CN117152069A - 一种空间目标高精度指向与成像评估试验装置及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种空间目标高精度指向与成像评估试验装置及其试验方法。获取包含垂直斜边的ROI；得到线性化图像数据；得到图像边缘直线点；利用改进的canny算法计算每行边缘直线点；计算出的边缘直线点线性回归拟合直线；重新定位ROI，获取ESF；得到4倍超采样后的ESF；采用小波去噪法去除噪声得新的超采样后的ESF数据；对其进行差分运算得到LSF数据；应用汉明窗进行离散傅里叶变换得到曲线；进行归一化处理获得对应频率处的MTF值。本发明用以解决现有技术中实际相机所在的卫星执行在轨任务时存在三轴转动，即被摄目标可能脱离相机视场，现有的试验平台不存在对相机的运动模拟而只存在对被摄目标的一维运动模拟，即相机与被摄目标的相对运动单一，只存在单轴方向的问题。

Description

一种空间目标高精度指向与成像评估试验装置及其试验方法
技术领域
本发明属于遥感卫星领域，具体涉及一种空间目标高精度指向与成像评估试验装置及其试验方法。
背景技术
现有技术中针对图像成像质量评估的试验平台采用桌面系统平台，使得待检测相机与目标景物之间不存在相对运动，目标景物采用倾斜刃边模拟偏流角对成像质量的影响。不存在相机与被摄目标的相对平动或转动，即在成像质量评估试验时，对于相机在轨时的速高比v/h、偏流角θ这两个对成像质量的主要影响因素未进行考虑。
现有技术提出一种装置用于进行图像成像质量评估，该装置可以对相机在轨时的速高比v/h、偏流角θ这两个对成像质量的主要影响因素进行模拟。试验系统主要组成如下图13所示，提出了基于四维运动平台的动态目标发生装置，如下图14所示，其中位移台1是一个水平位移台，靶标固定在这个平台上，可以在垂直于光轴方向的水平面内匀速运动，实现被摄目标与相机之间的相对运动；位移台2用于实现偏流角的产生，均匀光源被固定在位移台2上，可以围绕着光学准直系统的光轴所在直线旋转，可以实现实际成像过程中偏流角的模拟，转台角度的变化范围为±14°；位移台3可以沿着光轴方向运动，从而将靶标移动到光学准直系统的焦面位置；位移台4是一个升降台，可以实现靶标上下位置的调整，并且需要在相机装调时对靶标的条纹与TDICCD进行像素级对准；但是不存在对相机的运动模拟而只存在对被摄目标的一维运动模拟，即相机与被摄目标的相对运动单一，只存在单轴方向。
现有技术中提出了采用刃边法进行成像质量评估的标准方法。采用质心法检测刃边边缘点，之后采用最小二乘法进行直线拟合，采用超采样的方法获取图像的边缘扩展函数ESF，进行差分运算等一系列运算后得到图像的MTF曲线；但是质心法的检测边缘的精度较低，且未考虑噪声的影响，ESF曲线的精度对于之后的LSF曲线计算以及MTF计算的准确性起决定作用，但在该标准中的ESF曲线未进行去噪声处理。
论文“小波变换在信号去噪方面的仿真研究(科技创新与应用，陆苗霞，2022，12(05)：48-50)”中分析了目前软硬阈值的优缺点，并为了更好的实现信号去噪，给出了一种改进的阈值函数公式，该改进函数没有直接将系数小于阈的值置为零，而是保留了部分信号，增强了信号的可读性，相较于其他函数，在信噪比和均方根误差上都有一定的改善。但是其提出的阈值函数在阈值处不连续，会产生伪吉布斯现象，从而带来不必要的高频噪声干扰，同时该阈值函数的滤波效果较差。
发明内容
本发明提供一种空间目标高精度指向与成像评估试验装置，用以解决现有技术中实际相机所在的卫星执行在轨任务时存在三轴转动，即被摄目标可能脱离相机视场，现有的试验平台不存在对相机的运动模拟而只存在对被摄目标的一维运动模拟，即相机与被摄目标的相对运动单一，只存在单轴方向的问题，且靶标形状更换不太方便且存在对准及安装误差的问题。
本发明提供一种空间目标高精度指向与成像评估试验方法，用以实现MTF计算精度的提高。
本发明通过以下技术方案实现：
一种空间目标高精度指向与成像评估试验装置，所述试验装置包括被测目标及五维移动平台15、遥感卫星地面模拟装置和地面监控平台；
所述被测目标及五维移动平台15，通过被测目标15-1内的光学准直系统15-2将点光源转化为平行光，同时整个装置固连，减少安装误差，被测目标安装于五维移动平台上，模拟无穷远处目标的运行方式；
所述遥感卫星地面模拟装置，用于模拟遥感卫星的运行方式及运行轨道；
所述地面监控平台，用于提供人机交互界面并远程通过无线网络通讯向平台及装置发送运行任务及接收平台及装置的反馈信号。
进一步的，所述被测目标及五维移动平台15包括二维移动平台15-3和三维移动平台15-4，所述被测目标及五维移动平台15的中心放置被侧目标15-1；
所述被测目标15-1的靶标15-5可依据所需测量的物体形状进行更换；
所述被测目标15-1的靶标15-5处可采用插片形式的安装方式；
所述被测目标15-1的靶标15-5处也可采用可旋转靶标的方式；
所述三维转台15-4将被测目标15-1固连在其上；三维转动模拟的俯仰和偏航方向转动用于将光学准直系统15-2的光轴方向对准相机镜头，余下滚转方向转动用于模拟偏流角θ这一成像质量主要影响因素；
所述二维转台15-3用于模拟目标在相机拍摄平面上的水平和竖直方向移动从而模拟速高比v/h这一成像质量主要影响因素。
进一步的，所述遥感卫星地面模拟装置包括仪表平台1、气浮球2、气浮球轴承座3、供气系统4、支撑柱5、底座6、铝板7、执行机构8、测量系统9、供电系统10、调平衡装置11、控制计算机12、无线路由器Ⅰ13和待测相机14；
所述仪表平台1的下端设置气浮球2，所述气浮球2下端设置气浮球轴承座3，所述气浮球轴承座3的底端设置支撑柱5，所述的底端设置底座6，所述仪表平台1的底端下方两侧分别设置铝板7；
所述仪表平台1上设置执行机构8、测量系统9、供电系统10、调平衡装置11、控制计算机12、无线路由器Ⅰ13和待测相机14。
进一步的，所述地面监控平台包括地面监控计算机16及无线路由器Ⅱ17；
所述无线路由器Ⅱ17，用于实现无线网络通信；
所述地面监控计算机16，用于提供人机交互界面并远程通过无线网络通讯为遥感卫星地面模拟装置及五维移动平台发送运行任务；通过无线网络通信接收遥感卫星地面模拟装置运行状态信息并实时显示到界面上。
一种空间目标高精度指向与成像评估试验方法，所述试验方法使用上述空间目标高精度指向与成像评估试验装置，所述试验方法包括以下步骤：
步骤1：获取包含垂直斜边的ROI；
步骤2：将步骤1获取的ROI线性化处理，得到线性化图像数据；
步骤3：基于步骤2的线性化图像数据，利用质心法计算图像边缘直线点
步骤4：基于步骤3的质心法计算结果，结合步骤2的线性化图像数据，再次利用改进的canny算法计算每行边缘直线点；
步骤5：根据步骤4计算出的边缘直线点线性回归拟合直线；
步骤6：基于步骤5的线性回归拟合直线，重新定位ROI，获取ESF；
步骤7：基于步骤6获取的ESF，进行4倍超采样得到超采样后的ESF；
步骤8：基于步骤7的超采样后的ESF，其曲线采用小波去噪法去除噪声得新的超采样后的ESF数据；
步骤9：基于步骤8的ESF数据，对其进行差分运算得到LSF数据；
步骤10：基于步骤9得到的LSF数据应用汉明窗进行离散傅里叶变换得到曲线；
步骤11：对步骤10求得的曲线进行归一化处理得到归一化的MTF曲线，即可获得对应频率处的MTF值。
进一步的，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1：对线性化图像数据进行自适应高斯滤波处理；
步骤4.2：将自适应高斯滤波处理后的图像数据进行灰度梯度运算；
步骤4.3：将灰度梯度运算后的数据进行非极大值抑制处理，以保留图像中真实的边缘信息；
步骤4.4：根据步骤4.3的边缘信息，及设定的高阈值和低阈值来确定边缘点和非边缘点；
步骤4.5：将步骤4.4得到的边缘点相连接得到边缘直线点。
上述提出的改进的canny算法，依据质心法计算结果对刃边边缘点进行二次标定，并在标定过程中利用自适应高斯滤波进行噪声抑制，这使得本身标定精度就高于质心法的canny法具有更高的边缘检测精度，从而使得接下来的MTF计算更加准确。
进一步的，所述步骤4.1具体为，对图像进行自适应高斯滤波处理；二维高斯滤波窗的核函数如下式所示：
其中，σ越大，平滑程度就越强；若所选择构造一个k×k的高斯滤波窗口，该参数选取依据以下公式：
其中上式中的d表示窗口中心到刃边的距离，其中此时的刃边位置由质心法检测结果得到；通过上式滤波窗的设置，刃边附近的像元灰度改变很小，而远离刃边的像元则平滑程度较大。
进一步的，所述步骤4.4具体为，将梯度幅值图像中大于高阈值的像素点标记为强边缘点，小于低阈值的像素点标记为非边缘点，并将介于高低阈值之间的像素点标记为弱边缘点；根据强边缘点和弱边缘点之间的连通性来确定最终的边缘结果；对于每个弱边缘点，如果其与某个强边缘点相邻，则将其标记为强边缘点，否则抑制。
进一步的，所述步骤8具体包括以下步骤：
步骤8.1：即选定一种小波对信号进行n层小波分解，获得小波系数；
步骤8.2：设定阈值，选择合适的阈值函数，利用阈值函数对步骤8.1获得的小波系数进行阈值处理，获得估计小波系数；
步骤8.3：根据步骤8.2的小波系数进行小波重构，获得降噪后的信号。
进一步的，所述步骤8.2具体为，选择合适的阈值函数，为一阶连续可导函数，在小于阈值区域接近于0，在阈值附近连续平滑同时在大于阈值区域可以快速趋近于y＝x。
上式中的dj为准备进行处理的第j层小波系数，为经过改进阈值函数处理后的第j层小波系数，a为可以调节函数在阈值处的斜率的调节参数且a为正数，λ为小波阈值；
阈值函数的特点在于引入了第二项，从而使得阈值函数在阈值附近连续平滑过渡的同时又不会在小于阈值λ的区域速率变化过快，起到了缓冲作用，有效的避免了对小波系数的过度去除；
改进的阈值函数＝第一项-第二项，
其中第一项为第二项为/>
本发明的有益效果是：
本发明可以真实模拟卫星在轨运动的动力学特性，和现有系统相比能更准确的反应卫星在轨运行的情况。
本发明的小波阈值去噪中的阈值函数，不仅适用于ESF信号的滤波，也对其他的信号滤波、图像滤波等具有广泛的适用性。
本发明同样适用于将相机安装于单轴气浮台上，在一维移动平台上安装靶标的仿真模拟实验，此时即采用上述点光源目标。
本发明的被测目标也可以采用点光源实现，即不采用光学准直系统而直接将靶标放置于三维转动平台上，同时在此基础上可在平动上增加一个自由度，可以距离三轴气浮台远近移动。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的被测目标示意图。
图3是本发明的靶盘及插片图。
图4是本发明的被测目标示意图。
图5是本发明的靶盘示意图。
图6是本发明的被测目标示意图。
图7是本发明的五维移动平台平动示意图。
图8是本发明的方法流程图。
图9是本发明的k＝3时σ关于d的曲线图。
图10是本发明的a选取为30时的阈值函数曲线图。
图11是本发明的阈值函数曲线图。
图12是本发明的小波阈值去噪前后的ESF曲线图。
图13是现有技术中试验系统。
图14是现有技术中基于四维运动平台的动态目标发生装置。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其它情况下，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
下面结合本申请说明书附图1-12，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明针对实际在轨空间环境下相机的运动模拟，提出了将相机置于三轴气浮台上，从而实现了对相机及其所在卫星的整星级三轴转动的模拟。
本发明针对实际在轨空间环境下的被测目标的模拟，提供了针对靶标的插片式的安装结构，包含标定的棋盘格以及不同的靶标形状以便适用于不同的图像成像质量评估方法的实验；将被测目标置于五维移动平台上，通过光学准直系统以及五维移动平台的俯仰和偏航方向转动实现对相机无穷远处可拍摄目标的模拟，成功解决了相机与目标之间的相对姿态运动问题，可以实现光学准直系统光轴方向时刻与相机镜头垂直；通过滚转方向转动实现对偏流角的模拟；通过二维平动平台实现对被测目标二维平动的模拟，从而可以在成像质量评估中评估速高比对成像质量的影响。
针对图像的MTF计算方法，在ISO12233中刃边法的基础上引入了改进的canny算法提高边缘检测精度，为了过滤ESF曲线中的噪声采用了小波阈值去噪法并设计了去噪效果更好的阈值函数，使得MTF计算精度更高。
本申请中的装置将相机至于三轴气浮台上，将被测目标至于五维移动平台上并采用光学准直系统模拟无穷远处目标，而非像第三条中现有技术的单纯的目标移动或固定平台，本装置可以实现对外太空遥感卫星实际在轨拍摄目标的全物理仿真模拟，全物理仿真模拟卫星与目标相对运动，结果更加真实可靠。本申请中提出的图像MTF计算方法较第三条中的常规方法加入了噪声处理，首先采用刃边图像为靶标，在检测刃边边缘时基于质心法的检测结果进行了自适应高斯滤波处理，采用改进的canny法进行边缘检测，具有更高的边缘检测精度，其次在ESF曲线获取后考虑到噪声的影响，对ESF曲线进行了小波阈值去噪并为其设计了改进的阈值函数使得去噪效果更好，基于以上两步的改进后，图像的MTF计算精度将大大提高。
一种空间目标高精度指向与成像评估试验装置，遥感相机的成像质量不仅受限于自身的元器件与装配精度，其成像质量还受限于偏流角、速高比、卫星姿态变化、周围环境等诸多因素影响。本发明将相机安装于三轴气浮台上进行动态拍摄，模拟实际在轨空间中的卫星状态，同时将被摄目标安装于五维移动平台上，在研制阶段通过本发明中装置创造出相机实际工作时的模式或者环境，提供地面全物理仿真试验基础，所述试验装置包括被测目标及五维移动平台15、遥感卫星地面模拟装置和地面监控平台；
所述被测目标及五维移动平台15，通过被测目标15-1内的光学准直系统15-2将点光源转化为平行光，同时整个装置固连，减少安装误差，被测目标安装于五维移动平台上，模拟无穷远处目标的运行方式；
所述遥感卫星地面模拟装置，用于模拟遥感卫星的运行方式及运行轨道；
所述地面监控平台，用于提供人机交互界面并远程通过无线网络通讯向平台及装置发送运行任务及接收平台及装置的反馈信号。
进一步的，所述五维移动平台上的被测目标采用如图2所示的系统，本装置通过光学准直系统将点光源转化为平行光，可以实现模拟无穷远处的物体，同时整个装置固连，减少安装误差；
所述五维移动平台包括二维移动平台和三维移动平台，所述五维移动平台的中心放置被侧目标；
所述所述被测目标15-1的靶标15-5可依据所需测量的物体形状进行更换，如直线刃边、弧形边、点等形状；
其中所述被测目标15-1的靶标15-5处可采用如图3、图4所示插片形式的安装方式，可以依据试验者期望测验的不同图像成像质量评估方法选取不同靶标插片插入靶盘中，若没有试验者所需靶标也可以自行制作使用；
也可采用图5、图6所示的可旋转所述被测目标15-1的靶标15-5的方式，试验者可依据所需的测验的图像成像质量评估方法的对应靶标制作靶盘，靶标成六边形印制在靶盘上，靶盘可通过旋转切换不同靶标形状。
所述三维转台15-4将被测目标15-1固连在其上；三维转动模拟的俯仰和偏航方向转动用于将光学准直系统15-2的光轴方向对准相机镜头，余下滚转方向转动用于模拟偏流角θ这一成像质量主要影响因素；
如图7所示，所述二维转台15-3用于模拟目标在相机拍摄平面上的水平和竖直方向移动从而模拟速高比v/h这一成像质量主要影响因素。
进一步的，所述遥感卫星地面模拟装置包括仪表平台1、气浮球2、气浮球轴承座3、供气系统4、支撑柱5、底座6、铝板7、执行机构8、测量系统9、供电系统10、调平衡装置11、控制计算机12、无线路由器Ⅰ13和待测相机14；
所述仪表平台1的下端设置气浮球2，所述气浮球2下端设置气浮球轴承座3，所述气浮球轴承座3的底端设置支撑柱5，所述的底端设置底座6，所述仪表平台1的底端下方两侧分别设置铝板7；
所述仪表平台1上设置执行机构8、测量系统9、供电系统10、调平衡装置11、控制计算机12、无线路由器Ⅰ13和待测相机14。
所述仪表平台1主要用于为台上装置如执行机构、测量系统、供电系统、调平衡装置、控制计算机、无线路由器、待测相机以及仪表平台下方的两个铝板提供安装位并模拟卫星的质量特性；
气浮球2和气浮球轴承座3之间通过地面上的供气系统4充气形成气膜从而实现微阻尼环境的模拟，同时抵消气浮球2、仪表平台1及台上装置的重力；
支撑柱5和底座6用于提供安装基座和支撑条件，为仪表平台1提供更大的转动空间；
仪表平台1下方的两个铝板7用于模拟太阳帆板，在仪表平台1转动时会发生振动，从而模拟外太空环境下卫星转动时带来的太阳帆板振动；
执行机构8由CMG陀螺力矩群以及冷气喷气推力装置组成，其中CMG陀螺力矩群采用金字塔构型，冷气喷气推力装置由高压气瓶组、减压稳压阀、电磁阀、喷嘴、供气管路组成。执行机构工作模式有以下三种模式：CMG陀螺力矩群、冷气喷气推力装置、CMG陀螺力矩群+冷气喷气推力装置，模拟实际在轨卫星执行机构模式，用于卫星姿态转动也即本仪表平台及其台上装置的执行器；
测量系统9为高精度惯导单元，用于测量仪表平台当前姿态角度及角速度信息；
供电系统10为锂电池组，用于为仪表平台上各装置供电；
调平衡装置11为分为粗调装置和精调装置，粗调装置为可以固定于仪表平台上的配重块，精调装置为三组正交安装于三轴方向的滚珠丝杠和电机，用于进行质心与转动惯量的调整保证仪表平台、仪表平台的台上装置和气浮球的整体质心与回转中心重合；
控制计算机16和无线路由器Ⅱ17组成信息采集、处理与传输系统，主要有以下功能：实时采集台上各个装置状态信息并接收处理地面监控平台发送的指令，完成整个模拟装置的姿态控制工作；实时将台上运行信息通过网络通讯传输给地面监控平台，用于实时显示给操作员并指导五维移动平台的姿态运行工作；实时解算待测相机拍摄的照片信息得到被测目标与自身的相对位置，控制三轴气浮台进行姿态调整从而实现目标的跟踪。
待测相机即为需要进行成像质量评估试验的相机，用于拍摄被测目标。
进一步的，所述地面监控平台包括地面监控计算机16及无线路由器Ⅱ17；
所述无线路由器Ⅱ17，用于实现无线网络通信；
所述地面监控计算机16，用于提供人机交互界面并远程通过无线网络通讯为遥感卫星地面模拟装置发送运行任务；通过无线网络通信接收遥感卫星地面模拟装置运行状态信息并实时显示到界面上；依据仪表平台姿态信息以及五维移动平台位姿信息控制三维转动平台中的俯仰和偏航方向转动使得将光学准直系统光轴方向对准相机镜头；设定三维转动平台的滚转方向旋转角度即偏流角、设定期望的目标二维平动轨迹；接收五维移动平台姿态信息并实时显示到界面上；对进行相机所拍摄照片进行MTF成像质量评估，并将结果实时显示到界面上，其中此处的评估方法采用本申请技术方案中的空间目标高精度指向与成像评估方法，具有较高的MTF计算精度，同时也可针对该方法进行更换从而采用该平台进行不同MTF计算方法的对比试验。
装置的操作流程及工作原理具体为，
对系统的各个部件进行检测；具体为检查高压气瓶气量与供电系统电量，保证气量电量充足。
在仪表平台上安装参试设备，给气浮台上电、通气，人工通过增减配重块进行气浮台的粗调平衡并通过精调平衡装置实现气浮台零重力微阻尼环境的模拟；
仪表平台上的控制计算机通过台上无线路由器和地面的无线路由器获取控制器参数，通过串口接收测量系统测得的当前气浮台姿态信息，解算气浮台目标姿态；该目标姿态可以由相机所拍摄的靶标位置决定即保证靶标位于相机视场中心，也可以根据地面监控系统的目标姿态指令决定。将控制指令通过串口发送给执行机构，由此完成控制系统闭环；
控制计算机实时接收台上装置状态信息并进行相机成像质量评估将其结果等信息通过无线网络发送给地面监控系统实时显示；
选择工作模式在气浮台运行过程中，为使得光学准直系统光轴方向时刻垂直于相机镜头平面，将气浮台姿态信息通过无线网络实时发送给地面监控计算机，控制五维移动机构俯仰和偏航方向转动来配合仪表平台的姿态转动；同时为满足多种成像质量评估中影响因素的引入，可以通过地面监控计算机设定三维转动平台的滚转方向旋转角度即偏流角、设定期望的目标二维平动轨迹；
在试验过程中可以选择以下三种工作模式：①气浮台三轴转动而二维移动平台不动②气浮台不转动，二维平动平台按照给定轨迹移动③二维平动平台按照给定轨迹移动，气浮台跟随靶标转动或按照目标姿态指令转动。
实现空间目标高精度指向与成像评估试验。
如图8所示，本发明提出的空间目标高精度指向与成像评估方法采用MTF进行成像质量评估。目前常用的在轨MTF检测方法多采用刃边法来进行调制传递函数(MTF)测试，在ISO12233中的刃边法中最关键的两个步骤就是质心法计算出的每行边缘直线点和ESF曲线的精确程度。
一种空间目标高精度指向与成像评估试验方法，所述试验方法使用上述空间目标高精度指向与成像评估试验装置，所述试验方法包括以下步骤：
步骤1：获取包含垂直斜边的ROI；
步骤2：将步骤1获取的ROI线性化处理，得到线性化图像数据；
步骤3：基于步骤2的线性化图像数据，利用质心法计算图像边缘直线点
步骤4：基于步骤3的质心法计算结果，结合步骤2的线性化图像数据，再次利用改进的canny算法计算每行边缘直线点；
步骤5：根据步骤4计算出的边缘直线点线性回归拟合直线；
步骤6：基于步骤5的线性回归拟合直线，重新定位ROI，获取ESF；
步骤7：基于步骤6获取的ESF，进行4倍超采样得到超采样后的ESF；
步骤8：基于步骤7的超采样后的ESF，其曲线采用小波去噪法去除噪声得新的超采样后的ESF数据；
步骤9：基于步骤8的ESF数据，对其进行差分运算得到LSF数据；
步骤10：基于步骤9得到的LSF数据应用汉明窗进行离散傅里叶变换得到曲线；
步骤11：对步骤10求得的曲线进行归一化处理得到归一化的MTF曲线，即可获得对应频率处的MTF值。
进一步的，考虑到canny算法较质心法相比具有更准确的边缘检测能力和抗干扰能力，因此本发明采用canny算法检测边缘，同时为了使得图像中远离刃边的区域更加平滑并进一步抑制图像中的噪声，本发明基于质心法检测边缘直线点结果，对canny算法的第一步高斯滤波中的核函数进行了自适应处理，使得边缘检测精度进一步提高。
针对超采样后的ESF曲线存在较多噪声的问题，为了其进行差分运算后能获得更精确的LSF曲线从而计算MTF更加准确，本发明提出了小波去噪法对ESF数据进行去噪处理。小波去噪法在对信号进行去噪处理后，能成功地保留信号特征，并且弥补了全局频域滤波中高低频滤波不能兼顾的现象，这对之后的LSF计算以及MTF的计算精度至关重要。
基于上述两个改进后的刃边法具备更高的抗噪能力以及MTF计算精度。
所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1：对线性化图像数据进行自适应高斯滤波处理；
步骤4.2：将自适应高斯滤波处理后的图像数据进行灰度梯度运算；使用Sobel算子分别在水平和垂直方向对图像进行卷积操作，然后计算每个像素点的梯度幅值和方向。梯度幅值表示图像在该点的变化程度，而梯度方向表示变化的方向；
步骤4.3：将灰度梯度运算后的数据进行非极大值抑制处理，以保留图像中真实的边缘信息；对梯度幅值图像进行非极大值抑制处理，以保留图像中真实的边缘信息。对于每个像素点，在梯度方向上寻找相邻像素点的梯度幅值大小，并与当前像素点的梯度幅值比较，如果较大，则将该像素点保留为边缘点，否则抑制；
步骤4.4：根据步骤4.3的边缘信息，及设定的高阈值和低阈值来确定边缘点和非边缘点；
步骤4.5：将步骤4.4得到的边缘点相连接得到边缘直线点。
上述提出的改进的canny算法，依据质心法计算结果对刃边边缘点进行二次标定，并在标定过程中利用自适应高斯滤波进行噪声抑制，这使得本身标定精度就高于质心法的canny法具有更高的边缘检测精度，从而使得接下来的MTF计算更加准确。
进一步的，所述步骤4.1具体为，对图像进行自适应高斯滤波处理；二维高斯滤波窗的核函数如下式所示：
其中，σ越大，平滑程度就越强；若所选择构造一个k×k的高斯滤波窗口，该参数选取依据以下公式：
其中上式中的d表示窗口中心到刃边的距离，其中此时的刃边位置由质心法检测结果得到；通过上式滤波窗的设置，刃边附近的像元灰度改变很小，而远离刃边的像元则平滑程度较大。比如，若k＝3，则具体函数曲线如图9所示。
进一步的，所述步骤4.4具体为，将梯度幅值图像中大于高阈值的像素点标记为强边缘点，小于低阈值的像素点标记为非边缘点，并将介于高低阈值之间的像素点标记为弱边缘点；根据强边缘点和弱边缘点之间的连通性来确定最终的边缘结果；对于每个弱边缘点，如果其与某个强边缘点相邻，则将其标记为强边缘点，否则抑制。
进一步的，所述步骤8具体包括以下步骤：
步骤8.1：即选定一种小波对信号进行n层小波分解，获得小波系数；
步骤8.2：设定阈值，选择合适的阈值函数，利用阈值函数对步骤8.1获得的小波系数进行阈值处理，获得估计小波系数；
步骤8.3：根据步骤8.2的小波系数进行小波重构，获得降噪后的信号。
进一步的，所述步骤8.2具体为，选择合适的阈值函数，为一阶连续可导函数，在小于阈值区域接近于0，在阈值附近连续平滑同时在大于阈值区域可以快速趋近于y＝x。
上式中的dj为准备进行处理的第j层小波系数，为经过改进阈值函数处理后的第j层小波系数，a为可以调节函数在阈值处的斜率的调节参数且a为正数，λ为小波阈值；图10为a选取为30时的阈值函数曲线；
阈值函数的特点在于引入了第二项，从而使得阈值函数在阈值附近连续平滑过渡的同时又不会在小于阈值λ的区域速率变化过快，起到了缓冲作用，有效的避免了对小波系数的过度去除；
改进的阈值函数＝第一项-第二项，
其中第一项为第二项为/>
图11中展示了改进的阈值函数以及其第一项和第二项的曲线，更直观的展示了本发明中阈值函数的优点
考虑到待滤波信号的形状信息对小波阈值滤波的精度存在一定程度的影响，接下来针对一个理想的ESF曲线进行加噪处理，对比小波阈值滤波下的硬阈值、软阈值、阈值函数对ESF曲线的滤波能力。
实验中小波分解采用db4小波基，小波分解尺度设置为5层。阈值的选取采用全局固定阈值其中/>dj为准备进行处理的第j层小波系数，median表示取中值，N为含噪信号长度。
选取得评价指标为信噪比(SNR，单位dB)和均方根误差(RMSE，单位1)，计算公式如下：
其中x(i)为未加入噪声的纯净信号，y(i)为经过小波阈值去噪后的信号，n为纯净信号采样长度。信噪比越大，均方根误差越小表明去噪效果越好、精度越高。
在ESF信号中加入高斯白噪声，使得含噪ESF的信噪比分别为20dB、330dB、40dB，后进行不同阈值函数的去噪分析对比，对比结果如表1所示。
表1基于不同阈值函数去噪后的SNR和RMSE
由表1的仿真对比结果可知，基于本发明中提出的阈值函数去噪后的信号更接近未加入噪声的纯净信号，去噪后误差小，相对纯净信号波动不大，具有最优的去噪效果。且本发明提出的阈值函数在阈值处连续，不会产生如硬阈值函数所带来的伪吉布斯效应。
图12为未加入噪声的ESF信号曲线、加入高斯白噪声后信噪比为20dB的含噪信号曲线以及部分阈值函数去噪后的信号曲线。

Claims (10)

1.一种空间目标高精度指向与成像评估试验装置，其特征在于，所述试验装置包括被测目标及五维移动平台(15)、遥感卫星地面模拟装置和地面监控平台；
所述被测目标及五维移动平台(15)，通过被测目标(15-1)内的光学准直系统(15-2)将点光源转化为平行光，同时整个装置固连，减少安装误差，被测目标安装于五维移动平台上，模拟无穷远处目标的运行方式；
所述遥感卫星地面模拟装置，用于模拟遥感卫星的运行方式及运行轨道；
所述地面监控平台，用于提供人机交互界面并远程通过无线网络通讯向平台及装置发送运行任务及接收平台及装置的反馈信号。
2.根据权利要求1所述一种空间目标高精度指向与成像评估试验装置，其特征在于，所述被测目标及五维移动平台(15)包括二维移动平台(15-3)和三维移动平台(15-4)，所述被测目标及五维移动平台(15)的中心放置被侧目标(15-1)；
所述被测目标(15-1)的靶标(15-5)可依据所需测量的物体形状进行更换；
所述被测目标(15-1)的靶标(15-5)处可采用插片形式的安装方式；
所述被测目标(15-1)的靶标(15-5)处也可采用可旋转靶标的方式；
所述三维转台(15-4)将被测目标(15-1)固连在其上；三维转动模拟的俯仰和偏航方向转动用于将光学准直系统(15-2)的光轴方向对准相机镜头，余下滚转方向转动用于模拟偏流角这一成像质量主要影响因素；
所述二维转台(15-3)用于模拟目标在相机拍摄平面上的水平和竖直方向移动从而模拟速高比v/h这一成像质量主要影响因素。
3.根据权利要求1所述一种空间目标高精度指向与成像评估试验装置，其特征在于，所述遥感卫星地面模拟装置包括仪表平台(1)、气浮球(2)、气浮球轴承座(3)、供气系统(4)、支撑柱(5)、底座(6)、铝板(7)、执行机构(8)、测量系统(9)、供电系统(10)、调平衡装置(11)、控制计算机(12)、无线路由器Ⅰ(13)和待测相机(14)；
所述仪表平台(1)的下端设置气浮球(2)，所述气浮球(2)下端设置气浮球轴承座(3)，所述气浮球轴承座(3)的底端设置支撑柱(5)，所述的底端设置底座(6)，所述仪表平台(1)的底端下方两侧分别设置铝板(7)；
所述仪表平台(1)上设置执行机构(8)、测量系统(9)、供电系统(10)、调平衡装置(11)、控制计算机(12)、无线路由器Ⅰ(13)和待测相机(14)。
4.根据权利要求1所述一种空间目标高精度指向与成像评估试验装置，其特征在于，所述地面监控平台包括地面监控计算机(16)及无线路由器Ⅱ(17)；
所述无线路由器Ⅱ(17)，用于实现无线网络通信；
所述地面监控计算机(16)，用于提供人机交互界面并远程通过无线网络通讯为遥感卫星地面模拟装置及五维移动平台发送运行任务；通过无线网络通信接收遥感卫星地面模拟装置运行状态信息并实时显示到界面上。
5.一种空间目标高精度指向与成像评估试验方法，其特征在于，所述试验方法使用如权利要求1-4任一所述空间目标高精度指向与成像评估试验装置，所述试验方法包括以下步骤：
步骤1：获取包含垂直斜边的ROI；
步骤2：将步骤1获取的ROI线性化处理，得到线性化图像数据；
步骤3：基于步骤2的线性化图像数据，利用质心法计算图像边缘直线点；
步骤4：基于步骤3的质心法计算结果，结合步骤2的线性化图像数据，再次利用改进的canny算法计算每行边缘直线点；
步骤5：根据步骤4计算出的边缘直线点线性回归拟合直线；
步骤6：基于步骤5的线性回归拟合直线，重新定位ROI，获取ESF；
步骤7：基于步骤6获取的ESF，进行4倍超采样得到超采样后的ESF；
步骤8：基于步骤7的超采样后的ESF，其曲线采用小波去噪法去除噪声得新的超采样后的ESF数据；
步骤9：基于步骤8的ESF数据，对其进行差分运算得到LSF数据；
步骤10：基于步骤9得到的LSF数据应用汉明窗进行离散傅里叶变换得到曲线；
步骤11：对步骤10求得的曲线进行归一化处理得到归一化的MTF曲线，即可获得对应频率处的MTF值。
6.根据权利要求5所述一种空间目标高精度指向与成像评估试验方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1：对线性化图像数据进行自适应高斯滤波处理；
步骤4.2：将自适应高斯滤波处理后的图像数据进行灰度梯度运算；
步骤4.3：将灰度梯度运算后的数据进行非极大值抑制处理，以保留图像中真实的边缘信息；
步骤4.4：根据步骤4.3的边缘信息，及设定的高阈值和低阈值来确定边缘点和非边缘点；
步骤4.5：将步骤4.4得到的边缘点相连接得到边缘直线点。
7.根据权利要求6所述一种空间目标高精度指向与成像评估试验方法，其特征在于，所述步骤4.1具体为，对图像进行自适应高斯滤波处理；二维高斯滤波窗的核函数如下式所示：
其中，σ越大，平滑程度就越强；若所选择构造一个k×k的高斯滤波窗口，该参数选取依据以下公式：
其中上式中的d表示窗口中心到刃边的距离，其中此时的刃边位置由质心法检测结果得到；通过上式滤波窗的设置，刃边附近的像元灰度改变很小，而远离刃边的像元则平滑程度较大。
8.根据权利要求6所述一种空间目标高精度指向与成像评估试验方法，其特征在于，所述步骤4.4具体为，将梯度幅值图像中大于高阈值的像素点标记为强边缘点，小于低阈值的像素点标记为非边缘点，并将介于高低阈值之间的像素点标记为弱边缘点；根据强边缘点和弱边缘点之间的连通性来确定最终的边缘结果；对于每个弱边缘点，如果其与某个强边缘点相邻，则将其标记为强边缘点，否则抑制。
9.根据权利要求5所述一种空间目标高精度指向与成像评估试验方法，其特征在于，所述步骤8具体包括以下步骤：
步骤8.1：即选定一种小波对信号进行n层小波分解，获得小波系数；
步骤8.2：设定阈值，选择合适的阈值函数，利用阈值函数对步骤8.1获得的小波系数进行阈值处理，获得估计小波系数；
步骤8.3：根据步骤8.2的小波系数进行小波重构，获得降噪后的信号。
10.根据权利要求9所述一种空间目标高精度指向与成像评估试验方法，其特征在于，所述步骤8.2具体为，选择合适的阈值函数，为一阶连续可导函数，在小于阈值区域接近于0，在阈值附近连续平滑同时在大于阈值区域可以快速趋
近于y＝x，
上式中的dj为准备进行处理的第j层小波系数，为经过改进阈值函数处理后的第j层小波系数，a为可以调节函数在阈值处的斜率的调节参数且a为正数，λ为小波阈值；
阈值函数的特点在于引入了第二项，从而使得阈值函数在阈值附近连续平滑过渡的同时又不会在小于阈值λ的区域速率变化过快，起到了缓冲作用，有效的避免了对小波系数的过度去除；
改进的阈值函数＝第一项-第二项，
其中第一项为第二项为/>
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