CN102789170B - 航天光学遥感器在轨连续调焦的闭环动态仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种航天光学遥感器在轨连续调焦的闭环动态仿真测试方法。该方法将光学成像靶标、平行光管（含光源）、真空试验盛载罐、有效载荷中心控制仿真系统、成像参数自动修正系统、图像采集与记录设备和图像处理与离焦量分析识别系统等组成航天光学遥感器在轨环境连续动态调焦的闭环仿真测试系统，这些设备或系统分别直接或间接地连接到航天光学遥感器上，检测并验证航天光学遥感器整器在真空环境下，进行连续动态调焦的处理能力、响应的实时性、连续性、稳定性及活动机构跟踪调焦的主要性能，确定在不同温度、不同距离高度和不同光亮度的最佳CCD焦面位置性能参数。

Description

航天光学遥感器在轨连续调焦的闭环动态仿真测试方法

技术领域

本发明属于工业自动化领域，涉及一种航天光学遥感器在轨连续调焦的闭环动态仿真测试方法。

背景技术

航天光学遥感器是人造卫星、空间站和深空行星探测器等所有航天飞行器的有效载荷系统的核心设备，根据地面遥控指挥中心向这些有效载荷系统发布命令和参数，控制光学成像系统完成对地面、月球表面和其它深空行星表面景物的摄像任务。光学成像系统质量的好坏直接影响航天光学遥感器获取图像的效果，根据不同条件和环境的变换，保持光学成像最佳焦面位置一直是研制航天光学遥感器的最重要技术指标之一。

航天光学遥感器在轨道摄像工作期间，为了获得最好焦面位置，需要通过调整航天光学遥感器的焦距来实现。一般影响焦面的因素主要有三种原因，一是由于光学材料的热膨胀和光学性能的变化，改变了相机镜头的结构参数，甚至引起光学镜头相关支撑结构的畸变，使相机的焦面位置发生变化，产生离焦，需要进行温度影响调焦；二是由于航天飞行器进行变轨飞行工作期间，造成航天光学遥感器距地球、月球或其它行星表面的高度发生很大变化，需要进行成像距离变化调焦；三是航天光学遥感器伴随火箭升空瞬间或变轨过程中产生较大震动，可能引起光学镜头结构或个别部件的微变，影响焦面位置微小移动，需要进行位移影响调焦。

发明内容

本发明的目的是，提出一种能够验证航天光学遥感器在轨环境连续动态调焦功能与性能的，航天光学遥感器在轨连续调焦的闭环动态仿真测试方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种航天光学遥感器在轨连续调焦的闭环动态仿真测试方法，包括以下步骤：

步骤a．把预先设计好的光学成像靶标，放置在平行光管的焦点处，经光管作用后变为平行光射出，模拟在轨时地面景物入射情况；

所述平行光管的另一端与真空试验盛载罐直接连接；航天光学遥感器放置在所述真空试验盛载罐中；调整航天光学遥感器与平行光管的相对位置，使得光学靶标的物像成像到航天光学遥感器的焦面上；

步骤b．系统加电后，对所述真空试验盛载罐进行抽真空和温度调整；

步骤c．有效载荷中心控制仿真系统周期性地向航天光学遥感器发送模拟航天光学遥感器在轨运行状态的控制指令、工作参数和卫星平台辅助信息；

步骤d．真空试验盛载罐内的航天光学遥感器的主控系统接收所述控制指令、工作参数和卫星平台辅助信息后，控制航天光学遥感器的成像系统的上电、下电、拍摄和停摄；

步骤e．在航天光学遥感器的成像系统上电后，成像参数自动修正系统与之实时进行通信，根据检测图像采集与记录设备的输出图像效果，自动地修正拍摄的调光参数，以获得适合传递函数计算的图像；

步骤f．图像采集与记录设备实时接收来自航天光学遥感器成像系统输出的图像信息，完成高速存储和实时显示；同时把这些图像信息发送给图像处理与离焦量分析识别系统；

步骤g．图像处理与离焦量分析识别系统实时接收来自图像采集与记录设备的图像信息，对这些图像信息进行传递函数计算、边缘清晰度计算和系统信噪比计算；同时对图像的离焦情况进行判断，确定航天光学遥感器摄像过程需要修正的参数和系数；

步骤h．图像处理与离焦量分析识别系统经对图像处理后，把待修正的参数和系数分别发送给有效载荷中心控制仿真系统和成像参数自动修正系统，自动为航天光学遥感器下一次调整做参数预置准备；同时根据当前的焦面位置和传递函数值，在计算机屏幕上实时绘制曲线图像；

步骤i．重复步骤c～h对航天光学遥感器形成闭环连续动态调焦测试，在图像处理与离焦量分析识别系统生成一条完整的焦面传递函数曲线，并应用贝塞尔函数对此曲线进行数据拟合，获得贝塞尔函数的对称中心点和最大值点，作为航天光学遥感器的当前最佳焦面位置；

步骤k．关闭系统电源，打开真空试验盛载罐，取出航天光学遥感器，完成本次闭环连续动态调焦的仿真测试任务。

在上述技术方案中，在步骤i与步骤k之间还设有：

步骤j．重复步骤b～i步骤多次，把这些动态调焦测试结果的平均值，暂时作为最终的焦面位置；该焦面位置经图像处理与离焦量分析识别系统判断，若达到预期图像效果，则完成闭环实时动态连续动态调焦仿真测试任务；否则返回步骤b。

在上述技术方案中，所述步骤j中，步骤b～i步骤的重复次数为3～10次。

在上述技术方案中，所述步骤a中，所述平行光管的光源亮度灯为模拟在轨环境下要求的太阳光亮度。

在上述技术方案中，所述步骤b中，对所述真空试验盛载罐进行抽真空和温度调整，直到罐内的真空度达到与航天光学遥感器预定轨道高度的环境要求或预先设定的环境要求为止。

本发明的航天光学遥感器在轨连续调焦的闭环动态仿真测试方法的优点是：

1.本发明的航天光学遥感器在轨连续调焦的闭环动态仿真测试方法，针对航天光学遥感器在轨环境连续动态调焦的性能和功能的仿真试验与实时检测问题，在真空度不同、温度不同和压力不同的空间环境下，应用计算机技术对连续动态调焦全程进行成像效果分析、识别和跟踪，找出成像的最佳焦面位置。构成了对航天光学遥感器在轨环境连续动态调焦闭环仿真检测技术，解决了连续动态调焦无法地面实时检测的难题。

2.本发明的航天光学遥感器在轨连续调焦的闭环动态仿真测试方法，由于充分利用了计算机的计算速度、计算精度和实时显示的能力，在空间环境仿真测试的过程中，可完成连续动态调焦的功能、性能的测试、图像的传递函数的实时计算、焦面位置拟合确认、温度和焦面位置的关系确认。对验证航天光学遥感器在轨环境下，连续动态调焦的性能、功能的稳定性及可靠性和最佳焦面的确认，提供了重要的技术手段。

3.国内航天光学遥感器连续动态调焦是近两年刚刚起步，在模拟太空环境和条件下，航天光学遥感器连续动态调焦仿真闭环测试还未有开展。采用本发明的航天光学遥感器在轨连续调焦的闭环动态仿真测试方法进行仿真测试，不仅缩短航天光学遥感器的开发周期，更重要的是可准确检测在轨环境下，航天光学遥感器焦面的调整时间、调整速度、最佳焦面选择和定位。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为航天光学遥感器在轨连续动态调焦的闭环仿真测试方法原理示意图。

图2为航天光学遥感器光学镜头调焦结构与控制基本原理示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

本发明的航天光学遥感器在轨连续调焦的闭环动态仿真测试方法，是将光学成像靶标、平行光管、真空试验盛载罐、有效载荷中心控制仿真系统、成像参数自动修正系统、图像采集与记录设备和图像处理与离焦量分析识别系统等组成航天光学遥感器在轨环境连续动态调焦的闭环仿真测试系统，这些设备或系统分别直接或间接地连接到航天光学遥感器上，检测并验证航天光学遥感器整器在真空环境下，进行连续动态调焦的处理能力、响应的实时性、连续性、稳定性及活动机构跟踪调焦的主要性能，确定在不同温度、不同距离高度和不同光亮度的最佳焦面位置性能参数。整个的测试程序如下：

a．把预先设计好的“光学成像靶标”，放置在“平行光管”的焦点处，经光管作用后变为平行光射出，模拟在轨时地面景物入射情况；“平行光管”的光源亮度灯调整到模拟在轨环境下要求的太阳光亮度，“平行光管”的另一端与“真空试验盛载罐”一端直接连接；航天光学遥感器放置在“真空试验盛载罐”中，调整航天光学遥感器与平行光管的相对位置，使得光学靶标的物像准确地成像到航天光学遥感器的焦面上。

b．系统加电后（若已加电，不必重新加电），对“真空试验盛载罐”进行抽真空和温度调整等操作，直到罐内的真空度达到与航天光学遥感器预定轨道高度的环境（大气压力、温度和真空度等）要求或预先设置的环境要求为止。

c．“有效载荷中心控制仿真系统”周期性地向航天光学遥感器发送控制指令、工作参数和卫星平台辅助信息，这些指令、参数和信息是试验前预置，模拟航天光学遥感器在轨运行状态。

d．真空试验盛载罐内的航天光学遥感器的主控系统接收这些指令和参数等信息后，一方面根据指令和参数要求，对航天光学遥感器进行像移补偿计算、调焦、调温等操作；另一方面控制航天光学遥感器的成像系统的上电、下电、拍摄和停摄等。

e．在航天光学遥感器的成像系统上电后，“成像参数自动修正系统”与其实时进行通信，根据检测“图像采集与记录设备”的输出图像效果，自动地修正拍摄的调光参数，如拍摄行周期、级数、增益等参数，以便获得适合传递函数计算的图像。

f．“图像采集与记录设备”实时接收来自航天光学遥感器成像系统输出的图像信息，完成高速存储和实时显示；同时把这些图像与信息发送给“图像处理与离焦量分析识别系统”。

g．“图像处理与离焦量分析识别系统”实时接收来自“图像采集与记录设备”的图像信息；对这些图像信息进行传递函数计算、边缘清晰度计算和系统信噪比计算等。同时对图像的离焦情况进行判断，确定航天光学遥感器摄像过程需要修正的参数和系数（如：调焦量和调光量）。

h．“图像处理与离焦量分析识别系统”经对图像处理后，把待修正的参数和系数分别发送给“有效载荷中心控制仿真系统”和“成像参数自动修正系统”，自动为航天光学遥感器下一次调整做参数预置准备。同时根据当前的焦面位置和传递函数值，在计算机屏幕上实时绘制曲线图像。

i．重复c～h对航天光学遥感器形成闭环连续动态调焦测试，在“图像处理与离焦量分析识别系统”生成一条完整的焦面传递函数曲线，并应用贝塞尔函数对此曲线进行数据拟合，获得贝塞尔函数的对称中心点和最大值点，作为航天光学遥感器的当前最佳焦面位置。

j．重复b～i步骤多次，把这些动态调焦测试结果的平均值，暂时作为最终的焦面位置。该焦面位置经“图像处理与离焦量分析识别系统”判断，若达到预期图像效果，则完成闭环实时动态连续动态调焦仿真测试任务，否则返回b。

k．关闭系统电源，打开真空试验盛载罐，取出航天光学遥感器，完成本次闭环连续动态调焦的仿真测试任务。

下面结合附图对本发明做以详细说明，以便对本发明的目的、特征及优点进行更深入的理解。

参照图2，光学镜头调焦结构与控制基本原理如下：

调焦系统由调焦镜、调焦镜座、滚珠丝杠、直线轴承、蜗轮箱、步进电机、编码器、微处理器、控制模块、光耦、功率放大等组成。其中调焦镜座、滚珠丝杠、直线轴承、蜗轮箱组成调焦传动机构；由调焦镜、调焦传动机构、步进电机和编码器组成调焦系统。调焦系统主要功能是实现调焦镜沿着光轴方向的高精度运动，通过调焦镜调整光路，使来自相面的光始终保持聚焦到探测器所在的平面上；由微处理器、控制模块、光耦、功率放大和串行接口电路等组成调焦控制电路。

航天光学遥感器有效载荷控制系统，根据航天飞行器导航系统实时给出的当前轨道的高度、方位、速度、倾斜角度和环境温度等信息，实时向航天光学遥感器主控系统的调焦控制系统发布命令和参数；调焦控制电路经接收、识别和计算处理后，控制调焦机构，执行调整焦距的任务。同时读出与步进电机同轴相连的绝对式光电编码器上的角度值，把当前光学镜头的实际调焦位置角度值反馈给调焦控制电路，形成闭环与开环相结合的复合控制方法。

参照图1，本发明航天光学遥感器在轨连续动态调焦的闭环仿真测试方法，是将光学成像靶标1、平行光管4、图像采集与记录设备8、有效载荷中心控制仿真系统10、成像参数自动修正系统12、图像处理与离焦量分析识别系统14和装载航天光学遥感器6的真空试验盛载罐5组成在轨连续动态调焦的闭环仿真测试系统。其中图像采集与记录设备8、有效载荷中心控制仿真系统10和成像参数自动修正系统12直接连接在被测航天光学遥感器6上；平行光管4直接与真空试验盛载罐5装配在一起；光学成像靶标1被光源灯3照亮后，通过平行光管4后变为准平行光入射航天光学遥感器6，经过光学遥感器6的光学系统会聚后成像到系统焦面处的上，再经成像探测器光电转换后变为电信号，进而通过数模转换得到最终的数字图像。

在图1中：光学成像靶标1一般采用等间距、等宽度的平面黑白竖条纹组成，也可采用黑白横条纹的方法，具体采用那种形式，根据航天光学遥感器的放置方向相关。

平行光管4根据测试的光学遥感器焦距长度选择合适长度的平行光管，一般光管长度应在被测光学遥感器焦距长度3~5倍以上。在平行光管上附带光源氙灯3，该灯采用可通过调整外加电压的大小来调整输出光亮度，氙灯产生的平行光束2照亮光学成像靶标1和调整灯的电压使得成像在焦面的像具有合适的亮度，一般使亮条纹的输出图像灰度值达到最大灰度值的1/4~1/3，以便模拟在轨拍摄时的成像光照条件，使得测试结果更为可信。

图像采集与记录设备8采用高性能的计算机加高速图像数据采集卡完成，以光纤7（或LVDS）方式接收航天光学遥感器拍摄下行的图像，实时显示并存储图像，并通过以太网13以TCP/IP协议与图像处理与离焦量分析识别系统14连接。

有效载荷中心控制仿真系统10采用高档工控计算机实现，与航天光学遥感器之间连接采用1553B总线9按协议进行通信，计算机上安插一块DDC的1553B通信板卡，设置该板卡工作模式为BC模式，完成对航天光学遥感器的拍摄命令控制及广播参数的通知。同时通过以太网15与图像处理与离焦量分析识别系统14进行交互。

成像参数自动修正系统12采用高档工控计算机实现，与航天光学遥感器之间连接采用RS422总线11协议通信，计算机上安插一块RS422通信板卡，完成对航天光学遥感器6成像参数的调整，包括图像增益和级数调整。同时通过以太网15与图像处理与离焦量分析识别系统14进行交互。

图像处理与离焦量分析识别系统14采用采用高档计算机实现，通过以太网13与图像采集与记录设备8链接，完成对图像传递函数、边缘清晰度和图像信噪比等计算，对图像的离焦量进行判定，确定航天光学遥感器6摄像过程需要修正的参数和系数，并且通过以太网15把计算结果发送给有效载荷中心控制仿真系统10及成像参数自动修正系统12。

航天光学遥感器6为被测试对象，其电子学单元包括主控分系统和成像分系统，通讯控制总线采用1553B总线，图像数据总传输采用光纤或LVDS视频电缆的方式。

真空试验盛载罐5承载航天光学遥感器6，属于温度、气压均可控的密封真空容器设备。

本发明的航天光学遥感器在轨连续调焦的闭环动态仿真测试方法所适用的系统，工作过程共分三个阶段：

第一个阶段：测试准备阶段。安装仿真测试设备和航天光学遥感器6；调式测试设备达到正常指标要求范围，包括调整光源、对真空试验盛载罐5的操作和预置这次仿真测试的参数等。

第二个阶段：测试实施阶段。由有效载荷中心控制仿真系统10向航天光学遥感器6发布命令和参数，航天光学遥感器6开始摄像工作，并执行连续动态调焦等任务；同时把图像及相关辅助参数连续不断地发送给图像采集与记录设备8，图像采集与记录设备8进行图像处理、存储和显示，并实时转发图像给图像处理与离焦量分析识别系统14，经计算离焦量、清晰度及信噪比，分别把修正参数发给成像参数自动修正系统12，控制参数等发送给有效载荷中心控制仿真系统10，形成闭环仿真测试结构。

第三个阶段：测试完成阶段。关闭电源，拆卸所有辅助设备和仪器；通过图像采集与记录设备8的图像，采用自研制的图像质量检测系统，对图像做进一步的检测、分析和处理，评定图像的质量。

进一步具体的说，本发明的航天光学遥感器在轨连续调焦的闭环动态仿真测试方法的测试过程为：

a．把预先设计好的光学成像靶标1，放置在平行光管4的焦点处，经光管作用后变为平行光射出，模拟在轨时地面景物入射情况；平行光管4的光源9亮度灯调整到模拟在轨环境下要求的太阳光亮度；平行光管4的另一端与真空试验盛载罐5一端直接连接，航天光学遥感器6放置在真空试验盛载罐5中，调整航天光学遥感器6与平行光管4的相对位置，使得光学靶标1的物像成像到航天光学遥感器6的焦面上。

b．系统加电后（若已加电，不必重新加电），对真空试验盛载罐5进行抽真空和温度调整等操作，直到罐内的真空度达到与航天光学遥感器6预定轨道高度的环境（大气压力、温度和真空度等）要求或预先设定的环境要求为止。

c．有效载荷中心控制仿真系统10周期性地向航天光学遥感器6发送控制指令、工作参数和卫星平台辅助信息，这些指令、参数和信息是试验前预置，模拟航天光学遥感器6在轨运行状态。

d．真空试验盛载罐内5的航天光学遥感器6的主控系统接收这些指令和参数等信息后，一方面根据指令和参数要求，对航天光学遥感器6进行像移补偿计算、调焦、调温等操作；另一方面控制航天光学遥感器6的成像系统的上电、下电、拍摄和停摄等。

e．在航天光学遥感器6的成像系统上电后，成像参数自动修正系统12与之实时进行通信，根据检测图像采集与记录设备8的输出图像效果，自动地修正拍摄的调光参数，如拍摄行周期、级数、增益等参数，以便获得适合传递函数计算的图像。

f．图像采集与记录设备8实时接收来自航天光学遥感器的成像系统输出的图像信息，完成高速存储和实时显示；同时把这些图像与信息发送给图像处理与离焦量分析识别系统14。

g．图像处理与离焦量分析识别系统14实时接收来自图像采集与记录设备8的图像信息；对这些图像信息进行传递函数计算、边缘清晰度计算和系统信噪比计算等。同时对图像的离焦情况进行判断，确定航天光学遥感器6摄像过程需要修正的参数和系数（如：调焦量和调光量）。

h．图像处理与离焦量分析识别系统14经对图像处理后，把待修正的参数和系数分别发送给有效载荷中心控制仿真系统10和成像参数自动修正系统12，自动为航天光学遥感器下一次调整做参数预置准备。同时根据当前的焦面位置和传递函数值，在计算机屏幕上实时绘制曲线图像。

i．重复c～h对航天光学遥感器6形成闭环连续动态调焦测试，在图像处理与离焦量分析识别系统14生成一条完整的焦面传递函数曲线，并应用贝塞尔函数对此曲线进行数据拟合，获得贝塞尔函数的对称中心点和最大值点，作为航天光学遥感器6的当前最佳焦面位置。

j．重复b～i步骤多次（具体为3～10次），把这些动态调焦测试结果的平均值，暂时作为最终的焦面位置。该焦面位置经图像处理与离焦量分析识别系统14判断，若达到预期图像效果，则完成闭环实时动态连续动态调焦仿真测试任务，否则返回b。

k．关闭系统电源，打开真空试验盛载罐5，取出航天光学遥感器6，完成本次闭环连续动态调焦的仿真测试任务。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种航天光学遥感器在轨连续调焦的闭环动态仿真测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a.把预先设计好的光学成像靶标，放置在平行光管的焦点处，经光管作用后变为平行光射出，模拟在轨时地面景物入射情况；

所述平行光管的另一端与真空试验盛载罐直接连接；航天光学遥感器放置在所述真空试验盛载罐中；调整航天光学遥感器与平行光管的相对位置，使得光学成像靶标的物像成像到航天光学遥感器的焦面上；

步骤b.系统加电后，对所述真空试验盛载罐进行抽真空和温度调整；

步骤c.有效载荷中心控制仿真系统周期性地向航天光学遥感器发送模拟航天光学遥感器在轨运行状态的控制指令、工作参数和卫星平台辅助信息；

步骤d.真空试验盛载罐内的航天光学遥感器的主控系统接收所述控制指令、工作参数和卫星平台辅助信息后，控制航天光学遥感器的成像系统的上电、下电、拍摄和停摄；

步骤e.在航天光学遥感器的成像系统上电后，成像参数自动修正系统与之实时进行通信，根据检测图像采集与记录设备的输出图像效果，自动地修正拍摄的调光参数，以获得适合传递函数计算的图像；

步骤f.图像采集与记录设备实时接收来自航天光学遥感器成像系统输出的图像信息，完成高速存储和实时显示；同时把这些图像信息发送给图像处理与离焦量分析识别系统；

步骤g.图像处理与离焦量分析识别系统实时接收来自图像采集与记录设备的图像信息，对这些图像信息进行传递函数计算、边缘清晰度计算和系统信噪比计算；同时对图像的离焦情况进行判断，确定航天光学遥感器摄像过程需要修正的参数和系数；

步骤h.图像处理与离焦量分析识别系统经对图像处理后，把待修正的参数和系数分别发送给有效载荷中心控制仿真系统和成像参数自动修正系统，自动为航天光学遥感器下一次调整做参数预置准备；同时根据当前的焦面位置和传递函数值，在计算机屏幕上实时绘制曲线图像；

步骤i.重复步骤c～h对航天光学遥感器形成闭环连续动态调焦测试，在图像处理与离焦量分析识别系统生成一条完整的焦面传递函数曲线，并应用贝塞尔函数对此曲线进行数据拟合，获得贝塞尔函数的对称中心点和最大值点，作为航天光学遥感器的当前最佳焦面位置；

步骤k.关闭系统电源，打开真空试验盛载罐，取出航天光学遥感器，完成本次闭环连续动态调焦的仿真测试任务；

在步骤i与步骤k之间还设有：

步骤j.重复步骤b～i步骤多次，把这些动态调焦测试结果的平均值，暂时作为最终的焦面位置；该焦面位置经图像处理与离焦量分析识别系统判断，若达到预期图像效果，则完成闭环实时动态连续动态调焦仿真测试任务，否则返回步骤b。

2.根据权利要求1所述的闭环动态仿真测试方法，其特征在于，

所述步骤j中，步骤b～i步骤的重复次数为3～10次。

3.根据权利要求2所述的闭环动态仿真测试方法，其特征在于，

所述步骤a中，所述平行光管的光源亮度为模拟在轨环境下要求的太阳光亮度。

4.根据权利要求2或3所述的闭环动态仿真测试方法，其特征在于，

所述步骤b中，对所述真空试验盛载罐进行抽真空和温度调整，直到罐内的真空度达到与航天光学遥感器预定轨道高度的环境要求或预先设定的环境要求为止。