CN110108303B - 一种在轨空间目标探测识别仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在轨空间目标探测识别仿真系统及方法，所述系统包括目标模拟单元、红外探测单元、干扰模拟单元、图像处理单元和信息融合单元；通过采用仿真软件和实物对在轨卫星光电探测载荷的目标探测能力进行仿真，并通过半实物仿真实验探索在轨卫星光电探测载荷对空间碎片等目标的光电探测识别能力。本发明采用模块化单元设计，能够对各模块分别进行功能和性能的完善与提升，缩短了仿真系统更新迭代的周期和成本；结构简单，操作容易，可对高中低轨不同高度空间飞行器的空间探测环境进行仿真模拟。

Description

一种在轨空间目标探测识别仿真系统及方法

技术领域

本发明属于卫星光电探测技术领域，特别是涉及一种在轨空间目标探测识别仿真系统及方法。

背景技术

随着世界各国航天飞行器发射数量的猛增，失效卫星及其碎片的数量也在逐年增加，这对在轨正常运行的航天器构成了巨大威胁。空间碎片能够与在轨航天器直接碰撞，造成航天器器件的损伤，并导致航天器失控。在轨飞行航天器，尤其是高轨如静止轨道卫星，卫星多数是具有通信和观测功能的高价值航天器。因此，空间碎片的监测识别对于保证航天器的正常运行具有重要的应用价值。对空间碎片的监测包含地基和天基雷达探测等手段，其中地基雷达探测可有效应用于低轨空间碎片的监测，却难以实现对高轨碎片的有效监测。因此，光电探测成为高轨空间碎片监测的重要手段。

美国最早开始空间光电态势感知体系的研究，且已具备包含地面和空间高中低轨态势感知平台，可有效监测空间碎片等目标的形状、体积、飞行姿态等，具有最完备的空间碎片编目体系。我国地基监测设备跨境装备不现实，因此，发展天基空间目标监测系统是解决空间目标探测最有效和最直接的方式。在天基在轨空间目标探测技术发展研究的初期，建立在轨空间目标探测的仿真系统及方法，对于分析研究天基空间探测平台的在轨工作过程和目标监测能力等具有显著的意义。在轨空间目标探测系统的研究成本高、研制周期长，为了保证天基在轨光电探测载荷的在轨目标监测能力，有必要对星载目标探测系统进行深入可靠的仿真测试。目前已有大量研究成果报道了天基光电探测成像建模的仿真和方法，但鲜有关于在轨卫星光电探测系统目标探测识别系统的半实物仿真系统设计。

因此，为了解决现有技术存在的问题，研究一种结构简单、操作容易、低成本的在轨空间目标探测识别仿真系统及方法已经成为一项重要任务。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出了一种在轨空间目标探测识别仿真系统及方法，通过采用仿真软件和实物对在轨卫星光电探测载荷的目标探测能力进行仿真，并通过半实物仿真实验探索在轨卫星光电探测载荷对空间碎片等目标的光电探测识别能力。

本发明的技术方案为：

和现有技术相比，本发明提供了一种在轨空间目标探测识别仿真系统，包括目标模拟单元、红外探测单元、干扰模拟单元、图像处理单元和信息融合单元；

所述目标模拟单元，包括黑体、平行光管和压电陶瓷驱动反光镜，用于为空间目标探测识别仿真系统提供模拟目标；目标模拟单元可模拟空间目标的辐射和运动特性，通过调节黑体温度实现对空间碎片等目标的辐射特性的仿真模拟，通过调整压电陶瓷驱动反光镜的反射角度实现对目标飞行轨迹和运动规律的仿真模拟。空间目标在轨飞行的温度为200～400K，其辐射特性与相应温度的黑体辐射类似，据此设置黑体温度用于模拟目标的辐射特性；空间目标的飞行轨迹由MATLAB模拟计算得到，计算结果用于模拟目标在红外相机视场内运动规律，直接作为目标模拟单元中的压电陶瓷驱动反光镜运动规律的设计输入。

所述红外探测单元，包括红外相机和二维转台，用于对目标模拟单元提供的模拟目标进行光学成像；红外探测单元可模拟星上相机和转动机构，该单元与目标模拟单元共同置于暗室中，可模拟空间目标在光照区或阴影区的特性；红外相机由二维转台带动进行周视扫描，完成对卫星平台周视环境的扫描，用于模拟星上相机对卫星360°方位方向的周视探测；二维转台的本体坐标系可模拟卫星平台坐标系；红外相机探测器焦平面的单个像素的大小为30μm。因此，几十公里外的空间目标在光敏面的成像呈现点目标特征，这同恒星和远距离卫星在相机上的成像特性是一致的；因此，恒星和远距离卫星将对空间目标的探测识别造成干扰。

所述干扰模拟单元，用于为红外相机采集的模拟目标图像提供干扰图像，实现对包含星空背景和在轨飞行干扰卫星在内的空间环境的模拟；干扰模拟采用MATLAB和STK联合仿真方式，实现卫星平台和红外相机安装的模拟设计；根据卫星姿态、卫星位置和红外相机的指向信息，访问恒星星表数据和在轨飞行卫星星历数据，获取对应时刻红外相机视场内的恒星和干扰卫星的辐射和位置信息。

所述图像处理单元，包括图像融合模块和目标识别模块，用于将从红外探测单元接收的模拟目标图像和从干扰模拟单元接收的干扰图像进行图像融合，获得包含模拟目标和干扰的星空图像，并将融合后的图像发送给目标识别模块，实现对模拟目标的检测识别；图像融合模块完成对红外相机采集的模拟目标图像和干扰模拟图像的注入式融合，模拟目标图像为实物仿真得到，干扰模拟图像由数字建模得到；目标识别模块采用DSP和FPGA组合架构形式，由FPGA实现图像预处理，提高图像信噪比，由DSP完成目标的检测识别；目标识别模块最终将模拟目标在图像的位置信息发送给信息融合单元。

所述信息融合单元，用于接收来自红外探测单元的二维转台的方位信息、干扰模拟单元提供的卫星平台的姿态和位置信息以及模拟目标在图像中的位置信息，获得模拟目标相对于卫星平台的方位和俯仰角度信息；图像融合模块是将模拟目标图像和干扰图像进行图像融合，主要的计算过程涉及三维坐标信息向二维成像平面的投影变换；信息融合单元则是将由二维成像平面获得的目标信息转换为目标相对于卫星的三维坐标信息。

所述的图像处理单元与红外探测单元通过CameraLink线缆连接；适应大容量图像数据传输需求。

所述的红外相机安装在二维转台上，通过二维转台承载红外相机实现周视扫描，来模拟星载相机对空间目标的周视扫描探测；红外相机的视场指向沿方位方向0～360°连续变化，且变化速率为0～200°/s可调；红外相机不同时刻的视场指向即二维转台的方位信息可通过读取二维转台的码盘信息获得，并发送给信息融合单元。

本发明还提供了一种在轨空间目标探测识别仿真方法，包括以下步骤：

步骤1：将在轨空间目标探测识别仿真系统开机；目标模拟单元、干扰模拟单元、红外探测单元、图像处理单元和信息融合单元上电开机；

步骤2：干扰模拟单元初始化；设置卫星平台参数，采用MATLAB和STK联合仿真方式，调用在轨飞行卫星星历和恒星星表数据，生成与红外相机视场指向相对应的干扰卫星和恒星数据查找表，并生成空间背景和干扰图像；

步骤3：根据空间目标的运动特性计算分析结果，设置目标模拟单元压电陶瓷驱动反射镜的运动速率和方向，根据空间目标的辐射特性计算分析结构，设置黑体温度，完成空间目标特性的参数设置；

步骤4：红外相机由二维转台承载做周视扫描运动，对目标模拟单元提供的模拟目标进行光学成像，并向图像处理单元和信息融合单元分别发送模拟目标成像信息和二维转台方位信息；

步骤5：图像处理单元根据红外相机指向信息，调用干扰图像，由图像处理单元中的图像融合模块将干扰图像注入到模拟目标图像，完成图像融合，生成在轨空间目标探测的模拟图像；

步骤6：图像融合模块将空间目标探测的模拟图像发送给目标识别模块，经图像预处理和目标识别过程，完成对模拟目标的检测识别；

步骤7：图像处理单元将模拟目标在图像中的二维位置信息发送给信息融合单元；

步骤8：信息融合单元将二维转台方位信息、卫星平台姿态和位置信息以及模拟目标在图像中的位置信息进行信息融合，计算得到模拟目标相对于卫星本体坐标系的方位和俯仰角度信息；

步骤9：完成在轨空间目标探测识别的半实物仿真实验测试。

所述步骤6包括以下步骤：

步骤61：图像融合模块将空间目标探测的模拟图像通过电缆传输给目标识别模块；

步骤62：由FPGA实施图像预处理；

步骤63：空间目标探测的模拟图像经FPGA图像预处理后，传输给DSP，由DSP完成目标检测识别；

步骤64：若星点有剩余，则剩余点即为目标点，目标检测成功，提取目标点的位置信息，确认目标；若无剩余星点，则红外相机未探测到目标或目标未出现在红外相机视场内，确认无目标。

所述步骤62中FPGA图像预处理包括以下步骤：

步骤621：背景抑制，有效减少模拟图像中的背景噪声；

步骤622：阈值分割，将模拟图像中的干扰星点或待检测目标点分割出来，且不会引入不期望的亮点；

步骤623：星点标记，将模拟图像中的星点进行标记，以备目标识别。

所述步骤63中目标检测识别包括以下步骤：

步骤631：特征点提取，将模拟图像中的恒星和干扰卫星信息提取出来；

步骤632：星图匹配，将模拟图像中的恒星干扰进行去除；

步骤633：星点跟踪，将模拟图像中的干扰卫星进行去除。

本发明的技术效果为：

(1)本发明集成了星上相机载荷和星上图像处理单元等实物，采用真实的红外相机组件和二维转台系统对星上光电载荷的探测识别过程进行了仿真模拟。

(2)本发明集成了空间环境模拟程序，并将成像结果注入到实物相机成像结果中，完成了对在轨光电载荷空间环境的图像融合，避免了仿真系统对超低温天基空间环境实验的苛刻要求，大大缩减了研发成本。

(3)本发明所有分系统采用模块化单元设计，能够对各模块分别进行功能和性能的完善与提升，缩短了仿真系统更新迭代的周期和成本；

(4)本发明提出的在轨空间目标探测识别仿真平台，结构简单，操作容易，可对高中低轨不同高度空间飞行器的空间探测环境进行仿真模拟。

附图说明

图1为本发明在轨空间目标探测识别仿真系统组成原理图。

图2为本发明图像处理单元的目标识别模块工作流程。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

实施例：

由图1-2所示，本发明提供了一种在轨空间目标探测识别仿真系统，包括目标模拟单元、红外探测单元、干扰模拟单元、图像处理单元和信息融合单元；

所述目标模拟单元，包括黑体、平行光管和压电陶瓷驱动反光镜，用于为空间目标探测识别仿真系统提供模拟目标；目标模拟单元可模拟空间目标的辐射和运动特性，通过调节黑体温度实现对空间碎片等目标的辐射特性的仿真模拟，通过调整压电陶瓷驱动反光镜的反射角度实现对目标飞行轨迹和运动规律的仿真模拟。空间目标在轨飞行的温度为200～400K，其辐射特性与相应温度的黑体辐射类似，据此设置黑体温度用于模拟目标的辐射特性；空间目标的飞行轨迹由MATLAB模拟计算得到，计算结果用于模拟目标在红外相机视场内运动规律，直接作为目标模拟单元中的压电陶瓷驱动反光镜运动规律的设计输入。

所述红外探测单元，包括红外相机和二维转台，用于对目标模拟单元提供的模拟目标进行光学成像；红外探测单元可模拟星上相机和转动机构，该单元与目标模拟单元共同置于暗室中，可模拟空间目标在光照区或阴影区的特性；红外相机由二维转台带动进行周视扫描，完成对卫星平台周视环境的扫描，用于模拟星上相机对卫星360°方位方向的周视探测；二维转台的本体坐标系可模拟卫星平台坐标系；红外相机探测器焦平面的单个像素的大小为30μm。因此，几十公里外的空间目标在光敏面的成像呈现点目标特征，这同恒星和远距离卫星在相机上的成像特性是一致的；因此，恒星和远距离卫星将对空间目标的探测识别造成干扰。

所述干扰模拟单元，用于为红外相机采集的模拟目标图像提供干扰图像，实现对包含星空背景和在轨飞行干扰卫星在内的空间环境的模拟；干扰模拟采用MATLAB和STK联合仿真方式，实现卫星平台和红外相机安装的模拟设计；根据卫星姿态、卫星位置和红外相机的指向信息，访问恒星星表数据和在轨飞行卫星星历数据，获取对应时刻红外相机视场内的恒星和干扰卫星的辐射和位置信息。

所述图像处理单元，包括图像融合模块和目标识别模块，用于将从红外探测单元接收的模拟目标图像和从干扰模拟单元接收的干扰图像进行图像融合，获得包含模拟目标和干扰的图像，并将融合后的图像发送给目标识别模块，实现对模拟目标的检测识别；图像融合模块完成对红外相机采集的模拟目标图像和干扰模拟图像的注入式融合，模拟目标图像为实物仿真得到，干扰模拟图像由数字建模得到；目标识别模块采用DSP和FPGA组合架构形式，由FPGA实现图像预处理，提高图像信噪比，由DSP完成目标的检测识别；目标识别模块最终将模拟目标在图像的位置信息发送给信息融合单元。

所述信息融合单元，用于接收来自红外探测单元的二维转台的方位信息、干扰模拟单元提供的卫星平台的姿态和位置信息以及模拟目标在图像中的位置信息，获得模拟目标相对于卫星平台的方位和俯仰信息；图像融合模块是将模拟目标图像和干扰图像进行图像融合，主要的计算过程涉及三维坐标信息向二维成像平面的投影变换；信息融合单元则是将由二维成像平面获得的目标信息转换为目标相对于卫星的三维坐标信息。

所述的图像处理单元与红外探测单元通过CameraLink线缆连接；适应大容量图像数据传输需求。

所述的红外相机安装在二维转台上，通过二维转台承载红外相机实现周视扫描，来模拟星载相机对空间目标的周视扫描探测；红外相机的视场指向沿方位方向0～360°连续变化，且变化速率为0～200°/s可调；红外相机不同时刻的视场指向即二维转台的方位信息可通过读取二维转台的码盘信息获得，并发送给信息融合单元。

本发明还提供了一种在轨空间目标探测识别仿真方法，包括以下步骤：

步骤1：将在轨空间目标探测识别仿真系统开机；目标模拟单元、干扰模拟单元、红外探测单元、图像处理单元和信息融合单元上电开机；

步骤2：干扰模拟单元初始化；设置卫星平台参数，采用MATLAB和STK联合仿真方式，调用在轨飞行卫星星历和恒星星表数据，生成与红外相机视场指向相对应的干扰卫星和恒星数据查找表，并生成空间背景和干扰图像；

步骤3：根据空间目标的运动特性计算分析结果，设置目标模拟单元压电陶瓷驱动反射镜的运动速率和方向，根据空间目标的辐射特性计算分析结构，设置黑体温度，完成空间目标特性的参数设置；

步骤4：红外相机由二维转台承载做周视扫描运动，对目标模拟单元提供的模拟目标进行光学成像，并向图像处理单元和信息融合单元分别发送模拟目标成像信息和二维转台方位信息；

步骤5：图像处理单元根据红外相机指向信息，调用干扰图像，由图像处理单元中的图像融合模块将干扰图像注入到模拟目标图像，完成图像融合，生成在轨空间目标探测的模拟图像；

步骤6：图像融合模块将空间目标探测的模拟图像发送给目标识别模块，经图像预处理和目标识别过程，完成对模拟目标的检测识别；

所述步骤6包括以下步骤：

步骤61：图像融合模块将空间目标探测的模拟图像通过电缆传输给目标识别模块；

步骤62：由FPGA实施图像预处理；

所述步骤62中FPGA图像预处理包括以下步骤：

步骤621：背景抑制，有效减少模拟图像中的背景噪声；

步骤622：阈值分割，将模拟图像中的干扰星点或待检测目标点分割出来，且不会引入不期望的亮点；

步骤623：星点标记，将模拟图像中的星点进行标记，以备目标识别。

步骤63：空间目标探测的模拟图像经FPGA图像预处理后，传输给DSP，由DSP完成目标检测识别；

所述步骤63中目标检测识别包括以下步骤：

步骤631：特征点提取，将模拟图像中的恒星和干扰卫星信息提取出来；

步骤632：星图匹配，将模拟图像中的恒星干扰进行去除；

步骤633：星点跟踪，将模拟图像中的干扰卫星进行去除。

步骤64：若星点有剩余，则剩余点即为目标点，目标检测成功，提取目标点的位置信息，确认目标；若无剩余星点，则红外相机未探测到目标或目标未出现在红外相机视场内，确认无目标。

步骤7：图像处理单元将模拟目标在图像中的二维位置信息发送给信息融合单元；

步骤8：信息融合单元将二维转台方位信息、卫星平台姿态和位置信息以及模拟目标在图像中的位置信息进行信息融合，计算得到模拟目标相对于卫星本体坐标系的方位和俯仰角度信息；

步骤9：完成在轨空间目标探测识别的半实物仿真实验测试。

Claims (7)

1.一种在轨空间目标探测识别仿真系统，其特征在于：包括目标模拟单元、红外探测单元、干扰模拟单元、图像处理单元和信息融合单元；

所述目标模拟单元，包括黑体、平行光管和压电陶瓷驱动反光镜，用于为空间目标探测识别仿真系统提供模拟目标；

所述红外探测单元，包括红外相机和二维转台，用于对目标模拟单元提供的模拟目标进行光学成像；

所述干扰模拟单元，用于为红外相机采集的模拟目标图像提供干扰图像，实现对包含星空背景和在轨飞行干扰卫星在内的空间环境的模拟，并为信息融合单元提供卫星平台的姿态和位置信息；干扰模拟采用MATLAB和STK联合仿真方式，实现卫星平台和红外相机安装的模拟设计，进而得到卫星平台的姿态和位置信息；

所述图像处理单元，包括图像融合模块和目标识别模块，用于将从红外探测单元接收的模拟目标图像和从干扰模拟单元接收的干扰图像进行图像融合，获得包含模拟目标和干扰的图像，并将融合后的图像发送给目标识别模块，实现对模拟目标的检测识别；

所述信息融合单元，用于接收来自红外探测单元的二维转台的方位信息、干扰模拟单元提供的卫星平台的姿态和位置信息以及模拟目标在图像中的位置信息，获得模拟目标相对卫星平台的方位和俯仰角度信息。

2.如权利要求1所述的在轨空间目标探测识别仿真系统，其特征在于：所述的图像处理单元与红外探测单元通过CameraLink线缆连接。

3.如权利要求1所述的在轨空间目标探测识别仿真系统，其特征在于：所述的红外相机安装在二维转台上，通过二维转台承载红外相机实现周视扫描，来模拟星载相机对空间目标的周视扫描探测。

4.一种在轨空间目标探测识别仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在轨空间目标探测识别仿真系统开机；

步骤2：干扰模拟单元初始化；设置卫星平台参数，采用MATLAB和STK联合仿真方式，调用在轨飞行卫星星历和恒星星表数据，生成与红外相机视场指向相对应的干扰卫星和恒星数据查找表，并生成空间背景和干扰图像；

步骤3：根据空间目标的运动特性计算分析结果，设置目标模拟单元的压电陶瓷驱动反射镜的运动速率和方向，根据空间目标的辐射特性计算分析结果，设置黑体温度，完成模拟目标特性的参数设置；

步骤4：红外相机由二维转台承载做周视扫描运动，对目标模拟单元提供的模拟目标进行光学成像，并向图像处理单元和信息融合单元分别发送目标成像信息和二维转台方位信息；

步骤5：图像处理单元根据红外相机指向信息，调用干扰图像，由图像处理单元中的图像融合模块将干扰图像注入到模拟目标图像，完成图像融合，生成在轨空间目标探测的模拟图像；

步骤6：图像融合模块将空间目标探测的模拟图像发送给目标识别模块，经图像预处理和目标识别过程，完成对模拟目标的检测识别；

步骤7：图像处理单元将模拟目标在图像中的二维位置信息发送给信息融合单元；

步骤8：信息融合单元将二维转台方位信息、卫星平台姿态和位置信息以及模拟目标在图像中的二维位置信息进行信息融合，计算得到模拟目标相对于卫星本体坐标系的方位和俯仰角度信息；

步骤9：完成在轨空间目标探测识别的半实物仿真实验测试。

5.如权利要求4所述的在轨空间目标探测识别仿真方法，其特征在于：所述步骤6包括以下步骤：

步骤61：图像融合模块将空间目标探测的模拟图像通过电缆传输给目标识别模块；

步骤62：由FPGA实施图像预处理；

步骤63：空间目标探测的模拟图像经FPGA图像预处理后，传输给DSP，由DSP完成目标检测识别；

步骤64：若星点有剩余，则剩余点即为目标点，目标检测成功，提取目标点的位置信息，确认目标；若无剩余星点，则红外相机未探测到目标或目标未出现在红外相机视场内，确认无目标。

6.如权利要求5所述的在轨空间目标探测识别仿真方法，其特征在于：所述步骤62中FPGA图像预处理包括以下步骤：

步骤621：背景抑制，有效减少模拟图像中的背景噪声；

步骤622：阈值分割，将模拟图像中的干扰星点或待检测目标点分割出来，且不会引入不期望的亮点；

步骤623：星点标记，将模拟图像中的星点进行标记，以备目标识别。

7.如权利要求5所述的在轨空间目标探测识别仿真方法，其特征在于：所述步骤63中目标检测识别包括以下步骤：

步骤631：特征点提取，将模拟图像中的恒星和干扰卫星信息提取出来；

步骤632：星图匹配，将模拟图像中的恒星干扰进行去除；

步骤633：星点跟踪，将模拟图像中的干扰卫星进行去除。

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