石鳳,常月娥,李懷鋒,劉志勇,何宗波

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京100094;2.北京理工大學(xué)光電學(xué)院光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081)

1 引言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,人類太空活動(dòng)越來(lái)越頻繁,越來(lái)越多的人造飛行器被送上太空,軌道碎片的數(shù)量大幅增長(zhǎng)?？臻g目標(biāo)之間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)隨之增大,航天器的安全運(yùn)行面臨著嚴(yán)重威脅。因此,各航天大國(guó)相繼開(kāi)展了空間碰撞預(yù)警、航天器規(guī)避操作、空間碎片清除等技術(shù)的研究。開(kāi)展這些研究的前提是對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和編目?？臻g目標(biāo)編目是通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取空間目標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù),利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法,確定空間目標(biāo)的軌道信息和特征信息并對(duì)其不斷更新和維護(hù)。美國(guó)宇航局 (National Aeronautics and Space Administration,NASA)提供的兩行軌道根數(shù) (Two Line Elements,TLE)數(shù)據(jù)庫(kù)是目前最大的地球軌道目標(biāo)編目庫(kù),其包括約18000個(gè)尺寸大于0.1米的目標(biāo)。[1]～[5]

我國(guó)正在積極開(kāi)展空間碎片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制,為了保證空間碎片監(jiān)測(cè)衛(wèi)星總體方案設(shè)計(jì)的合理性,我們研制開(kāi)發(fā)了天基空間碎片探測(cè)與信息處理仿真系統(tǒng),來(lái)模擬實(shí)際空間碎片探測(cè)過(guò)程。

2 天基空間碎片探測(cè)與信息處理仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)

天基空間碎片探測(cè)與信息處理仿真系統(tǒng)總架構(gòu)及功能組成如圖1所示,主要由接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)組成。為了將探測(cè)到的碎片和實(shí)際星體目標(biāo)的星等亮度相對(duì)應(yīng),還需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行輻亮度定標(biāo)。

圖1 仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 The overall architecture of the simulation system

組成模塊的功能分別如下:

·接收系統(tǒng),通過(guò)望遠(yuǎn)物鏡鏡頭將來(lái)自模擬器模擬的無(wú)限遠(yuǎn)的圖像信息聚焦并傳遞給可見(jiàn)光相機(jī),最終形成星象圖的可處理圖像數(shù)據(jù)并傳遞給數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng);同時(shí)接收系統(tǒng)中的可見(jiàn)光相機(jī)接收來(lái)自碎片背景生成器的同步信號(hào),用于同步星體目標(biāo)信號(hào)的發(fā)送和接收;

·數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng),對(duì)接收到的多幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,達(dá)到碎片探測(cè)與識(shí)別的目的,然后對(duì)目標(biāo)碎片數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析,針對(duì)某一特定的碎片進(jìn)行軌跡模擬演示與碎片信息 (如編目、星等)顯示;

·輻亮度定標(biāo),將實(shí)際天體目標(biāo)星等與探測(cè)器探測(cè)到的輻亮度信息對(duì)應(yīng)起來(lái),給探測(cè)到的數(shù)據(jù)賦予實(shí)際星等意義。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 接收系統(tǒng)

如圖2所示,接收系統(tǒng)硬件由大F數(shù)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、高速高靈敏度的可見(jiàn)光相機(jī)以及數(shù)據(jù)接口組成,用于收集來(lái)自模擬器模擬的星體目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息。

圖2 接收系統(tǒng)Fig.2 Signal receiving system

圖2中望遠(yuǎn)物鏡的作用是將模擬器模擬的目標(biāo)碎片信息成像到探測(cè)器上。為了滿足使用要求,將研制一套望遠(yuǎn)系統(tǒng),望遠(yuǎn)系統(tǒng)鏡頭在使用中將與模擬器鏡頭孔徑對(duì)接,避免雜散光入射。

相機(jī)需要在分辨率、量化精度和幀率等各方面全面優(yōu)于模擬器,才能確保模擬信息的全方位數(shù)據(jù)獲取,擬采用Andor公司的Zyla5.5型的SCMOS相機(jī),該相機(jī)具有大視場(chǎng)、高分辨率、低噪聲、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

數(shù)據(jù)接口包括數(shù)據(jù)采集接口和同步信號(hào)接口。

·數(shù)據(jù)采集接口主要指相機(jī) (數(shù)據(jù)端口)和數(shù)據(jù)處理設(shè)備之間的接口,作用是將可見(jiàn)光相機(jī)采集到的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),該接口預(yù)采用Cameralink接口,借助高速采集卡每秒可傳輸40幀全畫幅數(shù)據(jù)圖像;

·同步信號(hào)接口指目標(biāo)碎片信息模擬器和相機(jī) (同步信號(hào)端口)之間的接口,通過(guò)模擬器給相機(jī)發(fā)送的同步指令,實(shí)現(xiàn)圖像生成模擬器數(shù)據(jù)顯示和可見(jiàn)光相機(jī)數(shù)據(jù)采集之間的幀同步,避免出現(xiàn)采集到的信號(hào)為空的現(xiàn)象。

3.2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將可見(jiàn)光相機(jī)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,可以達(dá)到碎片識(shí)別、軌跡跟蹤與顯示的目的,其硬件模塊包括高速圖像處理器、高性能圖像顯示設(shè)備。

·圖像處理器 (成像端工控機(jī))的主要功能是將采集到的多幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行碎片探測(cè)與軌跡識(shí)別處理。因此圖像處理器需具有存儲(chǔ)量大、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)。

·圖像顯示設(shè)備是碎片探測(cè)與軌跡生成顯示器。為了滿足使用要求,圖像顯示設(shè)備應(yīng)具有分辨率高、屏幕尺寸大的特點(diǎn)。

3.3 輻亮度定標(biāo)系統(tǒng)

為了將天體目標(biāo)星等與探測(cè)器探測(cè)到的輻亮度值一一對(duì)應(yīng)起來(lái),在數(shù)據(jù)顯示時(shí)直接將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為目標(biāo)的星等值,需要進(jìn)行設(shè)備的輻亮度定標(biāo)。本系統(tǒng)采用基于標(biāo)準(zhǔn)輻射光源的標(biāo)定,輻亮度標(biāo)定原理如圖3所示,其定標(biāo)過(guò)程分為三步:

圖3 輻亮度標(biāo)定原理Fig.3 The principle of radiance calibration

·步驟1:接收系統(tǒng)輻亮度標(biāo)定,使用積分球?qū)紊庠催M(jìn)行漫反射得到均勻的輻射源,由接收系統(tǒng)進(jìn)行接收,從而得到光源實(shí)際輻射亮度與接收系統(tǒng)探測(cè)面獲得的數(shù)據(jù)灰度值之間的關(guān)系;

·步驟2:目標(biāo)輻亮度標(biāo)定,由接收系統(tǒng)采集星體目標(biāo)的圖像,結(jié)合步驟1所得的結(jié)果,得出星體目標(biāo)實(shí)際觀測(cè)到的亮度與接收系統(tǒng)探測(cè)器面獲取到的數(shù)據(jù)灰度值之間的關(guān)系;

·步驟3:星等標(biāo)定,將步驟2得到的結(jié)果,結(jié)合星體編目信息,最終得到星體目標(biāo)的星等與接收系統(tǒng)探測(cè)面上得到的數(shù)據(jù)灰度值之間的關(guān)系。

由輻亮度標(biāo)定原理可知,為了滿足整個(gè)可見(jiàn)光譜段的輻射定標(biāo)要求,需使用亮度可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)光源以及積分球。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的仿真、編目需求,系統(tǒng)研發(fā)包括接收系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件和輻亮度定標(biāo)軟件。

4.1 接收系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件

接收系統(tǒng)部分軟件功能主要包括相機(jī)數(shù)據(jù)采集控制以及數(shù)據(jù)顯示等;此外數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件模塊還需包括碎片目標(biāo)識(shí)別與提取和碎片目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤算法實(shí)現(xiàn)等功能。兩部分軟件功能密不可分,須集成在一起進(jìn)行操作,如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)Fig.4 Data processing system

(1)數(shù)據(jù)接口連接

由3.1可知,數(shù)據(jù)接口包括數(shù)據(jù)傳輸接口與同步信號(hào)接口,因此該軟件需保證軟件與硬件接口通信的正常進(jìn)行。

(2)相機(jī)數(shù)據(jù)采集控制

數(shù)據(jù)采集功能包括采集過(guò)程中的啟動(dòng)、停止以及參數(shù)設(shè)置,其中參數(shù)設(shè)置包括曝光時(shí)間、幀頻、增益以及溫度等信息的設(shè)置。數(shù)據(jù)采集功能使用PVCAM開(kāi)發(fā)庫(kù)提供的SDK函數(shù),自行開(kāi)發(fā)圖像采集模塊程序,流程如圖5所示。

圖5 圖像采集模塊流程Fig.5 The flow chart of image acquisition module

(3)碎片識(shí)別

碎片識(shí)別是指當(dāng)接收到接收系統(tǒng)所獲取到的數(shù)據(jù)信息后,通過(guò)一系列算法提取碎片信息,根據(jù)碎片信息將其與庫(kù)中的真實(shí)碎片一一對(duì)應(yīng),達(dá)到碎片編目的目的,最終記錄所有的碎片信息,并能將碎片信息顯示出來(lái)。碎片識(shí)別步驟如下:

·去噪。因相機(jī)設(shè)備本身和外界雜散光的干擾,會(huì)出現(xiàn)不規(guī)律的噪聲,此外部分目標(biāo)由于星等值過(guò)小,在數(shù)據(jù)獲取時(shí)易受其它因素干擾,導(dǎo)致無(wú)規(guī)律的出現(xiàn),加大軌跡識(shí)別難度,所以需要進(jìn)行去噪。一般使用二值化將可用信息與非可用噪聲來(lái)進(jìn)行區(qū)分;

·質(zhì)心識(shí)別。在目標(biāo)識(shí)別與軌跡跟蹤過(guò)程中,星體目標(biāo)的位置一般用質(zhì)心位置來(lái)標(biāo)識(shí),因此需要求得目標(biāo)的質(zhì)心位置;

·目標(biāo)分類。接收系統(tǒng)獲取的星體目標(biāo)一般可分為恒星目標(biāo)和碎片目標(biāo),而我們最終要進(jìn)行軌跡跟蹤和數(shù)據(jù)編目的為碎片目標(biāo),因此需要將恒星目標(biāo)和碎片目標(biāo)相區(qū)分。由于目前恒星目標(biāo)的位置研究非常成熟,已有成熟的恒星庫(kù),因此可采用將得到的目標(biāo)在恒星庫(kù)中尋找,利用匹配與否的方法來(lái)將二者進(jìn)行區(qū)分。

(4)軌跡跟蹤

軌跡跟蹤功能是指利用碎片目標(biāo)識(shí)別結(jié)果,將多幅幀圖像上提取的碎片目標(biāo)相聯(lián)系,得出碎片的運(yùn)動(dòng)軌跡。軌跡跟蹤思路如下:

·碎片目標(biāo)判別。由于需要進(jìn)行軌跡跟蹤的目標(biāo)是碎片目標(biāo),因此首先需要對(duì)目標(biāo)識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行判別,排除恒星目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算;

·軌跡預(yù)判?？梢愿鶕?jù)碎片目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向、接收系統(tǒng)載荷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)碎片目標(biāo)的位置進(jìn)行預(yù)判,以縮小下一幀圖像上目標(biāo)位置的找尋范圍,同時(shí)降低目標(biāo)位置誤判率;

·質(zhì)心坐標(biāo)。由于目標(biāo)編目所需要的信息是在地球坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù) (一般采用赤經(jīng)赤緯坐標(biāo)),因此需要根據(jù)接收系統(tǒng)載荷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、接收系統(tǒng)安裝位置以及接收器視場(chǎng)方向、位置等信息得到軌跡質(zhì)心在地球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

(5)數(shù)據(jù)顯示

數(shù)據(jù)顯示包括數(shù)據(jù)采集結(jié)果顯示以及碎片軌跡顯示,此外數(shù)據(jù)顯示還需要有一些額外的設(shè)置,包括在碎片顯示過(guò)程中的減背景、灰度拉伸、圖像翻轉(zhuǎn)等功能。

4.2 輻亮度定標(biāo)軟件

基于輻亮度標(biāo)定原理,利用標(biāo)定設(shè)備獲取的定標(biāo)數(shù)據(jù),得出不同光圈、不同放大率和不同曝光時(shí)間下接收系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)灰度值與星體星等之間的關(guān)系數(shù)據(jù),得到定標(biāo)函數(shù),然后對(duì)識(shí)別到的星體碎片進(jìn)行輻亮度定標(biāo),流程如圖6所示。

5 碎片識(shí)別與軌跡跟蹤算法

5.1 碎片目標(biāo)識(shí)別算法

識(shí)別算法如圖7所示:

圖6 輻亮度標(biāo)定功能流程Fig.6 The flow chart of radiance calibration

·首先進(jìn)行圖像預(yù)處理 (去噪),對(duì)幀圖像數(shù)據(jù)流中所有的目標(biāo)進(jìn)行信息提取;

·然后記錄目標(biāo)的質(zhì)心、形狀、亮度等信息;

·最后根據(jù)恒星庫(kù)對(duì)恒星目標(biāo)和碎片目標(biāo)進(jìn)行分類,其中碎片目標(biāo)為最終所需的數(shù)據(jù),恒星目標(biāo)可作為驗(yàn)證數(shù)據(jù),來(lái)驗(yàn)證算法的正確與否,同時(shí)作為判定碎片目標(biāo)在空間坐標(biāo)系下的位置的依據(jù)。

圖8a為空間碎片幀數(shù)據(jù)經(jīng)去噪處理后的效果,圖8b為經(jīng)識(shí)別的所有恒星目標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖7 識(shí)別算法Fig.7 Target recognition algorithm

5.2 軌跡跟蹤算法

軌跡跟蹤預(yù)采用幀間差分法來(lái)進(jìn)行識(shí)別,其計(jì)算步驟如圖9所示。圖10分別為編號(hào)16與編號(hào)28的碎片軌跡跟蹤效果,圖中x軸代表碎片幀圖像中的X軸坐標(biāo),z軸代表碎片幀圖像中的Y軸坐標(biāo),y軸代表幀序列數(shù) (幀序列長(zhǎng)度為60)。

圖8 識(shí)別結(jié)果Fig.8 Target recognition effect

圖9 軌跡跟蹤算法流程Fig.9 The flow of trajectory tracking algorithm

·獲取背景,以上一幅背景為初始背景 (如果當(dāng)前幀為第二幀,就以第一幀數(shù)據(jù)為初始背景),將前后兩幀數(shù)據(jù)中無(wú)變化的區(qū)域更新到背景中,作為最終背景;

·背景差分,將當(dāng)前幀的數(shù)據(jù)與背景進(jìn)行差分后,選取閾值進(jìn)行二值化;

·連通分析,對(duì)背景差分后的二值化圖像進(jìn)行腐蝕,以消除微小變動(dòng)的區(qū)域,然后將區(qū)域進(jìn)行膨脹,后找出數(shù)據(jù)的連通分析,視為移動(dòng)星體所在的區(qū)域;

·目標(biāo)判別,在移動(dòng)星體所在區(qū)域中找到本幀數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的星體,即為待檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

圖10 軌跡跟蹤仿真效果Fig.10 The effect of trajectory tracking simulation

6 結(jié)論

本文介紹了天基空間碎片探測(cè)與信息處理仿真系統(tǒng)的功能及總體框架,以及系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì),然后將通過(guò)系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到碎片識(shí)別與軌跡跟蹤結(jié)果。本仿真系統(tǒng)可為檢驗(yàn)天基碎片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案的合理性,為驗(yàn)證演示碎片探測(cè)檢測(cè)和信息處理等關(guān)鍵技術(shù)提供重要的工具手段。后續(xù)工作將進(jìn)一步完善和擴(kuò)展天基空間碎片探測(cè)與信息處理仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)能力提升:(1)提高空間碎片編目更新率,實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)廣域探測(cè)仿真;(2)增加衛(wèi)星對(duì)已知目標(biāo)的覆蓋性和時(shí)效性分析的功能,開(kāi)展系統(tǒng)的效能仿真,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)效能仿真分析和演示;(3)實(shí)現(xiàn)碰撞預(yù)警、空間事件快速響應(yīng)、典型空間任務(wù)流程仿真演示等功能,支持衛(wèi)星系統(tǒng)工程應(yīng)用。