CN104735445A - 一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，首先搭建成像系统，将包含特定空间频率的、黑白相间的高对比度矩形靶标放在平行光管焦面处，靶标通过高稳定性均匀的光源照亮作为物目标，通过平行光管和空间相机，成像在相机焦面上，得到清晰的靶标图像，采用灰度质心法进行分析，得到准确的像移偏差数值，本发明在光学测量的基本原理上结合图像分析，实现了在图像上直接测量像移，直接分析颤振对空间相机成像的影响，首次获得像移偏差数值，填补现有技术空白，为卫星成像质量的影响分析及最终改进维修卫星成像质量提供依据。

Description

一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，特别是基于图像质心位置变化的空间相机颤振影响分析方法，属于卫星颤振测试技术领域。

背景技术

卫星在轨摄像期间，星上活动部件的各种运动影响均会使相机视轴产生相对于观测目标的抖动，从而对图像质量产生影响。这种在抖动响应中不能依靠控制系统进行测量和加以抑制的成分称为颤振响应。相机在空间摄影时产生颤振的主要原因包括：卫星平台上由于动量轮变速转动、喷气、指向控制、太阳帆板调整等运动。对于CCD器件，其正常工作的基本前提是光生电荷包的转移与焦面上图像的运动保持同步，任何的误匹配都将导致图像模糊。多级TDICCD对地面同一目标曝光相当于积分时间延长，要想获得清晰的图像，必须在此较长积分时间内保持同步。而颤振会导致相机在积分成像过程中产生图像像移，破坏其与光生电荷包运动的同步性，影响相机的成像质量。

卫星的颤振测量主要有加速度传感器测量和激光测振两种方法。加速度传感器可以实现多点同时测试，可以置于航天器内部测最，便于空间应用；但其缺点是传感器本身对轻质被测结构有一定的影响，因此对传感器的选择要求较高。激光测振是一种成熟的非接触式测量技术，其原理是利用多普勒频移和干涉技术进行测量，其优点是对被测结构无影响；但这种测量方法在空间应用困难，另外对组装起来的航天器内部结构难以测量，且测点不宜很多。鉴于以上两种测量方法的特点，在航天器地面测试方法的研究和应用中，以加速度传感器测试为主，采用激光测振作为结果校验的辅助手段。NASA、ESA均对此开展了大量研究。国内颤振测试相对国外起步较晚，但借鉴了国外相关技术成果，目前测试能力与国外相比差距不大，主要差距表现在对试验数据的处理和使用上。北京航天航空大学和航天五院均开展了颤振影响的相关研究。

但以上方法均不能直观反映颤振对空间相机成像质量的影响，要知道颤振对图像的影响，最直观的是得到卫星颤振引起的像元偏移量，也就是像移。在地面环境进行卫星颤振对图像的影响分析，在国内还没有开始，在国外还少见报道。在卫星颤振测试中直接分析像移偏差，主要存在的问题：(1)常用的表贴加速度传感器方法只能得到颤振的响应无法与空间相机图像受颤振的影响建立关系；(2)卫星颤振测量的传递特性测试只能分析颤振源到空间相机本体这条路径，无法建立颤振源到相机焦平面的颤振影响分析；(3)卫星颤振幅值小，频率高，空间相机的像移如何在地面测试中准确测量；(4)从卫星可靠性和安全性的要求，以及卫星不可返修的特点出发，如何设计像移偏差测量方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，该方法填补现有技术空白，实现了在图像上直接测量像移，直接分析颤振对空间相机成像的影响，得到像移偏差的准确数值，为卫星成像质量的影响分析及最终修正提升卫星成像质量提供依据。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，包括如下步骤：

步骤(一)、搭建测试系统，所述测试系统包括景物模拟器、空间相机和快视设备，其中景物模拟器包括平行光管和光源，靶标位于光源与平行光管之间，并将靶标安装在平行光管的焦平面上，使靶标的刻线方向同时垂直于平行光管的光轴和空间相机探测器的线阵方向，并使光源照射靶标；

步骤(二)、调整景物模拟器位置，保证空间相机入光口与景物模拟器出光口对准，景物模拟器有效口径充满空间相机入瞳；

步骤(三)、景物模拟器开机，再次调整景物模拟器位置，保证空间相机入光口与景物模拟器出光口对准，景物模拟器有效口径充满空间相机入瞳，同时靶标成像在空间相机焦面处，得到成像目标，并避免空间相机饱和；

步骤(四)、关闭空间相机和景物模拟器，并保证景物模拟器位置不发生变化；

步骤(五)、开启卫星扰动部件；

步骤(六)、景物模拟器和空间相机开机，在卫星扰动部件进入稳定状态后采集图像并将图像存储到快视设备；

步骤(七)、对存储的靶标图像使用灰度质心法进行分析，得到质心位置偏差量Warp(i)，即像面偏移量，具体公式如下：

$\mathrm{Warp}\left(i\right)=L\left(i\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}L\left(i\right)}{N}$

其中：Warp(i)为每行受扰振的像元偏移量，L(i)为每行的灰度中心位置，N为截取图像数据的行数，N取值为正整数；

$L\left(i\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{DN}(i,j)\×\mathrm{LOC}(i,j))}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DN}(i,j)}$

其中：DN(i,j)为第i行第j列的像元灰度值；LOC(i,j)为第i行第j列的像元序号；n为正整数。

在上述基于靶标图像的空间相机颤振分析方法中，整个测试过程中控制各种外界扰动，包括电磁、噪声、风、人员和设备移动，测试过程在单独的试验间进行，保证无人员走动。

在上述基于靶标图像的空间相机颤振分析方法中，步骤(三)得到成像目标后，调整空间相机的成像参数，所述成像参数包括增益、偏置和级数，之后对空间相机调焦，使得靶标在空间相机中得到清晰的黑白条纹像，之后进入步骤(四)。

在上述基于靶标图像的空间相机颤振分析方法中，步骤(六)中景物模拟器和空间相机开机后的5～10分钟开始采集图像。

在上述基于靶标图像的空间相机颤振分析方法中，步骤(六)中重复采集图像3～5次。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明首先搭建成像系统得到清晰的靶标图像，采用灰度质心法进行分析，得到准确的像移偏差数值，本发明在光学测量的基本原理上结合图像分析，实现了在图像上直接测量像移，直接分析颤振对空间相机成像的影响，首次获得像移偏差数值，填补现有技术空白，为卫星成像质量的影响分析及最终修正提升卫星成像质量提供依据。

(2)、本发明充分利用空间相机直接成像的特点，在图像上直接测量像移，也就是卫星相机视轴的变化，直接分析了颤振对空间相机成像的影响。

(3)、本发明实现方法简单，易于实现，利于工程化应用。

附图说明

图1为本发明靶标图像的空间相机颤振影响测试系统示意图；

图2为本发明颤振使空间相机产生像移的示意图；

图3为本发明空间相机的图像质心法分析示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明靶标图像的空间相机颤振影响测试系统示意图，该系统包括景物模拟器、空间相机和快视设备，其中景物模拟器包括平行光管和光源。其中平行光管焦距不小于空间相机焦距的3倍，光学口径大于空间相机的光学口径；光源的色温不低于3000k，均匀性优于2％，稳定性优于1％，最大辐亮度对于空间相机的输出一般不低于相机饱和输出的0.6倍。

靶标应满足以下要求：

(a)、靶标为黑白条形高对比度靶标，调制度不小于0.95，并有实测值；

(b)、黑白条纹的宽带比为1：1，黑白条纹的宽度(对应Nyquist空间频率)按公式(3)计算；

R_N＝d×f_sec/f_cam     (3)

其中：R_N为黑白条纹宽度(μm)，f_cam相机焦距(mm)，f_sec景物模拟器焦距(mm)，d探测器单元间距(μm)；

(c)、靶标上除刻有Nyquist空间频率的条纹组外，至少还应包含1/2、1/4倍Nyquist空间频率的条纹组，每组条纹不少于5线对；

(d)、靶标的调整装置具有旋转靶标和相位调整的功能。

本发明基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，具体包括如下步骤：

步骤(一)、测试准备；并噪声控制各种外界扰动，包括电磁、噪声、风、人员和设备移动，测试过程在单独的试验间进行，保证无人员走动。

步骤(二)、在地面搭建测试系统，将靶标放置在景物模拟器的光源与平行光管之间，并将靶标安装在平行光管的焦平面上，使靶标的刻线方向同时垂直于平行光管的光轴和空间相机探测器的线阵方向，并使光源照射靶标。

步骤(三)、调整景物模拟器位置，保证空间相机入光口与景物模拟器出光口对准，景物模拟器有效口径充满空间相机入瞳；即保证景物模拟器的中心与空间相机的视场中心对齐，且景物模拟器中的靶标在空间相机中完整成像。

步骤(四)、景物模拟器开机，再次调整景物模拟器位置，保证空间相机入光口与景物模拟器出光口对准，景物模拟器有效口径充满空间相机入瞳，同时靶标成像在空间相机焦面处，得到成像目标，并避免空间相机饱和。

步骤(五)、得到成像目标后，调整空间相机的成像参数，该成像参数包括增益、偏置和级数，之后对空间相机调焦，使得靶标在空间相机中得到清晰的黑白条纹像。

步骤(六)、关闭空间相机和景物模拟器，并保证景物模拟器位置不发生变化。

步骤(七)、开启卫星扰动部件；

步骤(八)、景物模拟器和空间相机开机，在卫星扰动部件进入稳定状态后(5～10分钟后)采集图像并将图像存储到快视设备，重复采集图像3～5次。

步骤(九)、对存储的靶标图像使用灰度质心法进行分析，得到质心位置偏差量Warp(i)，即像面偏移量，具体公式如下：

$\mathrm{Warp}\left(i\right)=L\left(i\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}L\left(i\right)}{N}$

其中：Warp(i)为每行受扰振的像元偏移量，L(i)为每行的灰度中心位置，N为截取图像数据的行数，N取值为正整数；

$L\left(i\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{DN}(i,j)\×\mathrm{LOC}(i,j))}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DN}(i,j)}$

其中：DN(i,j)为第i行第j列的像元灰度值；LOC(i,j)为第i行第j列的像元序号。

快视设备由自检源，电缆，带有图像采集卡、网卡、大容量存储器、大尺寸显示器等的计算机组成。主要用于颤振测试中的图像采集、存储、显示、回放和数据分析。快视设备本身除具有自检功能外还应具备事后对记录数据的回放、比较、处理和分析功能。本发明基于图像的颤振分析的处理工作全部在快视设备上完成，当然分析工作也可以在其它分析设备中进行。

本发明基于图像的空间相机颤振分析，直接分析颤振引起的像移。空间相机对景物模拟器成像过程中，由于星上扰动源造成的颤振，如果相机相对于景物模拟器之间相对的角度发生变化，会导致景物模拟器靶标在焦面上所成的像位置发生偏移，如图2所示为本发明颤振使空间相机产生像移的示意图。利用这一原理，可以通过计算在成像过程中景物模拟器靶标在焦面上所成像位置的变化来反映成像过程中相机与景物模拟器之间相对角度的变化。如认为景物模拟器自身未发生变化(不考虑环境影响)，则可以求得成像过程中，相机指向的变化。

本发明基于图像的空间相机颤振分析测量方法，采集足量颤振测试中靶标图像，截取其中最清晰的一段黑白靶标图像，逐行利用如下质心公式(1)来求每行的灰度质心，然后利用公式(2)消除零偏，就可以得到颤振造成的像元偏移量，最后将像元偏移量绘制成曲线图以供后续分析。这就是利用图像的变化来反映颤振对相机指向的影响。空间相机传感器为线阵CCD，也就是一维的，所以求得的像元偏移量只是一个方向的偏移量，根据灰度质心法的原理，可以得出求得的是沿线阵方向的偏移量，在轨道上是垂直于轨道面的方向，对于整个扰振来说，是扰动沿线阵方向的分量。如图3所示为本发明空间相机的图像质心法分析示意图。

$L\left(i\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{DN}(i,j)\×\mathrm{LOC}(i,j))}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DN}(i,j)}---\left(1\right)$

其中：DN(i,j)为第i行第j列的像元灰度值；

LOC(i,j)为第i行第j列的像元序号；

$\mathrm{Warp}\left(i\right)=L\left(i\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}L\left(i\right)}{N}---\left(2\right)$

其中：Warp(i)为每行受扰振的像元偏移量，L(i)为每行的灰度中心位置，N为截取图像数据的行数，N取值为正整数。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(一)、搭建测试系统，所述测试系统包括景物模拟器、空间相机和快视设备，其中景物模拟器包括平行光管和光源，靶标位于光源与平行光管之间，并将靶标安装在平行光管的焦平面上，使靶标的刻线方向同时垂直于平行光管的光轴和空间相机探测器的线阵方向，并使光源照射靶标；

步骤(二)、调整景物模拟器位置，保证空间相机入光口与景物模拟器出光口对准，景物模拟器有效口径充满空间相机入瞳；

步骤(三)、景物模拟器开机，再次调整景物模拟器位置，保证空间相机入光口与景物模拟器出光口对准，景物模拟器有效口径充满空间相机入瞳，同时靶标成像在空间相机焦面处，得到成像目标，并避免空间相机饱和；

步骤(四)、关闭空间相机和景物模拟器，并保证景物模拟器位置不发生变化；

步骤(五)、开启卫星扰动部件；

步骤(六)、景物模拟器和空间相机开机，在卫星扰动部件进入稳定状态后采集图像并将图像存储到快视设备；

步骤(七)、对存储的靶标图像使用灰度质心法进行分析，得到质心位置偏差量Warp(i)，即像面偏移量，具体公式如下：

$\mathrm{Warp}\left(i\right)=L\left(i\right)-\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}L\left(i\right)}{N}$

其中：Warp(i)为每行受扰振的像元偏移量，L(i)为每行的灰度中心位置，N为截取图像数据的行数，N取值为正整数；

$L\left(i\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{DN}(i,j)\×\mathrm{LOC}(i,j))}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{DN}(i,j)}$

其中：DN(i,j)为第i行第j列的像元灰度值；LOC(i,j)为第i行第j列的像元序号；n为正整数。

2.根据权利要求1所述的一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，其特征在于：整个测试过程中控制各种外界扰动，包括电磁、噪声、风、人员和设备移动，测试过程在单独的试验间进行，保证无人员走动。

3.根据权利要求1所述的一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，其特征在于：所述步骤(三)得到成像目标后，调整空间相机的成像参数，所述成像参数包括增益、偏置和级数，之后对空间相机调焦，使得靶标在空间相机中得到清晰的黑白条纹像，之后进入步骤(四)。

4.根据权利要求1所述的一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，其特征在于：所述步骤(六)中景物模拟器和空间相机开机后的5～10分钟开始采集图像。

5.根据权利要求1所述的一种基于靶标图像的空间相机颤振分析方法，其特征在于：所述步骤(六)中重复采集图像3～5次。