CN110850662A - 一种多自由度光学搜索系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多自由度光学搜索系统，其包含：二维转动机构、综合控制单元及若干搜索相机；该搜索相机绕二维转动机构的内轴均布，用于采集图像信息，并输出至综合控制单元；综合控制单元与搜索相机连接，用于对搜索相机给出的图像信息分析处理，筛选出有效目标；并参照搜索相机给出的多帧图像间上述有效目标的位置变化，计算有效目标的运动方向和角速率，进而控制所述二维转动机构的运动，保持对目标的跟踪。本发明通过二维转动机构和相机的组合，可实现全天球的搜索；采用多台相机均布，有效减小转动惯量，扩大了同一时刻的搜索范围；电磁光圈扩展了常规遮光罩的功能，减小了搜索相机在轨工作期间受强光损伤的几率。

Description

一种多自由度光学搜索系统
技术领域
本发明涉及一种多自由度光学搜索系统，主要应用于空间目标的搜索和跟踪。
背景技术
随着航天技术的迅速发展，人类空间活动的加剧，地球轨道空间分布了大量人造目标，同时包括失控卫星、空间碎片和太空垃圾在内的未知目标逐年增多。美国国家航空航天局轨道碎片计划办公室估计地球轨道上大约有50万个直径1cm～10cm的碎片。
上述空间目标分布在不同轨道，严重影响了人类的空间活动，对太空安全造成威胁。其中，2009年2月10日，美国铱33卫星与俄罗斯报废卫星相撞，成为历史上首次卫星碰撞事故，此事件使得空间防碰撞技术引起各航天大国的重视，对空间未知目标的发现、辨识与威胁评估成为防碰撞技术需首要解决的问题。
另一方面，卫星在执行清理空间垃圾任务时，存在变轨等动作，在未知轨道上发生意外碰撞的风险激增。
这就对空间未知目标的搜索与跟踪提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多自由度光学搜索系统，实现对空间目标的自主搜索和跟踪。
为了达到上述目的，本发明提供了一种多自由度光学搜索系统，其包含：二维转动机构、综合控制单元及若干搜索相机；
所述的搜索相机绕二维转动机构的内轴均布，用于采集图像信息，并将所述图像信息输出至所述的综合控制单元；
所述的综合控制单元与所述搜索相机电连接或信号连接，所述的综合控制单元用于对所述的搜索相机给出的图像预处理信息分析处理，筛选出有效目标；并参照所述搜索相机给出的多帧图像下所述有效目标的位置变化，计算有效目标的运动方向和角速率，进而控制所述二维转动机构的运动，保持对目标的跟踪。
本文所述的“均布”是指，所述的搜索相机均匀设置在以所述内轴为圆心的圆周上，沿径向布置，相邻的搜索相机之间所呈的角度相当。所述的搜索相机绕二维转动机构的内轴均布，从而使得几台搜索相机整体的质心位置基本接近转动机构的内轴，减小转动惯量。且本发明配置数台相机，可在同一时间实现多个位置的搜索，弥补单台相机视场大小的限制。
较佳地，所述的搜索相机采用方视场，对视场覆盖区域拍图成像，获取图像信息。
较佳地，所述的二维转动机构的内轴与其外轴垂直，所述的内轴与所述的搜索相机的光轴垂直，通过转动机构的转动，在不受遮挡的情况下，搜索相机可以实现全天球的搜索。具体来说，转动所述的二维转动机构的内轴可以实现相机视场大小乘以360°范围内的覆盖搜索，配合所述外轴的转动可以实现全天球的覆盖。
较佳地，所述的搜索相机包含：设置在相机前端的遮光罩，设置在相机后端的镜头，设置在遮光罩与镜头之间的电磁光圈，及，设置在镜头后端的探测器。本发明的电磁光圈的直径由综合控制单元控制，其根据搜索相机给出的图像信息，判断该相机受到强光干扰的程度，控制光圈的收缩程度甚至闭合光圈，以主动隔离强光照射。较佳地，所述的电磁光圈的光圈孔径大小，由综合控制单元控制调整。
较佳地，所述的搜索相机还包含图像预处理软件模块，通过设定的阈值，滤除图像噪声，得到预处理后的图像信息，以输出至所述的综合控制单元。
较佳地，所述的图像信息包含：图像子区域的灰度均值和像点的质心信息。
较佳地，所述的综合控制单元通过对所述的搜索相机给出的图像子区域的灰度均值进行分析，判断该搜索相机受到强光干扰的程度，控制电磁光圈的孔径收缩程度。当某台相机受到太阳光干扰时，图像灰度均值相应增大，恶劣情况下，太阳光若直射探测器，将导致探测器短期失效乃至物理损伤，控制该相机的电磁光圈孔径的收缩，直至完全闭合，可避免强光损伤探测器。由于探测器需实现光电转换，如果光信号太强，过饱和的电流有可能会导致探测器损伤。当太阳光入射角小于相机的视场角时，通过控制本发明设置的电磁光圈的直径，可以遮挡太阳光，避免强光直照探测器。
较佳地，所述的综合控制单元对所述的搜索相机给出的像点的质心信息进行筛选，剔除其中的恒星目标和虚假目标，获取有效目标。
较佳地，该搜索系统在搜索模式下，所述二维转动机构带动所述搜索相机按一定的轨迹在全天球或特定天区搜索目标，发现有效目标后，进入跟踪模式；在跟踪模式下，所述综合控制单元基于多帧图像计算得到的有效目标的角速率，控制二维转动机构按照相应的角速率转动，使得有效目标保持在搜索相机的视场内。
本发明提出的多自由度光学搜索系统的优点和有益效果是：
(1)通过二维转动机构和搜索相机的组合，弥补了相机视场大小和方向的限制，可实现全天球的搜索。
(2)相机采用多台均布的方式，扩大了同一时刻的搜索范围，且减小了转动惯量。
(3)常规的遮光罩通过结构上不可活动的挡光环，形成一定角度的强光抑制角，电磁光圈扩展了常规遮光罩的功能(指遮光罩后端增加了电磁光圈后，可以把光圈视作一个可活动的挡光环，隔离强光)，通过主动控制光圈的大小，从而以主动隔离而非借组转动机构运动规避的方式，减小了搜索相机在轨受强光损伤的几率。
附图说明
图1为本发明的一种多自由度光学搜索系统的结构示意图。
图2为本发明中搜索相机光机组件布局图。
图3a、图3b为本发明中搜索相机全天球搜索的示意图，其中，图3a显示内轴11转动的搜索范围，图3b为外轴12转动的搜索范围。
图4为控制电磁光圈孔径的收缩的状态示意图。
具体实施方式
下面将结合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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“垂直”、“内”、“外”、“前端”、“后端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提出的多自由度光学搜索系统共包含以下组成部分：二维转动机构10、若干台搜索相机20和综合控制单元30。
所述的搜索相机20绕二维转动机构10的内轴11均布。所述的搜索相机20采用方视场，对视场覆盖区域拍图成像，采集图像信息，并将所述图像信息输出至所述的综合控制单元30。
所述的综合控制单元30与所述搜索相机20电连接或信号连接。所述的综合控制单元30用于对所述的搜索相机20给出的图像预处理信息分析处理，筛选出有效目标；并参照所述搜索相机给出的多帧图像下所述有效目标的位置变化，计算有效目标的运动方向和角速率，进而控制所述二维转动机构10的运动，保持对目标的跟踪。
所述的二维转动机构的内轴11与其外轴12垂直，所述的内轴11与所述的搜索相机的光轴(与相机的光学镜头的轴线重合，图中未示)垂直，通过转动机构10的转动，在不受遮挡的情况下，搜索相机20可以实现全天球的搜索。
如图2所示，所述的搜索相机20的光机组件包含：设置在相机前端的遮光罩21，设置在相机后端(位于相机内部)的镜头22，设置在遮光罩21与镜头22之间的电磁光圈23，设置在镜头后端的探测器24。
搜索相机20具有较高的探测灵敏度，一般探测能力达到7.5Mv以上。相机有效视场取30°，相机的配置数量设为三台，绕二维转动结构的内轴均布，即两两之间光轴夹角为120°，同一时刻总共可以覆盖30°×90°范围的天区，如图3a所示。
搜索模式下，搜索相机每次绕内轴转动30°，则相对初始位置共转动三次后，即可遍历30°×360°的天区。每完成一圈遍历后，绕外轴转动30°，开始下一次遍历。则经过共12次遍历后，搜索范围可覆盖全天球，如图3b所示。实际受安装物体的物理遮挡，可搜索范围会有一定的减小。
搜索阶段，搜索相机对每一帧的图像作预处理，按照设定的阈值，滤除图像噪声，并将预处理之后的数据传送给综合控制单元，其中包含图像子区域的灰度均值和像点的质心信息。综合控制单元对接收到的数据进行处理。当某台相机的灰度均值异常增大时，则按照灰度均值的大小和受影响子区域数量，控制电磁光圈23孔径的收缩，如图4所示，若整幅图像均受到影响，则完全闭合光圈。
同时，综合控制单元对像点的质心信息进行分析，通过比对预设的恒星星表，剔除其中的恒星目标，并结合多帧图像信息，对疑似目标中，坏像元、高能粒子造成的虚假目标进一步剔除，最终获得有效目标。同时，对目标所在区域多次拍图，按照目标的位置移动情况，计算其运动方向和角速率，控制二维转动机构的转动，实现对某个目标的持续跟踪。
综上所述，本发明提供的一种光学搜索系统主要组成包括二维转动机构、搜索相机和综合控制单元。搜索相机采用方视场，配置有多台，安装于二维转动机构上，且绕二维转动机构的内轴均布。搜索模式下，二维转动机构带动搜索相机按一定的轨迹在全天球或特定天区搜索目标，发现有效目标后，进入跟踪模式。在跟踪模式下，基于多帧图像计算得到的目标的角速率，控制二维转动机构按照相应的角速率转动，使得目标保持在搜索相机的视场内。相机内设置有电磁光圈，在太阳光进入视场时，综合控制单元可按照探测器图像灰度均值变化的情况，主动控制调整光圈孔径大小。本发明通过二维转动机构和相机的组合，理论上可以实现全天球的搜索；相机采用多台均布的方式，有效减小转动惯量，并扩大了同一时刻的搜索范围；电磁光圈扩展了常规遮光罩的功能，减小了搜索相机在轨工作期间受强光损伤的几率，主要应用于空间目标的搜索和跟踪。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种多自由度光学搜索系统，其特征在于，该系统包含：二维转动机构、综合控制单元及若干搜索相机；
所述的搜索相机绕二维转动机构的内轴均布，用于采集图像信息，并将所述图像信息输出至所述的综合控制单元；
所述的综合控制单元与所述搜索相机电连接和/或信号连接，所述的综合控制单元用于对所述的搜索相机给出的图像信息分析处理，筛选出有效目标；并参照所述搜索相机给出的有效目标的像点，在多帧图像间的坐标变化，换算出角位移，再按照图像的帧频，计算有效目标的运动方向和角速率，进而控制所述二维转动机构以相应的角速率的运动，保持对目标的跟踪。
2.如权利要求1所述的多自由度光学搜索系统，其特征在于，所述的搜索相机采用方视场。
3.如权利要求1所述的多自由度光学搜索系统，其特征在于，所述的二维转动机构的内轴与其外轴垂直，所述的内轴与所述的搜索相机的光轴垂直。
4.如权利要求1所述的多自由度光学搜索系统，其特征在于，所述的搜索相机包含：设置在相机前端的遮光罩，设置在相机后端的镜头，设置在遮光罩与镜头之间的电磁光圈，及，设置在镜头后端的探测器。
5.如权利要求4所述的多自由度光学搜索系统，其特征在于，所述的电磁光圈的光圈孔径大小，由综合控制单元控制调整。
6.如权利要求1所述的多自由度光学搜索系统，其特征在于，所述的搜索相机还包含图像预处理软件模块，通过设定的阈值，滤除图像噪声，得到预处理后的图像信息以输出至所述的综合控制单元。
7.如权利要求1或6所述的多自由度光学搜索系统，其特征在于，所述的图像信息包含：图像子区域的灰度均值和像点的质心信息。
8.如权利要求7所述的多自由度光学搜索系统，其特征在于，所述的综合控制单元对所述的搜索相机给出的图像子区域的灰度均值进行分析，判断该搜索相机受到强光干扰的程度，控制电磁光圈的孔径收缩程度。
9.如权利要求7所述的多自由度光学搜索系统，其特征在于，所述的综合控制单元对所述的搜索相机给出的像点的质心信息进行筛选，剔除其中的恒星目标和虚假目标，获取有效目标。
10.如权利要求1所述的多自由度光学搜索系统，其特征在于，该搜索系统在搜索模式下，所述二维转动机构带动所述搜索相机按一定的轨迹在全天球或特定天区搜索目标，发现有效目标后，进入跟踪模式；在跟踪模式下，所述综合控制单元基于多帧图像计算得到的有效目标的角速率，控制二维转动机构按照相应的角速率转动，使得有效目标保持在搜索相机的视场内。
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