīng)閾值求取方法利用圖像的峰值灰度與平均灰度進(jìn)行比較得到的灰度閾值便可以檢測(cè)出目標(biāo),能夠隨背景變化及目標(biāo)信號(hào)大小自動(dòng)調(diào)整閾值大小。

獲取到閾值后,采用連通域算法[7]對(duì)灰度大于全局閾值的像素點(diǎn)進(jìn)行聚類識(shí)別,具體步驟如下：

(1) 從左至右,從上至下逐個(gè)像素掃描；

(2) 如果像素點(diǎn)的灰度值大于閾值T,則：

①如果左前一點(diǎn)和上一點(diǎn)均為背景,則當(dāng)前點(diǎn)加新標(biāo)記；

②如果左前一點(diǎn)或上一點(diǎn)有一個(gè)標(biāo)記,則復(fù)制這個(gè)標(biāo)記。

③如果左前一點(diǎn)和上一點(diǎn)均為已加標(biāo)記,則當(dāng)前點(diǎn)復(fù)制左點(diǎn)標(biāo)記。

(3)重復(fù)步驟(2)直到掃描完圖像。

(4)將標(biāo)記相同的像素點(diǎn)合并。

經(jīng)過連通域分割處理后,圖像中的目標(biāo)表現(xiàn)為相鄰的具有相同標(biāo)記點(diǎn)的像素點(diǎn)的集合。最后根據(jù)衛(wèi)星與激光光束的面積差異[8],進(jìn)行進(jìn)一步的目標(biāo)分離,分別得到衛(wèi)星圖像與激光束圖像,供后續(xù)處理使用。

3.2 目標(biāo)定位

對(duì)于衛(wèi)星定心,采用了帶閾值的質(zhì)心法[9]計(jì)算衛(wèi)星質(zhì)心,計(jì)算公式如式(2)所示。該方法相當(dāng)于在原圖像中去除背景,僅對(duì)大于背景閾值T的像素點(diǎn)求取質(zhì)心,相比傳統(tǒng)的質(zhì)心法具有更高的精度。

(2)

其中,

(3)

式(2)、(3)中,f(x,y)為原始圖像灰度值,F(x,y)為經(jīng)過修正的圖像灰度值,T為所取得閾值。

對(duì)于激光光尖定位,首先采用邊界跟蹤法[10]提取激光光束的邊緣。邊界跟蹤的基本方法是：邊緣跟蹤從圖像左上角開始逐像素掃描,當(dāng)遇到邊緣點(diǎn)時(shí),則開始順序跟蹤,直到其后續(xù)點(diǎn)再?zèng)]有新的后續(xù)點(diǎn)。邊界跟蹤對(duì)于邊界點(diǎn)的判斷精確,跟蹤后產(chǎn)生的輪廓邊緣寬度只有一個(gè)像素,而且整個(gè)邊界連續(xù)無中斷。

在獲得激光束邊緣輪廓后,用最小二乘法進(jìn)行直線擬合,上下邊緣各自可以擬合出一條直線,計(jì)算2條直線的交點(diǎn),近似為激光束光尖坐標(biāo)[11]。

4 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)第2 、3節(jié)介紹的圖像處理子系統(tǒng)的總體框架和具體的處理算法,以Windows7 操作系統(tǒng)為開發(fā)環(huán)境,用VC++和Qt作為開發(fā)工具,采用模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行相關(guān)功能模塊的開發(fā),完成了衛(wèi)星激光測(cè)距圖像處理子系統(tǒng)的軟件程序,系統(tǒng)的軟件界面如圖4所示。

圖4 圖像處理系統(tǒng)軟件界面Fig.4 Screenshot of software interface

本圖像處理子系統(tǒng)現(xiàn)已投入實(shí)際應(yīng)用,與衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)配合測(cè)試結(jié)果表明,該系統(tǒng)完成了預(yù)定的功能,操作方便,運(yùn)行穩(wěn)定。給出了本系統(tǒng)采集的圖像和進(jìn)行目標(biāo)定位的結(jié)果,如圖5所示。

圖像處理子系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際激光測(cè)距系統(tǒng),偏差量誤差在3"以內(nèi),可以滿足衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)的精度要求,具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

圖5 目標(biāo)定位圖Fig.5 Result of target location

5 結(jié)束語

本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求,實(shí)現(xiàn)了一套應(yīng)用于衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)的圖像處理子系統(tǒng)。根據(jù)衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)所獲得圖像的特點(diǎn),采用圖像處理技術(shù)來解算衛(wèi)星和激光束光尖相對(duì)于視場(chǎng)中心的位置偏差量,并轉(zhuǎn)換成跟蹤偏差值,進(jìn)而由控制系統(tǒng)依據(jù)此偏差值重新引導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行跟蹤并控制光束指向目標(biāo)。

在衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)中引入圖像處理方法,在一定程度上改善了現(xiàn)有衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)中目標(biāo)預(yù)報(bào)偏差和激光不能精確指向的問題,減少了人工操作的工作量,提高了衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)的精度和工作效率。該圖像處理子系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,滿足衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的要求。

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