文｜中國科學院上海技術物理研究所、中國科學院空間主動光電技術重點實驗室 劉智慧 黃庚華 廖陽陽 謝鋒

0 引言

高分七號衛(wèi)星（GF-7）于2019年11月3日在太原成功發(fā)射，它是我國首顆亞米級高分辨率光學傳輸型立體測繪衛(wèi)星，也是民用測圖精度最高的衛(wèi)星，主要載荷于11月5日在軌開機工作并下傳數(shù)據(jù)。GF-7搭載了具有全波形記錄能力的對地觀測激光測高儀，該激光測高儀采用雙波束激光測高，并首次配備了足印相機分別對兩束激光光束成像，可輔助確定光斑位置；GF-7激光測高儀還配置了監(jiān)視相機對兩束發(fā)射激光成像，可輔助分析激光指向的穩(wěn)定性。美國地球科學激光高度計系統(tǒng)（GLAS）搭載的激光參考相機對發(fā)射脈沖成像得到激光參考陣列（LPA）影像，LPA記錄了GLAS發(fā)射激光脈沖的能量分布，監(jiān)視相機的作用與LPA有相似之處，可用于分析GF-7兩束發(fā)射激光光束的能量分布、指向穩(wěn)定性等，對分析激光測高儀在軌運行狀態(tài)具有重要意義。本文對GF-7地面研制和初始在軌運行時監(jiān)視相機圖像中發(fā)射激光光斑特性進行初步探索分析，主要包括激光光斑質(zhì)心穩(wěn)定性、光斑分布范圍穩(wěn)定性，以期為激光測高儀在軌運行狀態(tài)分析與數(shù)據(jù)應用提供參考。

1 研究方法

監(jiān)視相機圖像中發(fā)射激光光斑特性分析流程圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)視相機圖像中發(fā)射激光光斑特性分析流程圖

1.1 監(jiān)視相機圖像光斑區(qū)域提取

監(jiān)視相機圖像大小為550×550像素，發(fā)射激光光斑在圖像中占比較小，以兩個發(fā)射激光光斑的初始光斑中心最大值為基準，在行列方向上分別擴展20個像素形成40×40像素的圖像區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)進行光斑特性初步分析。

1.2 閾值分割

閾值分割的目的是提取出用于分析激光光斑特性的區(qū)域，閾值的確定采用迭代選取法。首先提取激光光斑圖像的最大值DNmax和最小值DNmin，設定初始閾值

以初始閾值將激光光斑圖像分為背景和目標兩部分，再分別計算背景和目標區(qū)域像素均值Pback和Pobj，重新計算閾值

以Tk+1為閾值進行圖像分割，然后再重新計算Pback和Pobj，迭代進行此過程直到Tk和Tk+1的差值小于某個設定值或達到最大迭代次數(shù)，根據(jù)此時的閾值對激光光斑圖像進行分割得到光斑區(qū)域，該區(qū)域外的像素值賦值為0。

1.3 質(zhì)心提取

光斑質(zhì)心提取對于激光光軸穩(wěn)定性分析有重要意義。常用的中心定位方法可分為基于灰度和邊緣擬合兩大類?；诨叶鹊某Ｒ姺椒ㄊ腔叶荣|(zhì)心法，基于邊緣的方法包括圓和橢圓擬合法。本文利用灰度質(zhì)心法和橢圓擬合法分別計算激光光斑的質(zhì)心，對比不同方法得到的質(zhì)心穩(wěn)定性。

灰度質(zhì)心法主要是以灰度作為權重計算光斑的質(zhì)心，其計算公式如下：

橢圓擬合法根據(jù)激光光斑邊緣數(shù)據(jù)，通過最小二乘法對邊緣進行橢圓擬合，橢圓中心為質(zhì)心位置。橢圓的參數(shù)方程可表示為公式（5）

其中，xc、yc表示中心位置，a、b表示長短半軸，θ表示橢圓離心角，α表示橢圓旋轉角。利用非線性最小二乘優(yōu)化邊緣點與擬合曲線正交距離的平方和，得到參數(shù)方程的各參數(shù)，進而確定光斑的質(zhì)心。

2 實驗分析

本文中采用2019年9月27日地面研制階段和2019年11月5日衛(wèi)星初始在軌運行測試階段的兩個數(shù)據(jù)包作為分析數(shù)據(jù)。衛(wèi)星在發(fā)射與在軌運行過程中因受振動、重力和熱環(huán)境變化等因素的影響，激光光軸可能發(fā)生變化，表現(xiàn)為激光光斑質(zhì)心位置的變化，而穩(wěn)定性是體現(xiàn)載荷運行狀態(tài)的重要指標。GF-7激光測高儀采用雙波束模式，監(jiān)視相機對兩束發(fā)射激光光斑成像，本文中地面和在軌運行數(shù)據(jù)的發(fā)射激光光斑均未達到飽和狀態(tài)，圖像連續(xù)無異常。

2.1 激光光斑圖像

地面研制階段監(jiān)視相機圖像中波束1激光光斑區(qū)域和波束2激光光斑區(qū)域相對于整體監(jiān)視相機圖像左上角像素位置（1,1）的位置分別為（286,51）和（133,201）。衛(wèi)星初始在軌運行測試階段監(jiān)視相機圖像中波束1激光光斑和波束2激光光斑圖像相對于整體監(jiān)視相機圖像左上角像素位置（1,1）的位置分別為（291,42）和（138,209）。圖2所示分別為地面研制階段和衛(wèi)星初始在軌運行測試階段監(jiān)視相機圖像中激光光斑1和激光光斑2，從圖中可以看出，激光光斑的形態(tài)有微小變化。

2.2 質(zhì)心穩(wěn)定性

質(zhì)心穩(wěn)定性是激光光軸穩(wěn)定性的直觀表現(xiàn)，不同質(zhì)心提取方式得到的質(zhì)心位置稍有差別，但是通過對序列質(zhì)心位置進行統(tǒng)計分析能夠反應出質(zhì)心位置的總體穩(wěn)定情況。表1是用兩種質(zhì)心提取方式對539幀地面和242 幀在軌監(jiān)視相機圖像進行質(zhì)心提取的統(tǒng)計結果。

從圖2和表1可以看出，（1）在軌運行測試階段的質(zhì)心位置與地面測試階段相比發(fā)生了變化；（2）兩種質(zhì)心提取方法對同一數(shù)據(jù)包中監(jiān)視相機圖像提取的同一光斑質(zhì)心位置差異較小，一定程度上反應了監(jiān)視相機圖像噪聲是比較小的；（3）衛(wèi)星在軌運行后兩束激光x、y 方向的穩(wěn)定性在都在0.4個像素內(nèi)，質(zhì)心穩(wěn)定性良好，系統(tǒng)在軌運行平穩(wěn)。

圖2 激光光斑（a）地面激光光斑1（b）地面激光光斑1（c）在軌激光光斑1（d）在軌激光光斑1

表1 光斑1和光斑2 質(zhì)心位置統(tǒng)計結果

2.3 參與計算的像素數(shù)

采用閾值分割確定參與光斑特性計算的圖像像素，該像素數(shù)反應光強分布范圍及足印的面積。對監(jiān)視相機圖像統(tǒng)計參與質(zhì)心計算的像素數(shù)，結果見表2。

表2 參與計算的激光光斑像素數(shù)

從表2可見，兩個激光器參與計算的激光光斑像素數(shù)比較穩(wěn)定。在地面研制階段，激光器1的光強集中且穩(wěn)定，初始在軌運行時，激光器1具有更好的穩(wěn)定性，激光器2的光強分布更加集中。

3 結論

采用激光測高儀地面研制階段和初始在軌運行測試階段監(jiān)視相機圖像數(shù)據(jù)，采用迭代選取法計算閾值確定光斑區(qū)域，通過灰度質(zhì)心法和橢圓擬合法分別提取激光光斑質(zhì)心，對同一數(shù)據(jù)同一光斑兩種方式提取的激光光斑質(zhì)心位置差異較?。怀跏荚谲夁\行時質(zhì)心穩(wěn)定性在0.4個像素內(nèi)；統(tǒng)計參與質(zhì)心計算的像素數(shù)，該像素數(shù)比較穩(wěn)定。綜上，衛(wèi)星受發(fā)射過程震動、重力釋放、溫度變化的影響，光軸指向、分布范圍雖發(fā)生變化，但初期在軌運行時激光光斑質(zhì)心、光斑面積穩(wěn)定性高，設備運行狀態(tài)良好。本文分析采用的是地面研制階段和激光測高儀初始開機運行時數(shù)據(jù)，其中地面研制階段數(shù)據(jù)與設備發(fā)射前狀態(tài)有可能存在差異，激光初始在軌運行環(huán)境也可能未穩(wěn)定，激光測高儀的連續(xù)運行狀態(tài)需依據(jù)序列在軌數(shù)據(jù)展開，也是后續(xù)研究工作的重點。