CN113596332A - 一种火流星事件光电监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种火流星事件光电监测系统，包括全天区监视分系统、目标识别与导引分系统、主控分系统、图像采集分系统、目标跟踪分系统和时间分系统，全天区监视分系统获取全天区图像数据，并将图像数据传输至目标识别与导引分系统；目标识别与导引分系统接收并处理全天区监视分系统发送的全天区图像数据，以识别火流星，并向主控分系统发出火流星触发信号和导引信息；主控分系统接收火流星触发信号；图像采集分系统接收主控分系统发送的图像数据采集命令，将采集到的图像数据传输至主控分系统；目标跟踪分系统接收执行主控分系统发送的火流星导引信息，控制图像采集分系统指向指定位置；时间分系统提供时间信息，实现对火流星事件的全天区监测且测量精度大大提高。

Description

一种火流星事件光电监测系统
技术领域
本发明涉及天文观测技术领域，尤其涉及一种应用于火流星观测的火流星事件光电监测系统。
背景技术
根据国际流星组织的规定，星等亮度在-3等以上、质量大于5克的流星被称为火流星，火流星在进入地球大气层过程中发生高速摩擦，陨石会发生剧烈燃烧，发出耀眼的光芒，同时伴有雷鸣或电流声，并伴有流星在空中解体爆裂及未燃烧陨石撞击地面现象。火流星作为一种天文现象，在流星雨发生期间发生频率相对较高，其主要来源为太阳系内的近地小行星或彗星在靠近地球时，在地球引力的作用下部分陨石脱离母体落入地球。火流星对人类最为直接的影响包括其在进入大气层过程中对空间目标及航天器的干扰；未完全燃烧的陨石撞击地面会造成大范围的环境破坏及财产损失，如中国吉林、俄罗斯车里雅宾斯克、中国青海玉树的发生的火流星事件都引起全世界范围内的关注。
为保障国民财产安全，同时为超高音速飞行研究、陨石搜寻及轨道演化等研究提供精确测量数据，必须对火流星进行监测，确定火流星每一个时刻在空中的位置信息及光学信息。目前对火流星的监测主要采用光电监测技术，监测方式为监测系统指向固定天区，被动等待火流星出现，但是火流星存在偶然性，其发生的位置、运动方向完全随机，同时持续时间非常短，燃烧发出的光芒变化迅速，而监测系统的光学视场范围有限，存在遗漏火流星的可能性，且采用的大部分为非科学级相机，获取的火流星的测量数据误差较大，无法实现对火流星的全天区监测和高精度观测功能。
发明内容
本发明公开的一种火流星事件光电监测系统，解决了现有光电监测装置指向固定天区，只能被动等待火流星出现且获取的火流星测量数据误差较大的问题，实现对火流星的全天区监测且测量精度大大提高。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
本发明公开一种火流星事件光电监测系统，包括全天区监视分系统、目标识别与导引分系统、主控分系统、图像采集分系统、目标跟踪分系统和时间分系统，其中，全天区监视分系统用以收集背景天光及恒星光子，以一定频率获取全天区图像数据，并将获取的所述全天区图像数据传输至目标识别与导引分系统；目标识别与导引分系统用以接收并处理所述全天区监视分系统发送的所述全天区图像数据，以识别火流星，获取火流星星象中心位置信息，并向主控分系统发出火流星触发信号和导引信息；主控分系统用以接收所述目标识别与导引分系统发送的所述火流星触发信号、接收并发布所述目标识别与导引分系统发送的火流星导引信息、发布图像数据采集命令、显示与存储图像数据信息和火流星观测执行情况报告并获取火流星的位置信息和光学信息；图像采集分系统用以接收所述主控分系统发送的图像数据采集命令，并将采集到的图像数据传输至所述主控分系统；目标跟踪分系统用以接收并执行所述主控分系统发送的火流星导引信息，控制所述图像采集分系统指向指定位置，并以一定频率向所述主控分系统发送所述目标跟踪分系统所述的位置信息。时间分系统用以为所述全天区监视分系统、图像采集分系统和主控分系统提供时间信息。
进一步地，所述目标识别与导引分系统识别火流星的过程为：
接收所述全天区监视分系统发送的全天区图像数据；
将接收到的相邻三幅所述全天区图像数据相减，去除背景天光和噪声信息，识别出移动目标；
统计所述移动目标记录的光子数，并与火流星光子数阈值进行比较；
光子数大于火流星光子数阈值的所述移动目标被判定为火流星，向主控分系统发出火流星触发信号。
进一步地，所述目标识别与导引分系统获取火流星导引信息的过程为：
根据全天区图像数据的中心坐标(x0,y0)和全天区图像数据的像素数量2m×2n，建立直角坐标系，且该直角坐标系的原点为全天区图像数据的中心坐标(x0,y0)，x轴平行于南北方向，其正向指南，y轴平行于东西方向，其正向指西，该直角坐标系x轴的数值范围为(-m,m)，该直角坐标系y轴的数值范围为(-n,n)；
将火流星在直角坐标系下的星象中心坐标(j,k)转化为地平坐标系下的方位角Asj和高度角hk：
Figure BDA0003186308210000031
其中，m,n均为正整数，j,k为整数，且满足m≥n,-m≤j≤m,-n≤k≤n。
进一步地，所述直角坐标系下全天区监视分系统采集的图像数据中任一像素(p,q)对应的监视天区范围F的计算公式如下：
Figure BDA0003186308210000032
其中，p,q为整数，且满足-(m-1)≤p≤(m-1),-(n-1)≤q≤(n-1)；
进一步地，所述图像采集分系统的镜筒观测天区范围FOV的最小值不小于所述全天区监视分系统采集的图像数据中任一像素对应的监视天区范围F最大值的4倍，即满足：
FOVmin≥4Fmax (3)
其中，FOVmin为图像采集分系统的镜筒观测天区的最小值，Fmax为全天区监视分系统采集的图像数据中任一像素对应的监视天区范围的最大值。
进一步地，所述图像采集分系统包括折射式光学结构镜筒和相机。
进一步地，所述全天区监视分系统包括鱼眼镜头和相机。
有益技术效果：
本发明公开通过全天区监视分系统用以收集背景天光及恒星光子，以一定频率获取全天区图像数据，并将获取的所述全天区图像数据传输至目标识别与导引分系统；目标识别与导引分系统用以接收并处理所述全天区监视分系统发送的所述全天区图像数据，以识别火流星，获取火流星星象中心位置信息，并向主控分系统发出火流星触发信号和导引信息；主控分系统用以接收所述目标识别与导引分系统发送的所述火流星触发信号、接收并发布所述目标识别与导引分系统发送的火流星导引信息、发布图像数据采集命令、显示与存储图像数据信息和火流星观测执行情况报告并获取火流星的位置信息和光学信息；图像采集分系统用以接收所述主控分系统发送的图像数据采集命令，并将采集到的图像数据传输至所述主控分系统；目标跟踪分系统用以接收并执行所述主控分系统发送的火流星导引信息，控制所述图像采集分系统指向指定位置，并以一定频率向所述主控分系统发送所述目标跟踪分系统所述的位置信息。时间分系统用以为所述全天区监视分系统、图像采集分系统和主控分系统提供时间信息，解决了现有光电监测装置指向固定天区，只能被动等待火流星出现且获取的火流星测量数据误差较大的问题，实现对火流星的全天区监测且测量精度大大提高，可以实现对火流星事件的全天区监测及跟踪观测，为观测人员实时提供关于火流星的高精度位置信息及光学信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明所述的一种火流星事件光电监测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
本发明公开一种火流星事件光电监测系统，参见图1，包括全天区监视分系统、目标识别与导引分系统、主控分系统、图像采集分系统、目标跟踪分系统和时间分系统，具体地，全天区监视分系统连接目标识别与导引分系统，目标识别与导引分系统与主控分系统连接，主控分系统和目标跟踪分系统之间采用串口通讯方式连接，目标跟踪分系统支撑图像采集分系统，图像采集分系统与主控分系统连接，时间分系统连接主控分系统、全天区监视分系统和图像采集分系统。
作为本发明的一个实施例，全天区监视分系统用以收集背景天光及恒星光子，以一定曝光频率获取全天区图像数据，并将获取的全天区图像数据传输至目标识别与导引分系统，具体地，全天区监视分系统采用大视场鱼眼镜头，监视天区为180°×180°，焦距为16mm，配备一台大靶面科学级CCD相机，像元数为4096×4096，像元尺寸为12μm×12μm。
作为本发明的一个实施例，目标识别与导引分系统用以接收并处理所述全天区监视分系统发送的所述全天区图像数据，以识别火流星，获取火流星星象中心位置信息，并向主控分系统发出火流星触发信号和导引信息，具体地，目标识别与导引分系统识别火流星的过程为：
接收全天区监视分系统发送的全天区图像数据；
将接收到的相邻三幅全天区图像数据相减，去除背景天光和CCD相机噪声信息，识别出移动目标；
统计移动目标记录的光子数，并与火流星光子数阈值进行比较；
光子数大于火流星光子数阈值的移动目标被判定为火流星，向主控分系统发出火流星触发信号；
目标识别与导引分系统获取火流星导引信息的过程为：
根据全天区图像数据的中心坐标(x0,y0)和全天区图像数据的像素数量2m×2n，建立直角坐标系，且该直角坐标系的原点为全天区图像数据的中心坐标(x0,y0)，x轴平行于南北方向，其正向指南，y轴平行于东西方向，其正向指西，该直角坐标系x轴的数值范围为(-m,m)，该直角坐标系y轴的数值范围为(-n,n)；
具体地，全天区图像数据的中心坐标(x0,y0)和全天区图像数据的像素数量4096×4096建立直角坐标系，且该直角坐标系的原点为全天区图像数据的中心坐标(x0,y0)，x轴的数值范围为(-2048,2048)，y轴的数值范围为(-2048,2048)；
将火流星在直角坐标系下的星象中心坐标(j,k)转化为地平坐标系下的方位角Asj和高度角hk，并将导引信息方位角Asj和高度角hk，发送至主控分系统：
Figure BDA0003186308210000061
其中，m,n均为正整数，j,k为整数，且满足m≥n,-m≤j≤m,-n≤k≤n。
需要理解的是，直角坐标系是以全天区图像的中心点为原点构建的，图像作为二维数据，各个像素的位置信息可以用二维直角坐标系表示；地平坐标系类似于球坐标系，但是无距离信息，是以所在地为原点，方位以正南或正北为原点的360度，高度以地平线处为0度天顶处为90度，无距离信息的三维角度信息坐标系(方位角A，高度角h)；图像数据的二维直角坐标系是三维的地平坐标系在鱼眼镜头焦点处相机芯片的投影，因此依据二维直角坐标系下像素点的位置信息反推出三维的地平坐标系信息。
作为本发明的一个实施例，图像采集分系统用以接收主控分系统发送的图像数据采集命令，并将采集到的图像数据传输至主控分系统，收集火流星发出的光子及背景天区恒星光子，实现火流星位置信息及光学信息数据的采集，具体地，图像采集分系统包括大视场折射式光学结构镜筒和大靶面科学级CCD相机，图像采集分系统采用口径280mm，焦距325mm的折射式光学结构镜筒，配备一台像元数为4096×4096，尺寸为15μm×15μm的科学级CCD相机；由于全天区监视分系统采集的图像数据存在畸变，影响目标识别与导引分系统的导引信息，在前述直角坐标系下，全天区监视分系统采集的图像数据中任一像素(p,q)对应的监视天区范围F为：
Figure BDA0003186308210000071
当p＝±(m-1)且q＝±(n-1)时，全天区监视分系统采集的图像数据中任一像素(p,q)对应的监视天区范围F的值最大，即：
Figure BDA0003186308210000072
为保证全天区监视分系统的图像数据畸变的条件下获取的导引信息能够导引目标跟踪分系统跟踪火流星，并由图像采集分系统在其视场中观测到的火流星的图像数据，因此图像采集分系统的镜筒观测天区范围FOV的最小值不小于所述全天区监视分系统采集的图像数据中任一像素对应的监视天区范围F最大值的4倍，即满足：
Figure BDA0003186308210000073
其中，FOVmin为图像采集分系统的镜筒观测天区范围的最小值，Fmax为全天区监视分系统采集的图像数据中任一像素对应的监视天区范围的最大值，在本发明的实施例中，图像采集分系统的镜筒观测天区范围FOV为6.5°×6.5°，而全天区监视分系统采集的图像数据中任一像素监视天区范围最大值为Fmax＝1.79°×1.79°，满足图像采集分系统的镜筒观测天区范围FOV的最小值不小于全天区监视分系统采集的图像数据中任一像素对应的监视天区范围F最大值4倍的条件。
作为本发明的一个实施例，主控分系统用以接收目标识别与导引分系统发送的火流星触发信号、接收并发布目标识别与导引分系统发送的火流星导引信息、发布图像数据采集命令、显示与存储图像数据信息和火流星观测执行情况报告并获取火流星的位置信息和光学信息。
作为本发明的一个实施例，目标跟踪分系统，用以接收并执行主控分系统发送的火流星导引信息，控制图像采集分系统指向指定位置，并以一定频率向主控分系统发送目标跟踪分系统的位置信息，具体地，目标跟踪分系统包括机架、伺服驱动器、光栅码盘、力矩电机等，机架采用地平式结构，支撑图像采集分系统，伺服驱动器根据主控分系统的指令驱动力矩电机进而驱动机架旋转，将图像采集分系统指向指定的方位角Asj和高度角hk，光栅码盘按照一定频率将方位角Asj和高度角hk信息发送至主控分系统。
作为本发明的一个实施例，时间分系统用以为全天区监视分系统、图像采集分系统和主控分系统提供时间信息，具体地，时间分系统由GPS时统设备和授时卡组成，为图像采集分系统和全天区监视分系统提供CCD相机曝光开始和结束时刻的时间信息，包括协调世界时间系统中的年、月、日、时、分、秒和毫秒，精确度达到0.1ms。
本发明公开的火流星事件光电监测系统的工作原理为：
全天区监视分系统收集背景天光及恒星光子，以一定频率获取全天区图像数据，并将获取的全天区图像数据传输至目标识别与导引分系统，目标识别与导引分系统接收全天区监视分系统发送的全天区图像数据并进行处理，识别火流星并获取火流星星象中心位置信息，向主控分系统发送事件触发信号和导引信息(包括方位角Asj和高度角hk)，主控分系统接收目标识别与导引分系统发送的事件触发信号和导引信息，主控分系统将接收到的导引信息发送至目标跟踪分系统，目标跟踪分系统接收到主控分系统发送的导引信息(包括方位角Asj和高度角hk)后，开启运动，带动图像采集分系统指向指定位置，图像采集分系统以一定频率向主控分系统发送目标跟踪分系统所处的方位角和高度角位置信息，时间分系统接收GPS信号，为全天区监视分系统、图像采集分系统和主控分系统提供CCD相机曝光开始和结束时的时间信息。
本发明公开的火流星事件光电监测系统可以实现对火流星事件的全天区监测及跟踪观测，为观测人员实时提供关于火流星的高精度位置信息及光学信息。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种火流星事件光电监测系统，其特征在于，包括：
全天区监视分系统，用以收集背景天光及恒星光子，以一定频率获取全天区图像数据，并将获取的所述全天区图像数据传输至目标识别与导引分系统；
目标识别与导引分系统，用以接收并处理所述全天区监视分系统发送的所述全天区图像数据，以识别火流星，获取火流星星象中心位置信息，并向主控分系统发出火流星触发信号和导引信息；
主控分系统，用以接收所述目标识别与导引分系统发送的所述火流星触发信号、接收并发布所述目标识别与导引分系统发送的火流星导引信息、发布图像数据采集命令、显示与存储图像数据信息和火流星观测执行情况报告并获取火流星的位置信息和光学信息；
图像采集分系统，用以接收所述主控分系统发送的图像数据采集命令，并将采集到的图像数据传输至所述主控分系统；
目标跟踪分系统，用以接收并执行所述主控分系统发送的火流星导引信息，控制所述图像采集分系统指向指定位置，并以一定频率向所述主控分系统发送所述目标跟踪分系统所述的位置信息；
时间分系统，用以为所述全天区监视分系统、图像采集分系统和主控分系统提供时间信息。
2.根据权利要求1所述的一种火流星事件光电监测系统，其特征在于，所述目标识别与导引分系统识别火流星的过程为：
接收所述全天区监视分系统发送的全天区图像数据；
将接收到的相邻三幅所述全天区图像数据相减，去除背景天光和噪声信息，识别出移动目标；
统计所述移动目标记录的光子数，并与火流星光子数阈值进行比较；
光子数大于火流星光子数阈值的所述移动目标被判定为火流星，向主控分系统发出火流星触发信号。
3.根据权利要求1所述的一种火流星事件光电监测系统，其特征在于，所述目标识别与导引分系统获取火流星导引信息的过程为：
根据全天区图像数据的中心坐标(x0,y0)和全天区图像数据的像素数量2m×2n，建立直角坐标系，且该直角坐标系的原点为全天区图像数据的中心坐标(x0,y0)，x轴平行于南北方向，其正向指南，y轴平行于东西方向，其正向指西，该直角坐标系x轴的数值范围为(-m,m)，该直角坐标系y轴的数值范围为(-n,n)；
将火流星在直角坐标系下的星象中心坐标(j,k)转化为地平坐标系下的方位角Asj和高度角hk：
Figure FDA0003186308200000021
其中，m,n均为正整数，j,k为整数，且满足m≥n,-m≤j≤m,-n≤k≤n。
4.根据权利要求1所述的一种火流星事件光电监测系统，其特征在于，所述直角坐标系下全天区监视分系统采集的图像数据中任一像素(p,q)对应的监视天区范围F的计算公式如下：
Figure FDA0003186308200000022
其中，p,q为整数，且满足-(m-1)≤p≤(m-1),-(n-1)≤q≤(n-1)。
5.根据权利要求1所述的一种火流星事件光电监测系统，其特征在于，所述图像采集分系统的镜筒观测天区范围FOV的最小值不小于所述全天区监视分系统采集的图像数据中任一像素对应的监视天区范围F最大值的4倍，即满足：
FOVmin≥4Fmax (3)
其中，FOVmin为图像采集分系统的镜筒观测天区的最小值，Fmax为全天区监视分系统采集的图像数据中任一像素对应的监视天区范围的最大值。
6.根据权利要求1所述的一种火流星事件光电监测系统，其特征在于，所述图像采集分系统包括折射式光学结构镜筒和科学级CCD相机。
7.根据权利要求1所述的一种火流星事件光电监测系统，其特征在于，所述全天区监视分系统包括鱼眼镜头和相机。
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