CN102661746A - 一种敏感器主安装盒和被动式光学敏感器 - Google Patents

一种敏感器主安装盒和被动式光学敏感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种敏感器主安装盒和被动式光学敏感器，被动式光学敏感器包括分别相对设置于第一航天器上的敏感器主安装盒，以及设置于第二航天器上的用于反射敏感器主安装盒脉冲激光的合作目标。敏感器主安装盒包括光学系统、数据处理单元、相机、主控计算机；其中，光学系统包括：激光二极管、转角镜、分光棱镜；数据处理单元包括控制模块，用于控制激光器发出通过占空比进行脉冲编码的激光信号，同时控制相机根据预设的编码方式与激光器进行同步分别采集激光器发光时和不发光时的图像，并将该发光时和不发光时的图像发送到主控计算机；主控计算机连接相机以根据发光时和不发光时的图像，计算两航天器之间的相对位置和姿态。

Description

一种敏感器主安装盒和被动式光学敏感器
技术领域
本发明涉及航天技术领域，特别是指一种能够发射经过编码的脉冲式激光照射合作目标并通过像机成像的敏感器主安装盒，以及被动式光学敏感器。
背景技术
空间交会对接是指两个或两个以上的航天器在轨道上按预定的位置和时间会合(交会)，然后在结构上连接成一体(对接)的全部飞行动作过程。
用于空间交会对接姿态测量与估计的主动传感器有激光扫描仪与测距敏感器，例如激光雷达等。这类敏感器虽然能够在较大的距离范围内提供准确的相对位置与姿态信息，但是一般价格昂贵，能耗大，而且用途有限。而使用像机作为敏感器，再辅以先进的图像处理和跟踪算法，不仅能够为航天器交会对接的过程提供准确的全部6自由度相对位置、姿态信息，而且性价比更高。同时，像机还可以用于其它用途，例如为宇航员提供视频图像，从而便于宇航员对交会对接过程的监督与控制。
美国马歇尔空间飞行中心(Marshall Space Flight Center)经过近20年的研究，开发出了一种名为高级成像导航敏感器(Advanced Video Guidance Sensor，AVGS)的设备，该设备中包含两组激光二极管，波长分别为800纳米和850纳米，激光经透镜射出，被合作目标反射后，由像机进行成像，再经过硬件、软件和固件的处理以后得到两航天器间的相对位置与姿态。合作目标中含有滤镜，仅允许一定波长的光透过并被反射。此外，合作目标在目标航天器上的安装方式已经被预先存入导航敏感器的软件当中。该敏感器设计的作用距离为1米到300米，分为近场和远场分别对应着分布方式不同的合作目标。敏感器的数据输出率为5Hz，视场为8°至-8°，最大能耗为35W，重20磅，体积约为7×10×12英尺。德国MBB公司开发了一种交会对接用光学敏感器系统(OpticalSensor System For RVD)，这一传感器系统在0米到10米时采用接近传感器(PSD)，3米至100米时采用激光照射合作目标，并利用CCD像机对其进行成像。该系统的视场为30°至-30°，测距相对精度为1%，所用的合作目标为5个成正四棱锥的角反射器，照明由32个围绕像机布置成两圈发光二极管组成。
上述光学导航敏感器或敏感器系统的缺点是，激光的发射方式为非脉冲方式，并且没有编码。其中，美国马歇尔空间飞行中心的高级成像导航敏感器需要两支激光二极管轮流工作，这样在某一时刻将均有一只激光管处于工作状态。以非脉冲方式发射激光不仅能量消耗大，而且相应的缩短了敏感器的观测距离，这样为了使敏感器具有更大的作用范围就不得不设计更为复杂光学系统或者辅以其它类型的敏感器，从而使得整个敏感器的结构变得更加复杂，体积更大，重量更重。同时，没有经过脉冲编码的激光也不便于去除图像中的背景干扰，以及对合作目标的识别，因此容易产生数据处理的误差，给两航天器间的姿态计算与估计带来不利的影响。
发明内容
针对现有角反射器存在的上述缺陷和问题，本发明实施例的目的是提出一种结构更为合理的敏感器主安装盒和被动式光学敏感器。
为了达到上述目的，本发明实施例提出了一种敏感器主安装盒，包括：光学系统、数据处理单元；
其中，所述光学系统包括：激光二极管、转角镜、分光棱镜；所述数据处理单元包括：控制模块、相机、主控计算机；
所述激光二极管用于发射发散角为13.8°的激光；
所述转角镜包括球面反射镜以将所述激光二极管发射的激光的发散角变为60°；
所述分光棱镜具有分束膜，所述分束膜两侧的介质和光学胶折射率相同以将所述转角镜反射的激光的一部分发射到合作目标，并使合作目标反射回来的激光经过分束膜透射后在相机中;
所述控制模块用于控制激光器发出通过占空比进行脉冲编码的激光信号，同时控制相机根据预设的编码方式与激光器进行同步分别采集激光器发光时和不发光时的图像，并将该发光时和不发光时的图像发送到主控计算机；
所述主控计算机连接所述相机以根据所述发光时和不发光时的图像，计算两航天器之间的相对位置和姿态。
作为上述技术方案的优选，所述激光二极管为波长974nm的近红外波段半导体激光二极管，该近红外波段半导体激光二极管发射的激光的波长为974nm。
作为上述技术方案的优选，所述被动式光学敏感器还包括用于控制对所述激光二极管进行恒温控制的温控模块和采集环境参数的采集模块。
作为上述技术方案的优选，所述控制模块控制激光器发出通过占空比进行脉冲编码的激光信号的方法具体为：
获取激光脉冲频率f、激光脉冲的上升沿时间tup，激光脉冲的下降沿时间tdown，相机采集图像以及主计算机完成图像处理的时间tproc；
通过占空比对激光脉冲进行编码，所述最低占空比不小于f(tup+tdown+tproc)，且最高占空比不得大于1-f(tup+tdown+tproc)。
作为上述技术方案的优选，所述主控计算机通过以下方法根据所述发光时和不发光时的图像计算两航天器之间的相对位置和姿态：
步骤11、将所述发光时的图像I1和不发光时的两帧图像I2进行对比差分，以找出两帧图像中灰度变化明显的部分Id=|I1-I2|；
步骤12、通过差分图像Id获取区域的边界线及该区域的面积；
步骤13、根据预先设定的限制条件，筛选差分图像中得到的目标标志灯区域；
步骤14、以差分图像中目标标志灯区域的像素点作为基准点，分别在所述发光时和不发光时的两帧图像来提取目标区域，将提取到的目标区域进行相交运算，从而获取目标航天器所处的区域。
作为上述技术方案的优选，所述主控计算机通过以下方法根据所述发光时和不发光时的图像计算两航天器之间的相对位置和姿态：
步骤21、将所述发光时的图像I1和不发光时的两帧图像I2进行对比差分，以找出两帧图像中灰度变化明显的部分Id＝|I1-I2|；
步骤22、对采集到的图像进行去除噪声处理；
步骤23、根据进行光流计算以获取像素点m的光流场vm，其中vm＝(vx，vy)T，I＝(x，y，t)表示图像序列，m=(x，少)表示时刻t时图像中坐标为(x，y)处的像素点；表示图像中点m处的梯度；以vm＝(vx，vy)T表示像素点m的光流场；且
Figure BDA00001675472900043
为I对时间t的导数；
步骤24、获取光流场vmz最大的像素点作为基准点，分别在所述发光时和不发光时的两帧图像来提取目标区域，将提取到的目标区域进行相交运算，从而获取目标航天器所处的区域。
作为上述技术方案的优选，所述步骤23具体为：
步骤231、获取差分图像中灰度值高于预设阈值的像素点作为特征点，以及特征点邻域Ω区域内的像素点；
步骤232、根据
Figure BDA00001675472900044
计算像素点的光流场vmz，其中W2(m)为预先设定的窗口函数。
为了达到上述目的，本发明实施例还提出了一种被动式光学敏感器，包括分别相对设置于第一航天器上的如前所述的敏感器主安装盒，以及设置于第二航天器上的用于反射所述敏感器主安装盒脉冲激光的合作目标。
本发明实施例具有以下优点：
1.采用脉冲激光的方式，可以使激光器单次发光时集中更高的能量，从而使敏感器的工作距离更大，又可以在相同距离下比传统的交会对接敏感器获得更高的信噪比。
2．通过对脉冲激光进行编码，可以使目标识别算法按照既定的编码约定对合作目进行识别，从而有利于提高目标识别的准确度与精度。
3.光学敏感器采用了被动式的工作方式，无需目标航天器提供电源，安装在目标航天器的设备少，减轻了目标航天器的载荷，同时可以提高交会对接设备的使用寿命。
4.采用脉冲编码的激光发射方式，可以有效抑制杂散光对敏感器的影响，使敏感器对合作目标的识别更加准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的被动式光学敏感器的结构示意图；
图2为合作目标的结构示意图；
图3为角反射镜的结构示意图；
图4为转角镜和分光棱镜的位置示意图；
图5为脉冲编码的时序控制图;
图6为示例性的表现出激光二极管在发光时采集到的合作目标的图像；
图7为示例性的表现出激光二极管在不发光时采集到的合作目标的图像；
图8为对图6和图7中的两帧图像采用图像差分的方法检测到的合作目标区域。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提出的被动式光学敏感器，其结构如图1所示的，包括分别相对设置于第一航天器上的如前所述的敏感器主安装盒，以及设置于第二航天器上的用于反射所述敏感器主安装盒脉冲激光的合作目标。其中合作目标安装在目标航天器上，是一组按照预定方式排布的角反射镜，用以为敏感器主安装盒提供测量目标标志。敏感器主安装盒安装在追踪航天器上以配合合作目标进行对接。作为示例性的，该合作目标如图3所示，包括6个如图2所示的角反射镜（四面棱镜）组成。
该敏感器主安装盒，包括：光学系统、数据处理单元。其中，所述光学系统包括：激光二极管、转角镜、分光棱镜；所述数据处理单元包括：控制模块、相机、主控计算机。
在工作时，由数据处理单元按照预设的编码方式进行编码后，由激光二极管发出脉冲编码激光。其中，脉冲编码激光的频率分为1Hz、5Hz、10Hz，分别用于远距离、中距离、近距离的不同情况。其中，敏感期主安装盒采用调节占空比的方式对激光脉冲进行编码。
其中，所述光学系统包括：
激光二极管，用于发射发散角为13.8°的进行编码后的脉冲激光。该脉冲激光经过转角镜后发射到分光棱镜。如图4所示的，所述转角镜包括球面反射镜以将所述激光二极管发射的激光的发散角变为60°。其中，所述分光棱镜具有分束膜，所述分束膜两侧的介质和光学胶折射率相同以将所述转角镜反射的激光的一部分发射到合作目标，并使合作目标反射回来的激光经过分束膜透射后在相机中。
其中，所述数据处理单元包括：
控制模块，用于控制激光器发出通过占空比进行脉冲编码的激光信号，同时控制相机根据预设的编码方式与激光器进行同步分别采集激光器发光时和不发光时的图像，并将该发光时和不发光时的图像发送到主控计算机；
其中，所述主控计算机连接所述相机以根据所述发光时和不发光时的图像，计算两航天器之间的相对位置和姿态。
具体的，脉冲激光经过光学系统中的分光棱镜后照射到目标航天器上。目标航天器上的合作目标反射回来的脉冲激光，在所述相机上成像。相机（可以先按照激光的编码方式进行同步）分别采集发光时和不发光时的图像，然后上传给主控计算机。主控计算机对发光时与不发光时的图像进行差分。由于两帧图像的灰度变化明显，因此在差分图像中该区域（目标区域）呈现为一个灰度值高亮的密集区域，对该区域进行连通域检测或进行聚类分析，就可以将该区域从图像中提取出来。主控计算机根据该图像计算出两航天器之间的相对位置以及姿态等信息。需要指出的是，该计算方式是成熟的现有技术，在此不再赘述。
其中，该激光二极管可以为波长974nm的近红外波段半导体激光二极管，波长为974nm，以有效的避开杂散光。
其中，所述数据处理单元还包括用于控制对所述激光二极管进行恒温控制的温控模块和采集环境参数的采集模块，以完成对激光二极管LD的恒温控制，以及对环境参数（例如电压、电流、温度等）的采集。在具体实现时，可以在机箱内设置3块PCB板，其中一块为母板，两块为LD板。其中母板连接两块LD板、相机、电源，还负责与主控计算机进行通讯。在LD板上设有激光二极管、恒流控制电路、温度控制电路等。
其中，在编码是必须考虑系统的安全性和抗干扰性，既要保证脉冲频率在激光二极管能够承受的范围内，又要及时的驱动相机分别对激光器发光与不发光时的图像进行采集。图5所示是脉冲编码的时序控制图。所述控制模块控制激光器发出通过占空比进行脉冲编码的激光信号的方法具体为：
获取激光脉冲频率f、激光脉冲的上升沿时间tup，激光脉冲的下降沿时间tdown，相机采集图像以及主计算机完成图像处理的时间tproc；
通过占空比对激光脉冲进行编码，所述最低占空比不小于f(tup+tdown+tproc)，且最高占空比不得大于1-f(tup+tdown+tproc)。
图6和图7为示例性的表现出激光二极管在发光与不发光时采集到的合作目标的图像。在相机采集到这两帧图像后发送到主控计算机，由主控计算机将上述两帧图像进行对比，并找出两帧图像中灰度变化明显的部分，以将该部分认定为目标标识灯区域。然后通过对两帧图像进行差分处理，提取合作目标在图像中的区域。该方法是基于以下的两个前提：第一，在摄像机采集两帧图像的过程中摄像机、被摄目标以及周围环境不能够发生较大的相对运动或者改变；第二，合作目标在激光管发光与不发光时需要存在明显的灰度差异。
由于激光管的发光与不发光在图像中引起的是一种全局变化，而非局部变化，同时摄像机与目标间的微小运动不可避免，所以将基本满足上述条件的两帧图像进行差分以后，得到的实际上是一幅存在着大量噪声点的边缘图像。针对这种情况，在具体实施时又可以采用两种不同的实施方案：
方案一：对采集到的两帧图像进行差分，若以I1表示激光器发光时的图像，以I2表示激光器不发光时的图像，那么差分图像可以按照后面的式子得到：Id＝|I1-I2|。在差分图像Id中检测连通区域或进行聚类分析，记录得到区域的边界线及该区域的面积。根据预先设定的限制条件，筛选差分图像中得到的区域，若以Wi表示差分图像中第i个区域的边界线周长，以Ai表示该区域的面积，那么如果它们满足后面的限制条件，便可以认为是目标标志灯区域，即a1＜Wi＜a2，Bl＜Ai＜b2。其中，a1，a2，b1，b2为由实验确定的参数。然后，以差分图像中目标标志灯区域的像素点作为种子点，分别在激光器发光与不发光的图像中提取目标区域，将提取到的区域进行相交运算，从而得到目标标志灯所处的区域。该方案的优点是计算简单，处理过程迅速，但是其不足是需要两帧图像严格满足算法方案中的假设，并且需要预先设定多个参量。
方案二：对采集到的图像首先进行去除噪声的处理，如高斯滤波等，然后进行光流计算，若以I＝(x，y，t)表示图像序列，以m＝(x，y)表示时刻t时，图像中坐标为(x，y)处的像素点，以
Figure BDA00001675472900091
表示图像中点m处的梯度，以vm＝(vx，vy)T表示像素点m的光流场，那么其应满足光流约束方程：式中，
Figure BDA00001675472900093
为I对时间t的导数，
Figure BDA00001675472900094
与
Figure BDA00001675472900095
均可由图像序列中得到，而像素点m处的光流vm为待求的未知参量。根据算法方案中的假设，若像素点m为目标标志灯区域中的点，那么在图像中其光流场vm应该达到极大值，因此可以用差分图像中光流极大的点作为种子点进行目标区域的检测。为了减小计算量，考虑使用Lucas-Kanade方法，将按照式Id＝|I1-I2|计算得到的差分图像中灰度值高于一定阈值的像素点作为Lucas-Kanade方法的特征点，在特征点所处的邻域Ω内，通过求解下面的方程组来得到像素点m处的光流值：
Figure BDA00001675472900096
其中，W2(m)为根据经验设定的窗口函数。采用光流计算的方法得到种子点以后，根据目标区域的连通性，分别在激光器发光与不发光两种情况时的图像中提取目标区域，并将两幅图像中提取到的区域进行相交运算，就可以得到目标标志灯所处的区域。这种方案的好处是需要预先设定的参数少，而且在图像采集的过程中如果摄像棚目对于目标发生一定的相对运动仍然不影响目标标志灯的检测。
采用上述两种方法都可以获得如图8所示的检测到的合作目标区域。
为了使本申请更清晰，本申请在此示例性的提供一种角反射器阵列，其包括六个角反射器。每一个角反射器为K9玻璃制成的四面体结构，包括四个定点O、A、B、C，包括入射面ABC和三个侧面AOB、BOC、AOC；所述三个侧面AOB、BOC、AOC分别设有反射膜；且所述三个侧面AOB、BOC、AOC成预设角度，当入射光线以垂直于入射面ABC的方向入射时，将以54.7°夹角投射到侧面AOB上，并经侧面AOB进行全反射后以54.7°夹角投射到侧面BOC上，并经侧面BOC全反射后以54.7°夹角投射到侧面AOC上，并经侧面AOC全反射后以垂直于所述入射面ABC的方向射出。其中，所述K9玻璃的反射临界角为41.8°。所述反射膜为镀银膜。所述四个面的边长均为35mm。
该角反射器阵列由六个角反射器组成，六个角反射器的相应定点设置在一起以形成所述角反射器阵列形成一个正六边形，六个角反射器间没有缝隙。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种敏感器主安装盒，其特征在于，包括：光学系统、数据处理单元；
其中，所述光学系统包括：激光二极管、转角镜、分光棱镜；所述数据处理单元包括：控制模块、相机、主控计算机；
所述激光二极管用于发射发散角为13.8°的激光；
所述转角镜包括球面反射镜以将所述激光二极管发射的激光的发散角变为60°；
所述分光棱镜具有分束膜，所述分束膜两侧的介质和光学胶折射率相同以将所述转角镜反射的激光的一部分发射到合作目标，并使合作目标反射回来的激光经过分束膜透射后在相机中;
所述控制模块用于控制激光器发出通过占空比进行脉冲编码的激光信号，同时控制相机根据预设的编码方式与激光器进行同步分别采集激光器发光时和不发光时的图像，并将该发光时和不发光时的图像发送到主控计算机；
所述主控计算机连接所述相机以根据所述发光时和不发光时的图像，计算两航天器之间的相对位置和姿态。
2.根据权利要求1所述的敏感器主安装盒，其特征在于，所述激光二极管为波长974nm的近红外波段半导体激光二极管，该近红外波段半导体激光二极管发射的激光的波长为974nm。
3.根据权利要求1所述的敏感器主安装盒，其特征在于，所述被动式光学敏感器还包括用于控制对所述激光二极管进行恒温控制的温控模块和采集环境参数的采集模块。
4.根据权利要求1所述的敏感器主安装盒，其特征在于，所述控制模块控制激光器发出通过占空比进行脉冲编码的激光信号的方法具体为：
获取激光脉冲频率f、激光脉冲的上升沿时间tup，激光脉冲的下降沿时间tdown，相机采集图像以及主计算机完成图像处理的时间tproc；
通过占空比对激光脉冲进行编码，所述最低占空比不小于f(tup+tdown+tproc)，且最高占空比不得大于1-f(tup+tdown+tproc)。
5.根据权利要求1所述的敏感器主安装盒，其特征在于，所述主控计算机通过以下方法根据所述发光时和不发光时的图像计算两航天器之间的相对位置和姿态：
步骤11、将所述发光时的图像I1和不发光时的两帧图像I2进行对比差分，以找出两帧图像中灰度变化明显的部分Id＝|I1-I2|；
步骤12、通过差分图像Id获取区域的边界线及该区域的面积；
步骤13、根据预先设定的限制条件，筛选差分图像中得到的目标标志灯区域；
步骤14、以差分图像中目标标志灯区域的像素点作为基准点，分别在所述发光时和不发光时的两帧图像来提取目标区域，将提取到的目标区域进行相交运算，从而获取目标航天器所处的区域。
6.根据权利要求1所述的敏感器主安装盒，其特征在于，所述主控计算机通过以下方法根据所述发光时和不发光时的图像计算两航天器之间的相对位置和姿态：
步骤21、将所述发光时的图像I1和不发光时的两帧图像I2进行对比差分，以找出两帧图像中灰度变化明显的部分Id＝|I1-I2|；
步骤22、对采集到的图像进行去除噪声处理；
步骤23、根据
Figure FDA00001675472800021
进行光流计算以获取像素点m的光流场vm，其中vm＝(vx，vy)T，I＝(x，y，t)表示图像序列，m＝(x，y)表示时刻t时图像中坐标为(x，y)处的像素点；
Figure FDA00001675472800022
表示图像中点m处的梯度；以vm＝(vx，vy)T表示像素点m的光流场；且
Figure FDA00001675472800023
为I对时间t的导数；
步骤24、获取光流场vmz最大的像素点作为基准点，分别在所述发光时和不发光时的两帧图像来提取目标区域，将提取到的目标区域进行相交运算，从而获取目标航天器所处的区域。
7.根据权利要求6所述的敏感器主安装盒，其特征在于，所述步骤23具体为：
步骤231、获取差分图像中灰度值高于预设阈值的像素点作为特征点，以及特征点邻域Ω区域内的像素点；
步骤232、根据
Figure FDA00001675472800031
计算像素点的光流场vmz，其中W2(m)为预先设定的窗口函数。
8.一种被动式光学敏感器，其特征在于，包括分别相对设置于第一航天器上的如权利要求1-7任一项所述敏感器主安装盒，以及设置于第二航天器上的用于反射所述敏感器主安装盒脉冲激光的合作目标。
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