鄭 謠,范存波,董 雪,張 楠,梁智鵬,宋清麗,高 健,苗澍茁,陳宏巖,董 賀

(1.中國科學(xué)院國家天文臺(tái)長春人造衛(wèi)星觀測(cè)站,吉林 長春 130117；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.吉林師范大學(xué),吉林 四平 136000)

1 引 言

傳統(tǒng)衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)工作波長為532 nm,隨著紅外APD探測(cè)器的技術(shù)進(jìn)步,1064 nm激光測(cè)距的優(yōu)勢(shì)逐漸顯露:大氣透過率更高,在觀測(cè)仰角20°時(shí),1064 nm波長大氣透過率約為532 nm波長的2倍；天空背景噪聲更小,白天天空背景噪聲強(qiáng)度較532 nm低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上[1-4]?；谝陨弦蛩?1064 nm激光測(cè)距較532 nm激光測(cè)距更具有優(yōu)勢(shì)。由于空間碎片預(yù)警及編目的需要,探測(cè)尺寸更小、距離更遠(yuǎn)、精度更高的目標(biāo)已經(jīng)成為空間碎片激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一,因此,使用1064 nm波長激光測(cè)距系統(tǒng)更有助于實(shí)現(xiàn)漫反射空間碎片激光測(cè)距[5-7]。

在近紅外激光測(cè)距系統(tǒng)中,1064 nm激光大氣透過率較高,導(dǎo)致后向散射微弱,所得激光束后向散射圖像信噪比和對(duì)比度較低、光束邊界模糊,不易判定光尖的準(zhǔn)確位置,影響激光出射方向準(zhǔn)直性和望遠(yuǎn)鏡收發(fā)光軸平行性,增加了空間碎片回波光子的搜索時(shí)間,從而影響近紅外激光測(cè)距的探測(cè)成功幾率。

國內(nèi)對(duì)532 nm激光測(cè)距的光尖識(shí)別做過相關(guān)研究[8-11],但對(duì)于背景噪聲強(qiáng)度大、對(duì)比度較低的近紅外后向散射暗弱圖像沒有通用性,準(zhǔn)確提取邊緣信息較為困難。為解決上述問題,本文提出了一種用于近紅外后向散射暗弱圖像的光束準(zhǔn)直性標(biāo)校方法,同時(shí)設(shè)計(jì)了光尖閉環(huán)軟件,實(shí)現(xiàn)激光束光尖位置的閉環(huán)調(diào)整,改進(jìn)激光束出射準(zhǔn)直性,進(jìn)而調(diào)整望遠(yuǎn)鏡收發(fā)光軸平行性,極大縮短了空間碎片回波光子的搜索時(shí)間。本文所提方法可有效提高近紅外激光測(cè)距系統(tǒng)的探測(cè)成功率。

2 光尖準(zhǔn)直性標(biāo)校方法

為解決近紅外激光發(fā)射準(zhǔn)直性問題,針對(duì)近紅外后向散射暗弱圖像,設(shè)計(jì)了光尖準(zhǔn)直性標(biāo)校方法,以提高圖像處理后的光尖定位精度。

主要流程如圖1所示,包括:(1)圖像預(yù)處理,采用濾波方法對(duì)圖像進(jìn)行去噪,降低圖像背景噪聲對(duì)光尖識(shí)別的影響；(2)利用對(duì)比度增強(qiáng)方法提高近紅外光尖圖像的對(duì)比度,有利于分離光尖圖像和背景；(3)選用合適的閾值方法對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割,得到二值化圖像；(4)采用Sobel算子對(duì)光束圖像進(jìn)行邊緣提取,再通過直線擬合,精確求解光尖位置坐標(biāo)。

圖1 光尖標(biāo)校流程Fig.1 Light tip calibration process

2.1 濾波去噪

鑒于近紅外激光后向散射圖像中背景噪聲強(qiáng)度大、對(duì)比度差,為降低圖像中背景噪聲對(duì)光尖識(shí)別精度的影響,需首先采用圖像濾波的方式進(jìn)行圖像去噪。

基于近紅外光尖圖像中背景噪聲隨機(jī)性分布的特點(diǎn),本文采用了9×9鄰域窗口大小的中值濾波方法進(jìn)行圖像去噪處理,能有效去除圖像中的背景噪聲,同時(shí)清晰保留目標(biāo)圖像的邊緣信息。

2.2 對(duì)比度增強(qiáng)

增強(qiáng)圖像對(duì)比度可有效提高圖像目標(biāo)和背景區(qū)域的灰度差異,便于對(duì)圖像的進(jìn)一步識(shí)別與處理。本文采用了直方圖匹配的方法對(duì)濾波后的1064 nm激光后向散射圖像進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)處理,通過計(jì)算原圖和匹配圖像的各灰度級(jí)像素的累積分布直方圖,按照最小差值建立映射表,變換原圖中各個(gè)像素的累積分布規(guī)律,達(dá)到直方圖匹配的效果。

2.3 閾值分割

對(duì)增強(qiáng)后的圖像進(jìn)行閾值分割,得到二值化圖像,以準(zhǔn)確提取目標(biāo)圖像區(qū)域。本文采用全局閾值來對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割,該方法通過比較圖像的峰值灰度與平均灰度,得到灰度篩選閾值,可自動(dòng)適應(yīng)背景及目標(biāo)圖像強(qiáng)度變化。閾值計(jì)算公式如下:

T=V+α×(P-V)

(1)

其中,T為全局閾值；V為圖像平均灰度值；P為峰度灰度；α為比例系數(shù),0<α<1。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得α取值為0.2時(shí),可達(dá)到有效分離圖像目標(biāo)和背景的目的,且提取的目標(biāo)區(qū)域較為準(zhǔn)確。

2.4 邊緣檢測(cè)與直線擬合

依次使用邊緣檢測(cè)、直線擬合方法實(shí)現(xiàn)對(duì)近紅外激光束光尖解算。

本文選用Sobel算子邊緣檢測(cè)方法來提取激光光束的邊緣。Sobel算子檢測(cè)主要通過算子對(duì)圖像進(jìn)行卷積計(jì)算,然后進(jìn)行一階微分處理,檢測(cè)出邊緣點(diǎn)。該方法能降低圖像中的邊緣模糊程度,平滑圖像噪聲,提供較為精確的邊緣方向信息。

在獲得近紅外后向散射光束圖像邊緣輪廓后,使用最小二乘法擬合出邊緣直線,兩條邊緣直線交點(diǎn)即為激光束光尖位置。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 近紅外激光束光尖閉環(huán)系統(tǒng)搭建

根據(jù)激光束后向散射成像過程,在1.2 m空間碎片激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡上設(shè)計(jì)并搭建近紅外激光束光尖閉環(huán)系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,激光后向散射光束經(jīng)由望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)主視場(chǎng)接收,到達(dá)紅外相機(jī)進(jìn)行成像,并通過圖像采集卡轉(zhuǎn)存圖像至主控機(jī),再利用光尖閉環(huán)軟件解算出激光束光尖位置與望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中心的偏差量,發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)控制器以微調(diào)偏擺鏡,修正激光束出射準(zhǔn)直性,實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡收發(fā)平行的自動(dòng)調(diào)整。該近紅外激光束光尖閉環(huán)系統(tǒng)的主要參數(shù),如表1所示。

表1 近紅外激光束光尖閉環(huán)系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of tip closed loop system of near infrared laser beam

圖2 近紅外激光束光尖閉環(huán)系統(tǒng)Fig.2 Tip closed loop system of near infrared laser beam

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)第2節(jié)所提的光尖準(zhǔn)直性標(biāo)校方法,結(jié)合近紅外激光束光尖閉環(huán)系統(tǒng)功能需求,以Windows7操作系統(tǒng)為開發(fā)環(huán)境,用Visual studio 2019作為開發(fā)工具,完成了近紅外激光光尖閉環(huán)軟件,軟件界面如圖3所示。

圖3 近紅外激光光尖閉環(huán)軟件界面Fig.3 Near infrared laser tip closed loop software interface

該軟件實(shí)現(xiàn)了近紅外光尖準(zhǔn)直性標(biāo)校算法,實(shí)現(xiàn)了圖像處理功能,主要包括圖像處理、脫靶量轉(zhuǎn)換、參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)絡(luò)通信四個(gè)模塊:首先獲取來自主控機(jī)的圖像,利用光尖準(zhǔn)直性標(biāo)校方法獲得光尖位置,解算出激光束光尖位置與望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中心的偏差量,通過公式(2)將偏差量轉(zhuǎn)換為望遠(yuǎn)鏡方位和高度相對(duì)光軸中心的偏差,即脫靶量信息,再經(jīng)主控機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

(2)

其中,ΔA、ΔE為脫靶量;ΔX、ΔY為偏差量;E為望遠(yuǎn)鏡高度;kx、ky為轉(zhuǎn)換系數(shù)。根據(jù)近紅外激光束光尖閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù),求得轉(zhuǎn)換系數(shù)kx=ky=1.76″,計(jì)算公式如下:

(3)

其中Psize為CCD像元尺寸,f為系統(tǒng)焦距。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于上述近紅外激光束光尖閉環(huán)系統(tǒng),對(duì)1064 nm激光進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn),相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)中獲得了對(duì)比度在0.09～0.01之間的近紅外激光束后向散射暗弱圖像,部分圖像如圖4所示。

圖4 不同對(duì)比度近紅外后向散射圖像Fig.4 Near infrared backscattering image with different contrast

利用近紅外激光光尖閉環(huán)軟件對(duì)上述不同對(duì)比度的近紅外激光束后向散射圖像進(jìn)行處理,通過對(duì)比分析圖像處理過程中的參數(shù)數(shù)值變化來評(píng)價(jià)圖像處理算法效果,驗(yàn)證近紅外圖像光尖準(zhǔn)直性標(biāo)校方法的可行性,相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 圖像處理過程中的參數(shù)評(píng)價(jià)Tap.2 Parameter evaluation in image processing

從表2中數(shù)據(jù)可以看出,不同對(duì)比度的原始圖像的峰值信噪比數(shù)值相近；且隨著圖像對(duì)比度降低,圖像亮度越來越暗,均值逐漸減小,與主觀評(píng)價(jià)一致。另外,圖像中值濾波后的峰值信噪比相比于原圖有所提高；直方圖匹配后圖像均值降低、對(duì)比度提高為0.7左右。實(shí)驗(yàn)表明,該光尖準(zhǔn)直性標(biāo)校方法能有效提高近紅外后向散射暗弱圖像對(duì)比度,算法穩(wěn)定度較高。

以對(duì)比度為0.0509的近紅外后向散射圖像(圖4(c))為例,經(jīng)光尖準(zhǔn)直性標(biāo)校方法處理后的效果圖如圖5所示。

圖5 對(duì)比度為0.0509的圖像處理效果Fig.5 Image processing effect with contrast of 0.0509

從圖5中可以看出,濾波后圖像噪聲點(diǎn)去除較干凈、目標(biāo)邊緣信息保留完整；經(jīng)直方圖匹配后,圖像對(duì)比度提高、邊緣點(diǎn)信息突出；閾值分割能將圖像目標(biāo)與背景進(jìn)行有效分離,使用sobel算子邊緣檢測(cè)方法準(zhǔn)確提取出激光束邊緣點(diǎn),再擬合激光束邊緣直線,定位得到激光光尖位置。通過多組實(shí)驗(yàn)分析,單幀圖像的脫靶量誤差在5″以內(nèi),能滿足近紅外激光測(cè)距系統(tǒng)需求,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié) 論

根據(jù)1064 nm波長后向散射圖像特點(diǎn),提出了用于近紅外后向散射暗弱圖像的光尖準(zhǔn)直性標(biāo)校方法,并基于所提方法設(shè)計(jì)了近紅外激光光尖閉環(huán)軟件。最后通過圖像處理實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該方法能在圖像對(duì)比度極低的情況下,改善圖像清晰度,提高對(duì)比度,具有可行性。研究成果可改進(jìn)近紅外激光測(cè)距系統(tǒng)激光束出射準(zhǔn)直性,從而有效提高近紅外激光測(cè)距系統(tǒng)的探測(cè)成功率。