CN113776521B - 一种火星车aps太阳敏感器光强自适应方法 - Google Patents

一种火星车aps太阳敏感器光强自适应方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种火星车APS太阳敏感器光强自适应方法,基于亮度直方图的自动曝光控制方法,结合APS太阳敏感器太阳亮斑特征,创造性的提出基于高低两个灰度阈值的积分时间自动调整控制方法。捕获模式下积分时间粗调,只对太阳捕获,但不输出姿态,转入跟踪后积分时间细调,获得合适的积分时间后进行姿态计算。本发明积分时间合适判据较大,跟踪模式下积分时间精细调整,按照步距为1的方式调整,积分时间合适判断较精细,将太阳亮斑的最高灰度分布处于饱和点80%附近,适应火星表面应用。

Description

一种火星车APS太阳敏感器光强自适应方法
技术领域
本发明属于光学姿态敏感器领域,涉及一种火星车APS太阳敏感器光强自适应方法。
背景技术
太阳敏感器以太阳为基准方位,测量航天器姿态与太阳光线矢量夹角的一种光学姿态敏感器。在火星车上太阳敏感器测得太阳矢量方向,为火星车在火星表面行进提供偏航指向,确保火星车按照预定方向前进,同时完成陀螺长时间漂移的修正。
在地球轨道上,太阳光强为1390W/m2,月球上的太阳光强为1414W/m2,火星与太阳的距离相比地球与太阳的距离更加遥远,火星大气层的太阳辐照强度最大值为717W/m2,最小值为493W/m2,平均值约为589W/m2,约为地球附近太阳辐照强度的42%;火星附近太阳辐照强度在一个火星年中变化约±19%,而地球附近太阳辐照强度在一个地球年中的变化仅有±3.5%。火星陆地可见光的光学深度τ一般为0.5,按照公式I=I0*exp(-τ),光强为I0的可见光透过火星大气后光强衰降为I=0.607I0,火星表面的太阳辐照强度最大值为435.219W/m2,最小值为299.251W/m2,平均值约为357.523W/m2
此外,火星有少量的干冰云,由大于1微米的大颗粒组成的,并且十分密集可阻挡太阳光进入,OMEGA的云层图片显示云层可在地面形成阴影,随着云层厚度的变化存在不同的光深τ,τ取值范围按照0.2~1估计,最坏情况下(天顶角60度,大气光深τ=1),此时太阳光强仅为84.6123W/m2。所以火星表面的太阳光强相对比较复杂。
综上,APS太阳敏感器在地球轨道或月球表面适应1390W/m2~1414W/m2的光强,积分时间多设计固定某一个积分时间,而太阳敏感器在火星表面工作时太阳光强的变化范围较大,从84.6123W/m2到435.219W/m2,太阳敏感器在火星表面应用时难以用同一个积分时间适应复杂的光强,而且太阳敏感器未曾有火星表面应用经历。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提出一种火星车APS太阳敏感器光强自适应方法。
本发明解决技术的方案是:
一种火星车APS太阳敏感器光强自适应方法,该方法的步骤包括:
第一步:将1024档的积分时间利用控制字的方式调整为64控制档,对64控制档进行离散排布,所述64控制档包括64个控制字,积分时间为每个控制字×T,T为图像传感器一行像素的读出时间;
第二步:设定积分时间上限;
第三步:设定灰度统计高阈值gray_hig_thr和灰度统计低阈值gray_low_thr;
第四步:设定太阳捕获模式下灰度分析的像素个数高阈值cap_gray_hig_cnt_thr和像素个数低阈值cap_gray_low_cnt_thr;设定太阳跟踪模式下灰度分析的像素个数高阈值track_gray_hig_cnt_thr和像素个数低阈值track_gray_low_cnt_thr;
第五步:对采入的图像进行灰度分析,得到大于灰度统计高阈值gray_hig_thr的个数ImgCntHig_Num,大于灰度统计低阈值gray_low_thr的个数ImgCntLow_Num;
第六步:在捕获模式下,执行下述操作:
6.1判断当前积分时间是否大于积分时间上限,如果大于积分时间上限则按照积分时间上限设定积分时间,否则判断大于灰度统计高阈值gray_hig_thr的个数ImgCntHig_Num是否大于cap_gray_hig_cnt_thr,如果是,进入步骤6.2,否则进入步骤6.3;
6.2判断当前积分时间是否大于0,若否,则积分时间设为0,退出捕获模式;若积分时间大于0,则根据64控制档判断当前积分时间上限和积分时间下限之间是否还有积分时间,若有,则按照二分法降积分时间,若没有,则将搜索状态初始化;
6.3判断大于灰度统计低阈值gray_low_thr的个数ImgCntLow_Num是否低于cap_gray_low_cnt_thr,若不低于,则退出捕获模式;若低于,则进入步骤6.4;
6.4判断当前积分时间是否小于积分时间上限,若否,则按照积分时间上限设定积分时间;若是,根据64控制档判断当前积分时间上限和积分时间下限之间是否还有积分时间,若有,则按照二分法升积分时间,若没有,则将搜索状态初始化;
第七步:在跟踪模式下,执行下述操作:
7.1判断当前积分时间是否大于积分时间上限,如果大于积分时间上限则按照积分时间上限设定积分时间,否则判断大于灰度统计高阈值gray_hig_thr的个数ImgCntHig_Num是否大于track_gray_hig_cnt_thr,如果是则进入步骤7.2,如果不大于,则进入7.3;
7.2判断当前积分时间是否大于0,若否,则积分时间维持0,角度计算标志置位并开始角度计算;若是,则按照减一的步距降积分时间,清角度计算标志;
7.3判断ImgCntLow_Num是否低于track_gray_low_cnt_thr,若否,则认为当前积分时间合适,角度计算标志置位并开始进行角度计算;若是,则进入7.4;
7.4判断当前积分时间是否小于积分时间上限,若否,则按照积分时间上限设定积分时间,退出太阳跟踪,转入太阳捕获;若是,则按照加一的步距升积分时间,清角度计算标志。
火星车APS太阳敏感器所采用的图像传感器采用卷帘门的曝光方式,图像传感器阵列为1024*1024,积分时间的调整范围为1×T~1024×T。
所述第一步中,64控制档对应的控制字分布如下:[1,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,24,28,32,36,40,46,52,58,66,74,82,90,100,110,120,130,140,150,160,170,190,210,230,250,270,290,310,330,350,370,390,410,430,450,470,490,510,530,550,570,600,630,660,690,730,770,810,850,890,930,970,1010,1022]。
所述第二步中,积分时间上限为31×T,对应光强约为20W/m2
积分时间为0时适应的太阳光强为1000W/m2
所述第三步中,灰度统计高阈值为0.8倍的图像饱和值。
所述第三步中,灰度统计低阈值为0.6倍的图像饱和值。
图像饱和值为255。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)本发明首先对图像传感器积分时间离散分布,小积分时间小步距,大积分时间大步距,建立自动调整积分时间表。设定积分时间自动调整上限的控制字,并且可以通过指令修改积分时间调整范围。
(2)本发明在捕获模式下积分时间快速调整,二分法快速逼近,积分时间合适条件的判据宽泛,跟踪模式下积分时间精细调整,按照步距为1的方式调整,积分时间合适条件的判断较精细,将太阳亮斑的最高灰度分布处于饱和点80%附近,适应火星表面应用。
附图说明
图1为捕获模式下积分时间自动调整流程图;
图2为跟踪模式下积分时间自动调整流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
当前自动曝光或者自动光强适应多见于相机,方法也多以直方图结果进行灰度分布分析,然后决定积分时间的调整策略,APS太阳敏感器进行直方图统计需要大容量数据存储器,而且严重影响数据更新率,APS太阳敏感器对太阳所成图像为简单的太阳亮斑,背景比较简单,所以需要根据APS太阳敏感器自身的成像特点选择合适的积分时间自动调整方法。
火星表面受太阳距离以及火星表面大气光深的影响,太阳光强变化较大,太阳敏感器在火星表面应用时难以用同一个积分时间适应复杂的光强,本发明方法首先对图像传感器积分时间离散分布,小积分时间小步距,大积分时间大步距,建立自动调整积分时间表。设定积分时间自动调整上限的控制字,并且可以通过指令修改积分时间调整范围。
火星车APS太阳敏感器为成像式太阳敏感器,通过不同的积分时间来适应不同的光强。所采用的图像传感器采用卷帘门的曝光方式,可知积分时间是按行读出时间T为当量进行调整的。图像传感器为1024行,所以积分时间的调整范围为1×T~1024×T。
第一步:将1024档的积分时间利用控制字的方式调整为64控制档,进行离散排布,保证小积分时间时能够精细调整,大积分时间时能够快速调整,积分时间调整即调整积分控制档,积分64控制档对应的时间分布如下:【1,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,24,28,32,36,40,46,52,58,66,74,82,90,100,110,120,130,140,150,160,170,190,210,230,250,270,290,310,330,350,370,390,410,430,450,470,490,510,530,550,570,600,630,660,690,730,770,810,850,890,930,970,1010,1022】。积分时间为每一个控制字×T。
第二步:设定积分时间上限,保证积分时间自动调整时最大不超过积分时间上限,积分时间默认上限为31,该积分时间对应光强约为20W/m2,产品最短时间为0时可适应的太阳光强为1000W/m2
第三步:设定灰度统计高阈值gray_hig_thr和低阈值gray_low_thr,默认高阈值为200,低阈值为150,图像饱和值为255,按照高阈值为0.8倍的饱和值设定,低阈值为0.6倍的饱和值设定。
第四步:设定太阳捕获模式和太阳跟踪模式,捕获模式下设定灰度分析的像素个数高阈值cap_gray_hig_cnt_thr,默认值50,和低阈值cap_gray_low_cnt_thr,默认值4,跟踪模式下设定灰度分析的像素个数高阈值track_gray_hig_cnt_thr,默认值10,和低阈值track_gray_low_cnt_thr,默认值4。
第五步:对采入的图像进行灰度分析,得到大于高阈值gray_hig_thr的个数ImgCntHig_Num,大于低阈值gray_low_thr的个数ImgCntLow_Num。
第六步:在捕获模式下,首先判断当前积分时间是否大于积分时间上限,如果大于积分时间上限则按照积分时间上限设定积分时间,否则判断ImgCntHig_Num是否大于cap_gray_hig_cnt_thr,如果是则按照二分法降积分时间,首先判断是否达到积分时间最小值0,如果达到0则积分时间设置0然后退出捕获,如果大于0则分析是否有中间值,有则二分法降积分时间,无则初始化搜索状态。如果ImgCntHig_Num不大于cap_gray_hig_cnt_thr,则判断ImgCntLow_Num是否低于cap_gray_low_cnt_thr,如果低于则按照二分法升积分时间,首先判断积分时间是否达到积分时间上限,如果达到则积分时间设置为积分时间上限,如果未达到则分析进一步分析中间值,有中间值则按照二分法降积分时间,如果没有中间值则初始化搜索状态,如果ImgCntLow_Num高于cap_gray_low_cnt_thr,则积分时间认为捕获模式下合适,退出捕获。如图1所示。
第七步:在跟踪模式下,首先判断当前积分时间是否大于积分时间上限,如果大于积分时间上限则按照积分时间上限设定积分时间,否则判断ImgCntHig_Num是否大于track_gray_hig_cnt_thr,如果是首先判断是否达到积分时间最小值0,如果达到则积分时间设置0并置角度计算标志,如未达到0则减一的步距降积分时间,清角度计算标志。如果ImgCntHig_Num不大于track_gray_hig_cnt_thr,则判断ImgCntLow_Num是否低于track_gray_low_cnt_thr,如果低于则首先判断积分时间是否达到上限值,达到上限则退出跟踪转入太阳捕获,如未达到积分时间上限值按照加一的步距升积分时间,如果ImgCntLow_Num高于track_gray_low_cnt_thr,则积分时间认为跟踪模式下合适,并取得最终合适的太阳敏感器积分时间,然后开始进行太阳跟踪,并启动太阳姿态角度计算。如图2所示。
本发明用于应对火星表面的复杂光强环境,参照基于亮度直方图的自动曝光控制方法,结合APS太阳敏感器太阳亮斑特征,创造性的提出基于高低两个灰度阈值的积分时间自动调整控制方法。
为实现太阳敏感器快速对太阳捕获和太阳姿态的高精度输出,产品设置捕获和跟踪两种工作模式,捕获模式下积分时间粗调,只对太阳捕获,但不输出姿态,转入跟踪后积分时间细调,获得合适的积分时间后进行姿态计算。
在捕获模式下积分时间快速调整,二分法快速逼近,积分时间合适判据较大,跟踪模式下积分时间精细调整,按照步距为1的方式调整,积分时间合适判断较精细,将太阳亮斑的最高灰度分布处于饱和点80%附近。
经验证太阳敏感器的光强适应范围可以满足20W/m2到1000W/m2,可以满足火星表面应用需求。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种火星车APS太阳敏感器光强自适应方法,其特征在于该方法的步骤包括:
第一步:将1024档的积分时间利用控制字的方式调整为64控制档,对64控制档进行离散排布,所述64控制档包括64个控制字,积分时间为每个控制字×T,T为图像传感器一行像素的读出时间;
第二步:设定积分时间上限;
第三步:设定灰度统计高阈值gray_hig_thr和灰度统计低阈值gray_low_thr;
第四步:设定太阳捕获模式下灰度分析的像素个数高阈值cap_gray_hig_cnt_thr和像素个数低阈值cap_gray_low_cnt_thr;设定太阳跟踪模式下灰度分析的像素个数高阈值track_gray_hig_cnt_thr和像素个数低阈值track_gray_low_cnt_thr;
第五步:对采入的图像进行灰度分析,得到大于灰度统计高阈值gray_hig_thr的个数ImgCntHig_Num,大于灰度统计低阈值gray_low_thr的个数ImgCntLow_Num;
第六步:在捕获模式下,执行下述操作:
6.1判断当前积分时间是否大于积分时间上限,如果大于积分时间上限则按照积分时间上限设定积分时间,否则判断大于灰度统计高阈值gray_hig_thr的个数ImgCntHig_Num是否大于cap_gray_hig_cnt_thr,如果是,进入步骤6.2,否则进入步骤6.3;
6.2判断当前积分时间是否大于0,若否,则积分时间设为0,退出捕获模式;若积分时间大于0,则根据64控制档判断当前积分时间上限和积分时间下限之间是否还有积分时间,若有,则按照二分法降积分时间,若没有,则将搜索状态初始化;
6.3判断大于灰度统计低阈值gray_low_thr的个数ImgCntLow_Num是否低于cap_gray_low_cnt_thr,若不低于,则退出捕获模式;若低于,则进入步骤6.4;
6.4判断当前积分时间是否小于积分时间上限,若否,则按照积分时间上限设定积分时间;若是,根据64控制档判断当前积分时间上限和积分时间下限之间是否还有积分时间,若有,则按照二分法升积分时间,若没有,则将搜索状态初始化;
第七步:在跟踪模式下,执行下述操作:
7.1判断当前积分时间是否大于积分时间上限,如果大于积分时间上限则按照积分时间上限设定积分时间,否则判断大于灰度统计高阈值gray_hig_thr的个数ImgCntHig_Num是否大于track_gray_hig_cnt_thr,如果是则进入步骤7.2,如果不大于,则进入7.3;
7.2判断当前积分时间是否大于0,若否,则积分时间维持0,角度计算标志置位并开始角度计算;若是,则按照减一的步距降积分时间,清角度计算标志;
7.3判断ImgCntLow_Num是否低于track_gray_low_cnt_thr,若否,则认为当前积分时间合适,角度计算标志置位并开始进行角度计算;若是,则进入7.4;
7.4判断当前积分时间是否小于积分时间上限,若否,则按照积分时间上限设定积分时间,退出太阳跟踪,转入太阳捕获;若是,则按照加一的步距升积分时间,清角度计算标志。
2.根据权利要求1所述的一种火星车APS太阳敏感器光强自适应方法,其特征在于,火星车APS太阳敏感器所采用的图像传感器采用卷帘门的曝光方式,图像传感器阵列为1024*1024,积分时间的调整范围为1×T~1024×T。
3.根据权利要求1所述的一种火星车APS太阳敏感器光强自适应方法,其特征在于,所述第一步中,64控制档对应的控制字分布如下:[1,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,24,28,32,36,40,46,52,58,66,74,82,90,100,110,120,130,140,150,160,170,190,210,230,250,270,290,310,330,350,370,390,410,430,450,470,490,510,530,550,570,600,630,660,690,730,770,810,850,890,930,970,1010,1022]。
4.根据权利要求1所述的一种火星车APS太阳敏感器光强自适应方法,其特征在于,所述第二步中,积分时间上限为31×T,对应光强约为20W/m2
5.根据权利要求1所述的一种火星车APS太阳敏感器光强自适应方法,其特征在于,积分时间为0时适应的太阳光强为1000W/m2
6.根据权利要求1所述的一种火星车APS太阳敏感器光强自适应方法,其特征在于,所述第三步中,灰度统计高阈值为0.8倍的图像饱和值。
7.根据权利要求1所述的一种火星车APS太阳敏感器光强自适应方法,其特征在于,所述第三步中,灰度统计低阈值为0.6倍的图像饱和值。
8.根据权利要求6或7所述的一种火星车APS太阳敏感器光强自适应方法,其特征在于,图像饱和值为255。
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