CN113781885A - 一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置，涉及空间目标光学成像技术领域，解决光学载荷受视场角制约成像幅宽有限，常规空间态势感知采用多个载荷分布组合同时拍照，有效载荷冗余度高的问题。包括成像模拟单元和驱动控制单元；成像模拟单元模拟真实卫星在4π空间成像情况，利用相机外框架和刚性转子模拟敏捷机动卫星平台，不仅可以模拟相机沿轨道运动，还可以模拟相机进行垂轨方向旋转扫描成像和沿轨方向的旋转机动成像；驱动控制单元控制成像模拟单元的成像速度，驱动相机进行多自由度扫描成像，使成像区域大幅延展。本发明模拟真实情况下天基光学载荷广域搜索成像，同时可以保证图像无缝拼接，从而实现4π空间感知成像。

Description

一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置

技术领域

本发明涉及空间目标光学成像技术领域，具体涉及一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置。

背景技术

随着地球外空间碎片的增长以及空间对抗技术的发展，日益拥挤的外太空空间，危险性和对抗性陡增。因此，为了保障在轨航天器安全，确保人类航天活动的正常进行，迫切需要对运行周围空间的安全态势进行实时感知。

光电经纬仪由于其测量精度高、测量稳定性好和测量自由度多等优势广泛应用于地基光电探测系统中。但光电经纬仪的二维转台有转动范围限制，因此为了满足对空间目标的广域搜索探测，需要多台经纬仪进行组网布站测量。不过受地理位置影响，严重限制了地基探测系统对空间目标的探测能力。相比于地基光电探测系统，天基探测系统由于其不受地理条件的制约以及大气环境的影响，可以对空间目标实现高精度、全天时、高时效探测。虽然也可以在天基观测卫星上搭载经纬仪进行态势感知，不过经纬仪的活动部件较多，控制难度较大，容易引入更多误差源。相比之下，光学载荷探测能耗低，作用距离更远，因此天基系统通常利用光学载荷获取空间目标信息。

现阶段天基光学探测是实现空间态势感知的重要技术手段。但由于光学载荷受视场角制约成像幅宽有限，为大范围感知4π空间未知目标，常规手段通常采用多个光学载荷等相位分布组合进行同时拍照的方式，实现周边空域影像拼接成像。但此种方式载荷需求数量多，重量与功耗居高不下。因此通过利用敏捷卫星的机动性进行空间目标的探测，充分体现天基探测的优点，具有广泛的应用价值。且现有研究多集中于理论分析仿真验证阶段，没有实物和系统验证其可行性，同时需要一种高效的探测4π空间目标的模拟装置，为空间目标泛在感知的分析提供有力指导。

发明内容

本发明为解决光学载荷受视场角制约成像幅宽有限，常规空间态势感知采用多个载荷分布组合同时拍照，有效载荷冗余度高的问题，提供一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置。

一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置，该模拟装置包括模拟成像单元和驱动控制单元；

所述模拟成像单元包括用于模拟TDI CMOS相机运动轨道的无阻导轨，安装在所述无阻导轨上使TDI CMOS相机实现多自由度扫描成像的相机外框架，安装在所述相机外框架的自转轴和刚性转子；所述TDI CMOS相机安装在刚性转子上；

所述驱动控制单元包括刚性转子的驱动装置，所述相机外框架的驱动装置以及导轨驱动装置；

通过所述相机外框架的驱动装置驱动TDI CMOS相机外框架绕无阻导轨在俯仰方向上运动，同时，所述刚性转子的驱动装置驱动刚性转子带动TDICMOS相机绕自转轴沿无阻导轨在水平方向上运动，实现对4π空间多自由度扫描成像；所述TDI CMOS相机的光轴指向根据导轨驱动装置的控制速度变化，模拟卫星位于空间中对目标的全景扫描拼接成像。

本发明的有益效果：

本发明所述的三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置，该装置可以大幅提升光学相机的成像效能，利用相机外框架和刚性转子模拟敏捷机动的卫星平台，使成像模拟更接近真实卫星运动情况；其驱动装置不仅可以使相机模拟沿轨道运动，还可以使相机模拟垂轨扫描成像以及相机沿轨道方向的旋转机动成像，模拟真实情况下天基光学载荷广域搜索成像；同时根据图像拼接对帧间重叠率需求，通过计算相机的运动速度，可以保证图像无缝拼接，从而实现4π空间感知成像。该模拟装置对于众多空间目标实现高效探测具有十分重要的指导意义。

附图说明

图1为本发明所述的一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置示意图。

图2为本发明所述的一种三自由度动态两维环扫空间成像的原理示意图。

图3本发明一种三自由度动态两维环扫空间成像的帧间图像重叠关系示意图。

图中：1、固定装置，2、无阻导轨，3、自转轴，4、相机旋转外框架，5、刚性转子，6、TDICMOS相机，7、导轨驱动装置，8、相机外框架的驱动装置。

具体实施方式

结合图1至图3说明本实施方式，一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置，该模拟装置包括模拟成像单元和驱动控制单元；所述模拟成像单元用来模拟实际卫星平台机动以及有效光学载荷的成像过程；所述驱动控制单元用来控制所述模拟成像单元的运动速度，使相机按照预定的速度完成对4π空间的扫描成像。

如图1所示，所述模拟成像单元包括固定装置1、无阻导轨2、自转轴3、相机外框架4、刚性转子5和TDI CMOS相机6；

所述驱动控制单元包括导轨驱动装置7，相机外框架的驱动装置8以刚性转子的驱动装置；TDI CMOS相机6安装在刚性转子上，通过相机外框架的驱动装置驱动可以使相机随相机外框架绕无阻导轨在俯仰方向上运动，同时可以通过刚性转子的驱动装置驱动随刚性转子绕自转轴沿轨在水平方向上运动，实现对4π空间多自由度扫描成像。所述无阻导轨2通过固定装置1安装固定。将相机外框架4安装在无阻导轨2上，通过将TDI CMOS相机6固定安装在刚性转子5上，分别控制相机在无阻导轨2上随相机外框架4和刚性转子5做垂轨俯仰扫描、沿轨旋转以及沿轨扫描运动。TDI CMOS相机6的光轴指向根据导轨驱动装置7的控制速度变化，模拟卫星位于空间中对目标的全景扫描拼接成像情况。

如图2所示，本实施方式所述的模拟装置的工作原理为：有效光学载荷固定安装在卫星平台上，光学载荷和卫星平台之间没有相对运动，因此载荷和卫星的运动速度是一致的。充分利用卫星平台的机动能力，除了沿轨方向的飞行运动外，使其在轨道切平面中做俯仰扫描运动，同时卫星在沿轨飞行方向上旋转机动，通过这种多自由度动态成像方式，相机的成像区域大幅延展，可以实现对空间目标的环4π扫描成像。探测器成像后，将所拍摄的图像发送至处理器进行图像拼接处理，在满足图像拼接所需的帧间重叠率的条件下，可以构建空间目标的全景影像。

采用本实施方式所述的进行一种三自由度动态两维环扫空间成像装置在成像过程中，根据成像需求，选择合适的卫星平台机动速度，可以完成对4π空间的完全覆盖成像；对探测器的曝光时间进行合理的设置，可以保证背景恒星和空间目标的成像质量满足图像拼接需求。通过这种成像方式，解决了常规天基态势感知有效载荷冗余度高的问题。在有限的视场范围内，将成像区域范围由传统的条带延展至环4π空间，有效克服了传统推扫成像模式因相机像面尺寸受限而无法对多目标实现态势感知的困难。

本实施方式所述的模拟装置在在使用前，需根据模拟的缩放比例以及图像无缝拼接的帧间重叠率需求，计算导轨2、相机旋转外框架4以及刚性转子5的运动速度参数。检查好所有装置的控制情况，调试好模拟成像使用的工业相机。

首先使用固定装置1将一定长度的导轨2安装在试验用环境中，然后依次将自转轴3、刚性转子5安装到相机旋转外框架4上，再将相机旋转外框架4安装至导轨2上，使其能够模拟卫星平台机动。最后将TDI CMOS相机6安装至刚性转子5上，检查模拟装置各部分稳定性，输入成像控制参数，启动控制装置，控制TDI CMOS相机6运动，进行4π空间目标天基光学相机多自由度扫描成像模拟。

如图3所示，本实施方式所述的模拟装置在成像过程中的帧间图像重叠关系。以垂轨方向上的运动过程为例分析，相机在成像过程中实际为多自由度复合运动，通过这种设计，相机物方焦面实际运动轨迹呈现为螺旋渐近线。其中，P₁、P₂分别代表空间相机在成像时刻T₁、T₂所拍图像。提取相机旋转一周所得的全部图像，在保持成像帧间重叠率不变的条件下，可通过拼接每帧影像阵列得到在垂轨方向上的环扫全景图像，相机在沿轨方向上的运动也是如此。

探测器的像元尺寸为a，在垂直和水平方向上像元数分别为M、N。为了在各个方向上实现无缝拼接，需要综合考虑卫星的沿轨飞行速度、在垂轨方向上的俯仰旋转速度以及在沿轨方向上的机动速度等多维速度，图像帧间重叠率η、成像帧间间隔时间Δt和探测器的曝光时间t_exp等因素。

在本实施例中，以等效缩放比例为1：500000的模型为例，当卫星轨道高度为690km时，卫星运行速度为

根据缩放比例可以得到导轨2的移动速度为

当相机在垂轨方向上旋转扫描时，帧间图像重叠率为η，探测器在垂直方向的像元数为M，相机焦距为f，帧间成像间隔时间为Δt，则在垂轨方向上的最大旋转角速度为

因此需设置卫星在垂轨方向的旋转角速度w₂≤w_2max，为保证后续的图像拼接需求，η值一般取0.25～0.35之间。

当相机在垂轨方向上旋转一周后，相机需要调整姿态，在沿轨方向上进动，为保证4π空间图像的拼接需求，此时的图像重叠率为η，探测器在水平方向上的像元数为N，则在沿轨方向上的最大旋转角速度为

因此需设置卫星在沿轨方向的机动角速度w₃≤w_3max。

为了保障相机的成像质量，当在相机曝光时间t_exp内，可接受的像面上像点的最远移动距离为L个像元时，曝光时间t_exp需满足以下条件：

其中w₂，w₃分别为沿轨方向和垂轨方向的像移角速度(即相机在沿轨方向和垂轨方向的旋转角速度)。

Claims (5)

1.一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置，该模拟装置包括模拟成像单元和驱动控制单元；其特征是：

所述模拟成像单元包括用于模拟TDI CMOS相机(6)运动轨道的无阻导轨(2)，安装在所述无阻导轨(2)上使TDI CMOS相机(6)实现多自由度扫描成像的相机外框架(4)，安装在所述相机外框架(4)的自转轴(3)和刚性转子(5)；

所述TDI CMOS相机(6)安装在刚性转子(5)上；

所述驱动控制单元包括刚性转子的驱动装置，所述相机外框架的驱动装置(8)以及导轨驱动装置(7)；

通过所述相机外框架的驱动装置(8)驱动TDI CMOS相机外框架(4)绕无阻导轨(2)在俯仰方向上运动，同时，所述刚性转子(5)的驱动装置驱动刚性转子(5)带动TDI CMOS相机(6)绕自转轴(3)沿无阻导轨(2)在水平方向上运动，实现对4π空间多自由度扫描成像；所述TDICMOS相机(6)的光轴指向根据导轨驱动装置(7)的控制速度变化，模拟卫星位于空间中对目标的全景扫描拼接成像。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置，其特征在于：所述成像模拟单元还包括相机固定架，所述TDI CMOS相机(6)通过相机固定架安装在自转轴(3)上。

3.根据权利要求1所述的一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置，其特征在于：

当相机在垂轨方向上旋转扫描时，帧间图像重叠率为η，探测器在垂直方向的像元数为M，探测器的像元尺寸为a，相机焦距为f，帧间成像间隔时间为Δt，则在垂轨方向上的最大旋转角速度为

则设置卫星在垂轨方向的旋转角速度w₂≤w_2max。

4.根据权利要求1所述的一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置，其特征在于：

当相机在垂轨方向上旋转一周后，需要调整姿态，在沿轨方向上进动，设定探测器在水平方向上的像元数为N，探测器的像元尺寸为a，则在沿轨方向上的最大旋转角速度为

则设置卫星在沿轨方向的机动角速度w₃≤w_3max。

5.根据权利要求1所述的一种三自由度动态两维环扫空间成像的模拟装置，其特征在于：

当在相机曝光时间t_exp内，接收的像面上像点的最远移动距离为L个像元时，曝光时间t_exp需满足以下条件：

式中，w₂，w₃分别为沿轨方向和垂轨方向的像移角速度。

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