CN115307726B - 基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法 - Google Patents

基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法，包括：获取空间目标图像并进行处理，得到空间目标的位置信息；基于空间目标的位置信息，采用实验室标定法对空间目标光度进行估算，得到第一目标星等；同时，采用恒星标校法对空间目标光度进行估算，得到第二目标星等；将第一目标星等和第二目标星等进行融合处理，得到最终的目标星等测量结果。本发明利用实验室标定法测量的光度信息作为先验标校测量信息，并结合恒星标校法，实现了在轨卫星小口径望远镜对空间目标光度的测量，同时显著提升光度测量成功率和测量精度，扩展了测量系统对空间暗弱目标的探测能力。

Description

基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法
技术领域
本发明属于天基信息态势感知技术领域，具体涉及一种基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法。
背景技术
随着人类在太空领域活动的不断增多，以及对空间资源的持续开发利用，空间目标尤其是人造空间目标（卫星）的数量逐渐增多，对这些目标的观测、监视与识别一直是研究的重点方向。
历史上，光度测量是为了给出天体的亮度，帮助在复杂的星图、星表中认证恒星。随着光度测量方法的日益完善和研究的逐步深入，光度测量成为研究各类天体物理性质的重要方法。空间目标的监视也需要光度测量，目标的光度特性不仅能反映目标反射面大小，还能通过光度判断在轨目标的运行状态，即正常运行及失控。
空间目标的光度特性一般用星等表示，光度测量的原理是：在相同环境条件下，对于同等辐射强度，即同星等的空间目标在光度测量设备上产生的辐射强度是一致的，在此基础上利用已知星等的目标和待测目标的辐射强度进行比较，就能得到待测目标的星等。
现阶段，通常采用恒星标校方法测量空间目标光度，其主要通过标定不同恒星光度与望远镜DN值、曝光时间等之间的量化关系，从而反演目标的光度特性。可以看出，该方法需要视场中有多颗恒星才能实现精确测量。
而当在轨卫星搭载小口径望远镜时，由于其探测能力不足，导致视场内恒星数量有限，这使得目标跟踪过程中无法完成目标光度精确测量，且测量精度有限，限制了测量系统对空间暗弱目标的探测能力。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法，包括：
获取空间目标图像并进行处理，得到空间目标的位置信息；
基于所述空间目标的位置信息，采用实验室标定法对空间目标光度进行估算，得到第一目标星等；同时，
采用恒星标校法对空间目标光度进行估算，得到第二目标星等；
将所述第一目标星等和所述第二目标星等进行融合处理，得到最终的目标星等测量结果。
在本发明的一个实施例中，所述获取空间目标图像并进行处理，得到空间目标的位置信息，包括：
对所述空间目标图像进行预处理，以去除噪声信息；
对预处理后的空间目标图像依次进行目标检测、质心提取以及天文定位，得到空间目标的位置信息。
在本发明的一个实施例中，采用实验室标定法对空间目标光度进行估算，得到第一目标星等的过程包括：
选用不同亮度星等的星表模拟目标，测试其对应的图像输出DN值；
根据DN值标定光度响应特性曲线；
利用最小二乘法对所述光度响应特性曲线进行拟合，并通过求解拟和多项式，得到第一目标星等。
在本发明的一个实施例中，利用最小二乘法对所述光度响应特性曲线进行拟合，并通过求解拟和多项式，得到第一目标星等，包括：
令
Figure 677487DEST_PATH_IMAGE001
表示第一目标星等，
Figure 532310DEST_PATH_IMAGE002
表示试验室测量的灰度值，
Figure 312047DEST_PATH_IMAGE003
为系数；
设置拟合多项式为
Figure 894207DEST_PATH_IMAGE004
，使得
Figure 708579DEST_PATH_IMAGE005
；其中，
Figure 468725DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 735758DEST_PATH_IMAGE007
表示自然数；
根据试验室测量的灰度值求解
Figure 121609DEST_PATH_IMAGE008
，得到第一目标星等。
在本发明的一个实施例中，采用恒星标校法对空间目标光度进行估算，得到第二目标星等的过程包括：
构建标定星表数据库；
从所述标定星表数据库获取空间目标图像中相对应的区域，并计算恒星的灰度值；
根据所述恒星的灰度值计算空间目标的第二目标星等。
在本发明的一个实施例中，构建标定星表数据库包括：
选取一种现有的星表作为基础，并结合其它可见光星表进行交叉优化选择，提取若干可见光恒星数据，作为主数据文件；
建立数据索引文件，以与所述主数据文件一起形成标定星表数据库；
其中，提取的若干可见光恒星数据包括：赤经、赤纬、赤经误差、赤纬误差、B星等亮度、V星等亮度、R星等亮度、I星等亮度、B星等亮度误差、V星等亮度误差、R星等亮度误差、I星等亮度误差、位置标记、类型标记、光谱型、依巴谷编号。
在本发明的一个实施例中，从所述标定星表数据库获取空间目标图像中相对应的区域，并计算恒星的灰度值，包括：
对从所述标定星表数据库获取空间目标图像中相对应的区域进行开窗操作，得到若干开窗区间；
采用快速迭代最大类间方差阈值算法对所述开窗区间进行分割，并对分割区域的灰度值进行统计；
利用统计得到的灰度值减去背景值，得到恒星的灰度值。
在本发明的一个实施例中，根据所述恒星的灰度值计算空间目标的第二目标星等包括：
根据所述恒星的灰度值计算零等星灰度值，计算公式如下：
Figure 728171DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 721535DEST_PATH_IMAGE010
表示零等星的灰度，
Figure 662815DEST_PATH_IMAGE011
表示恒星的灰度值，
Figure 399827DEST_PATH_IMAGE012
表示恒星星等；
根据所述零等星灰度值计算空间目标的第二目标星等，计算公式如下：
Figure 860895DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 290739DEST_PATH_IMAGE014
表示第二目标星等。
在本发明的一个实施例中，将所述第一目标星等和所述第二目标星等进行融合处理，得到目标星等测量结果，包括：
按照下式对所述第一目标星等和所述第二目标星等进行融合：
Figure 722245DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 997369DEST_PATH_IMAGE016
表示目标星等测量结果，
Figure 578523DEST_PATH_IMAGE017
表示第一目标星等，
Figure 913689DEST_PATH_IMAGE018
表示第二目标星等，
Figure 829562DEST_PATH_IMAGE019
为试验室测量结果分配权值，
Figure 908376DEST_PATH_IMAGE020
为恒星标校方法分配权值，且满足
Figure 344037DEST_PATH_IMAGE021
。
本发明的有益效果：
本发明利用实验室标定法测量的光度信息作为先验标校测量信息，并结合恒星标校法，实现了在轨卫星小口径望远镜对空间目标光度的测量，同时显著提升光度测量成功率和测量精度，扩展了测量系统对空间暗弱目标的探测能力。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法流程示意图；
图3是本发明实施例提供的星等亮度与望远镜输出DN之间的关系曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法流程示意图，其包括：
步骤1：获取空间目标图像并进行处理，得到空间目标的位置信息。
具体的，参见图2所示的具体流程图，首先，对所述空间目标图像进行预处理，以去除噪声信息。
在本实施例中，可以采用基于本底改正法与平场改正法，对空间目标图像进行频域分析以确定噪声特征，并去除噪声特征以增强星象，从而保障图像预处理效果。
然后，对预处理后的空间目标图像依次进行目标检测、质心提取以及天文定位，得到空间目标的位置信息。
具体的，首先对数据图像进行几何校正、干扰抑制、降噪增强处理，然后对图像序列进行关联分析，检测出图像中的目标和恒星，利用Hough变换法完成目标和恒星质心提取，生成相应的目标和恒星位置（目标和恒星的像平面位置），根据目标和恒星相对位置关系，结合恒星星表，生成天文定位数据，即目标在天球坐标系下的赤经赤纬结果，从而得到空间目标的位置信息。
步骤2：基于空间目标的位置信息，采用实验室标定法对空间目标光度进行估算，得到第一目标星等；同时，采用恒星标校法对空间目标光度进行估算，得到第二目标星等。
21) 采用实验室标定法估算第一目标星等。
21a) 选用不同亮度星等的星表模拟目标，测试其对应的图像输出DN值(DigitalNumber，表示是遥感影像像元亮度值)。
21b) 根据DN值标定光度响应特性曲线。
具体的，请参见图3，图3是本发明实施例提供的星等亮度与望远镜输出DN之间的关系曲线，也即光度响应特性曲线。
21c) 利用最小二乘法对所述光度响应特性曲线进行拟合，并通过求解拟和多项式，得到第一目标星等。
具体的，令
Figure 115683DEST_PATH_IMAGE022
表示第一目标星等，也即实验室测量星等亮度，
Figure 253273DEST_PATH_IMAGE023
表示试验室测量的灰度值，
Figure 135778DEST_PATH_IMAGE024
为系数；
设置拟合多项式为
Figure 425945DEST_PATH_IMAGE025
，使得
Figure 368493DEST_PATH_IMAGE026
；其中，
Figure 993378DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 413996DEST_PATH_IMAGE028
表示自然数；
根据试验室测量的灰度值求解
Figure 824248DEST_PATH_IMAGE029
，得到第一目标星等。
22) 采用恒星标校法估算第二目标星等。
22a) 构建标定星表数据库。
可以理解的是，采用恒星标校方法估算目标光度特性时，首先需要获取恒星的星表数据星库，其包括恒星名称、位置、光谱型、星等、色指数等信息。
一般而言，星表数据库主要包括主数据文件和数据索引文件。主数据文件用于存储各恒星的详细信息。索引文件存储访问主数据文件的快速键值。该标定星表数据库提供根据当地时间、地理位置、指定星等范围、指定视场内搜索恒星的功能。
具体的，本实施例通过选取一种现有的星表作为基础，并结合其它可见光星表进行交叉优化选择，提取若干可见光恒星数据，作为主数据文件；同时建立数据索引文件以与所述主数据文件形成标定星表数据库。
作为一种实现方式，经过调研，本实施例选取了Tycho-2星表作为基础，并结合其它可见光星表（Bright Star Catalogue、USNO A2.0、The Hipparcos and TychoCatalogues（ESA 1997）、Hipparcos Input Catalogue Version2、UCAC3/4、Tycho-2Spectral Type Catalog）等，经过交叉优化选择，提取符合需求的可见光恒星数据，建立符合要求的星表数据库。
提取的星表目标信息包括赤经、赤纬、赤经误差、赤纬误差、B星等亮度、V星等亮度、R星等亮度、I星等亮度、B星等亮度误差、V星等亮度误差、R星等亮度误差、I星等亮度误差、位置标记、类型标记、光谱型、依巴谷编号。
22b) 从所述标定星表数据库获取空间目标图像中相对应的区域，并计算恒星的灰度值。
对从所述标定星表数据库获取空间目标图像中相对应的区域进行开窗操作，得到若干开窗区间。
采用快速迭代最大类间方差阈值算法对开窗区间进行分割，并对分割区域的灰度值进行统计。
利用统计得到的灰度值减去背景值，即可得到恒星的灰度值。
22c) 根据所述恒星的灰度值计算空间目标的第二目标星等。
首先，根据所述恒星的灰度值计算零等星灰度值，计算公式如下：
Figure 937698DEST_PATH_IMAGE030
其中，
Figure 52809DEST_PATH_IMAGE031
表示零等星的灰度，
Figure 214800DEST_PATH_IMAGE032
表示恒星的灰度值，
Figure 276297DEST_PATH_IMAGE033
表示恒星星等，其中，
Figure 747598DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 160125DEST_PATH_IMAGE033
均可由星表数据库查询获得。
需要说明的是，在本实施例中，可通过测量多颗不同方位、不同仰角已知星等值恒星的灰度，计算出对应的零等星灰度，最后将这些零等星灰度求均值作为
Figure 125807DEST_PATH_IMAGE031
的值。
然后，根据所述零等星灰度值计算空间目标的第二目标星等，计算公式如下：
Figure 307390DEST_PATH_IMAGE035
其中，
Figure 684013DEST_PATH_IMAGE036
表示第二目标星等。
步骤3：将所述第一目标星等和所述第二目标星等进行融合处理，得到最终的目标星等测量结果。
具体的，卫星搭载的小口径成像望远镜受探测能力和视场限制，往往可观测恒星数量较少，为提高目标光度测量成功率和精度，采用实验室方法和恒星标校方法结果融合处理，将两个测量结果融合，其表达式为：
Figure 583836DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 87630DEST_PATH_IMAGE038
表示目标星等测量结果，
Figure 389298DEST_PATH_IMAGE039
表示第一目标星等，
Figure 936823DEST_PATH_IMAGE040
表示第二目标星等，
Figure 323942DEST_PATH_IMAGE041
为试验室测量结果分配权值，
Figure 631427DEST_PATH_IMAGE042
为恒星标校方法分配权值，且满足
Figure 522022DEST_PATH_IMAGE021
。
需要说明的是，分配权值
Figure 508957DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure 117793DEST_PATH_IMAGE044
是可根据实际情况自行设置。例如，当视场中只有目标，没有恒星时，或者当恒星标校方法无法输出测量结果时，只输出实验室标校测量结果，即
Figure 228969DEST_PATH_IMAGE045
。
本发明利用实验室标定法测量的光度信息作为先验标校测量信息，并结合恒星标校法，实现了在轨卫星小口径望远镜对空间目标光度的测量，同时显著提升光度测量成功率和测量精度，扩展了测量系统对空间暗弱目标的探测能力。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法，其特征在于，包括：
获取空间目标图像并进行处理，得到空间目标的位置信息；
基于所述空间目标的位置信息，采用实验室标定法对空间目标光度进行估算，得到第一目标星等；同时，
采用恒星标校法对空间目标光度进行估算，得到第二目标星等；
将所述第一目标星等和所述第二目标星等通过权值分配进行融合处理，得到最终的目标星等测量结果，其公式表示为：
M＝k1q+k2G
其中，M表示目标星等测量结果，q表示第一目标星等，G表示第二目标星等，k1为试验室测量结果分配权值，k2为恒星标校方法分配权值，且满足k1+k2＝1。
2.根据权利要求1所述的基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法，其特征在于，所述获取空间目标图像并进行处理，得到空间目标的位置信息，包括：
对所述空间目标图像进行预处理，以去除噪声信息；
对预处理后的空间目标图像依次进行目标检测、质心提取以及天文定位，得到空间目标的位置信息。
3.根据权利要求1所述的基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法，其特征在于，采用实验室标定法对空间目标光度进行估算，得到第一目标星等的过程包括：
选用不同亮度星等的星表模拟目标，测试其对应的图像输出DN值；
根据所述DN值标定光度响应特性曲线；
利用最小二乘法对所述光度响应特性曲线进行拟合，并通过求解拟和多项式，得到第一目标星等。
4.根据权利要求3所述的基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法，其特征在于，利用最小二乘法对所述光度响应特性曲线进行拟合，并通过求解拟和多项式，得到第一目标星等包括：
令y表示第一目标星等，x表示试验室测量的灰度值，ak为系数；
设置拟合多项式为
Figure FDA0003964636070000021
使得
Figure FDA0003964636070000022
其中，n、m表示自然数；
根据试验室测量的灰度值求解qn(x)，得到第一目标星等。
5.根据权利要求1所述的基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法，其特征在于，采用恒星标校法对空间目标光度进行估算，得到第二目标星等的过程包括：
构建标定星表数据库；
从所述标定星表数据库获取空间目标图像中相对应的区域，并计算恒星的灰度值；
根据所述恒星的灰度值计算空间目标的第二目标星等。
6.根据权利要求5所述的基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法，其特征在于，所述构建标定星表数据库包括：
选取一种现有的星表作为基础，并结合其它可见光星表进行交叉优化选择，提取若干可见光恒星数据，作为主数据文件；
建立数据索引文件，以与所述主数据文件一起形成标定星表数据库；
其中，提取的若干可见光恒星数据包括：赤经、赤纬、赤经误差、赤纬误差、B星等亮度、V星等亮度、R星等亮度、I星等亮度、B星等亮度误差、V星等亮度误差、R星等亮度误差、I星等亮度误差、位置标记、类型标记、光谱型、依巴谷编号。
7.根据权利要求5所述的基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法，其特征在于，从所述标定星表数据库获取空间目标图像中相对应的区域，并计算恒星的灰度值，包括：
对从所述标定星表数据库获取空间目标图像中相对应的区域进行开窗操作，得到若干开窗区间；
采用快速迭代最大类间方差阈值算法对所述开窗区间进行分割，并对分割区域的灰度值进行统计；
利用统计得到的灰度值减去背景值，得到恒星的灰度值。
8.根据权利要求5所述的基于先验标校测量信息的空间目标光度测量方法，其特征在于，根据所述恒星的灰度值计算空间目标的第二目标星等包括：
根据所述恒星的灰度值计算零等星灰度值，计算公式如下：
Figure FDA0003964636070000031
其中，G0表示零等星的灰度，Ga表示恒星的灰度值，ma表示恒星星等；
根据所述零等星灰度值计算空间目标的第二目标星等，计算公式如下：
mtarget＝2.5×lg(G0/Ga)
其中，mtarget表示第二目标星等。
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