CN117848354A - 空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置和方法 - Google Patents

Abstract

空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置和方法，涉及空间目标光学探测领域。解决现有空间目标探测方法存在目标信息获取有限、单端探测设备探测精度低的问题。所述方法包括：激光器发射测距激光，激光通过分光镜、卡塞格林望远镜射出；调动卡塞格林望远镜对准目标并接收测距激光回波；分光镜将激光传输到激光测距单元中进行测距，获得目标距离信息；采集分光镜中可见光分束，对目标进行成像，获取目标二维位置信息；目标轨迹点进行坐标变换，获取世界坐标系坐标；将世界坐标系上坐标点通过轨迹拟合子系统进行拟合；编码器单元输出脱靶量至计算机单元，根据脱靶量跟踪目标，记录脱靶量，在坐标转换时进行修正。应用于卫星探测领域。

Description

空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置和方法

技术领域

本发明涉及空间目标光学探测领域，尤其涉及一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置和方法。

背景技术

随着航天技术的发展，全球每年发射的卫星数量逐渐增加，随之而来的是越来越多的空间碎片，这些空间碎片可能会与现役卫星发生碰撞，严重威胁空间安全，并可能造成巨大损失，因此对目标卫星定位定轨具有重大意义。

部分国家为了保障空间安全，已开展包括双星测角定位、天地联合空间目标探测系统、spacex公司星链计划等研究。各国已开展的研究主要包括对空间目标的探测以及定位，以保障空间安全，应对在空间范围与别国的冲突。空间目标包括：人造航天器、空间碎片和小行星。如今，主要有三种空间目标探测方式，即天基探测、地基探测以及天地联合探测。地基探测中的雷达等光电探测器虽然技术较为成熟、造价低，天基探测相较于地基探测具有不受天气影响、灵活性高等优势，在多数场景天基探测为主流探测方式。但其现有基于天基探测的空间目标探测方法存在目标信息获取有限、单端探测设备探测精度低的问题。

发明内容

本发明针对现有基于天基探测的空间目标探测方法存在目标信息获取有限、单端探测设备探测精度低的问题，提出一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置，所述方案具体为：

一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置，所述装置包括：

目标观测子系统、轨迹拟合子系统、望远子系统和机械控制子系统；

所述望远子系统包括卡塞格林望远镜，所述卡塞格林望远镜用于接收目标的光信号；

所述机械控制子系统包括编码器单元、计算机单元、二维转台；

所述编码器单元用于获取目标脱靶量；

所述计算机单元用于控制二维转台和轨迹拟合子系统实现轨迹拟合；

所述的目标观测子系统、望远子系统设置在二维转台上；

所述轨迹拟合子系统设置在计算机单元上；

所述机械控制子系统安装在光学平台上。

进一步的，还提出一种优选方式，所述目标观测子系统包括可见光光学成像单元、测距激光发射/ 接收单元和分光镜；

所述卡塞格林望远镜与分光镜、测距激光发射/接收单元光轴平行直线串联排列；

所述测距光发射/接收单元设置在分光镜的透射方向；

所述可见光光学成像单元用于目标成像，获得目标二维位置信息；

所述测距激光发射/接收单元用于对目标测距，获得目标测距值；

所述分光镜用于将可见光与测距激光分束。

进一步的，还提出一种优选方式，所述轨迹拟合子系统包括坐标转换单元、轨迹拟合单元和信息处理单元；

所述坐标转换单元用于将测距激光发射/接收单元获得的目标测距值和可见光光学成像单元获得的目标二维位置信息进行坐标转换；

所述轨迹拟合单元用于将所坐标转换后的数据拟合为目标轨迹；

所述信息处理单元用于将所述目标轨迹进行保存、整理。

基于同一发明构思，本发明还提出一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法，所述方法是基于上述任一项所述的定轨装置实现的，所述方法包括：

S1：测距激光发射/接收单元发射测距激光，激光通过分光镜、卡塞格林望远镜射出；

S2：调动卡塞格林望远镜对准目标并接收测距激光回波；

S3：通过分光镜将激光传输到测距激光发射/接收单元中进行测距，获得目标测距值；

S4：可见光成像单元采集分光镜中可见光分束，对目标进行成像，获取目标二维位置信息；

S5：坐标转换单元根据目标测距值和可见光光学成像单元采集到的目标二维位置信息进行坐标变换，获取世界坐标系坐标；

S6：将世界坐标系上的坐标点通过轨迹拟合子系统进行拟合；

S7：编码器单元输出脱靶量至计算机单元，所述计算机单元根据脱靶量跟踪目标，使目标保持在图像中心，并记录脱靶量，在坐标转换时进行修正。

进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤S4包括：

分光镜将1064nm激光传输到测距激光发射/接收单元中进行测距，获得目标测距值；

通过分光镜将380nm-780nm的可见光分束至可见光光学成像单元中，对目标进行成像探测，获得目标图像信息，进而获得目标在图像上的脱靶量；

记录此时目标点的脱靶量，获得目标二维位置信息。

进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤S6包括：

将世界坐标系上的坐标点通过最小二乘法拟合，将采集到的分段点迹或目标轨迹完善并进行拟合拼接。

进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤S7包括：

通过编码器单元检测光学成像单元获得的目标在图像中相对于图像中心的距离，若所探测目标不在图像中心，目标在图像中的位置与图像中心的距离成为脱靶量；

编码器单元将所测得脱靶量传输到计算机单元，并控制二维转台转动并带动测距激光发射/接收单元、卡塞格林望远镜、可见光光学成像单元，使卡塞格林望远镜对准目标，可见光光学成像单元所成图像目标位置与图像中心脱靶量无限趋近于0，确保目标保持在图像中心。

进一步的，还提出一种优选方式，所述测距激光发射/接收单元包括10V~15VDC的Nd:YAG激光器和激光测距单元。

进一步的，还提出一种优选方式，所述可见光光学成像单元为分辨率为1920*1080的可见光光学相机。

进一步的，还提出一种优选方式，所述方法还包括精度补偿，具体为：若当前目标探测精度不足以达到要求，则调用其他的可见光光学成像单元与测距激光发射/ 接收单元进行观测，按照上述步骤S1至步骤S7开始对目标进行光学成像与脉冲激光测距，获得目标的二维位置信息与距离信息。

本发明的有益之处在于：

本发明解决了现有基于天基探测的空间目标探测方法存在目标信息获取有限、单端探测设备探测精度低的问题。

本发明所提供的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置与方法同时具有激光测距与光学成像功能，采用本发明所设计的定位定轨装置的成像与测距功能结合本发明所述的轨迹拟合以及坐标转换方法实现对目标的精准定位和接力探测。激光测距应用脉冲激光测距距离远、精度高的特点；光学成像系统能够实现侦察探测的目的，具有对目标稳定跟踪成像的优点；此外，在空间碎片众多的今天，本发明能够有效探测各种空间碎片，不仅能够协助我国卫星规避空间碎片的碰撞威胁；也能准确探测别国卫星，有效保障我国卫星不被别国卫星抓捕，保障我国卫星资产安全。本发明一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置将光学成像和激光测距集成到一个系统，极大节省本就宝贵的卫星、飞机载荷，能够搭载到卫星、飞机、车船等多种平台，可广泛的应用于各个探测领域，完成多种任务。

本发明使用通过多种获取信息的方式获取目标信息的多模态探测，多模态探测相较于单一模态具有更高的精度，使用可见光成像获取目标二维位置信息，同时使用空间脉冲激光测距可获取目标另一维度位置信息，将此二者信息融合后即可获得目标精确三维位置信息。

本发明可通过多探测设备接力探测以实现更高精度探测，并将多设备探测数据拟合以获得目标精确位置信息，相较于单一设备探测，精度更高，并在坐标转换时自修正当前脱靶量，使脱靶量导致的误差进一步减小，有利于拟合时获取更准确的目标轨迹。

本发明采用坐标转换实现接力探测，在目标探测时通过坐标转换实现观测设备的更改，具体原理为：将当前测距激光发射/接收单元所观测到的目标位置信息变换到世界坐标系，获得目标前段位置信息，假设随后该可见光光学成像单元无法对目标成像，并且第二个可见光光学成像单元与测距激光发射/ 接收单元刚好可以观测到目标，则调用第二个可见光光学成像单元与测距激光发射/ 接收单元将观测到的目标位置信息转换到世界坐标系，并将轨迹拼接，得到完整目标轨迹。

本发明所述的装置采用多模态信息融合的方法，可以同时利用目标的光信号，通过望远子系统获取更多的目标信息，提高探测的准确性和可靠性。通过轨迹拟合子系统，该装置能够对目标进行高精度的定位和定轨，使得对空间目标的监测和跟踪更加准确。采用机械控制子系统，通过编码器单元获取目标脱靶量，再由计算机单元控制二维转台和轨迹拟合子系统，实现对目标的跟踪，提高了系统的灵活性和控制精度。目标观测子系统、望远子系统、轨迹拟合子系统和机械控制子系统相互配合，整体集成度高，有助于提高系统的工作效率和性能。

本发明应用于卫星探测领域。

附图说明

图1为实施方式一所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置结构示意图；

图2为实施方式四所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法流程图；

图3为实施方式四所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置的工作原理示意图；

图4为实施方式十一所述的坐标轴旋转示意图；

图5为实施方式十一所述的透视投影示意图；

图6为实施方式十一所述的图像坐标系和像素坐标系转换示意图；

图7为实施方式十一所述的轨迹拟合示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

实施方式一、参见图1和图2说明本实施方式。本实施方式所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置，所述装置包括：

目标观测子系统、轨迹拟合子系统、望远子系统和机械控制子系统；

所述望远子系统包括卡塞格林望远镜，所述卡塞格林望远镜用于接收目标的光信号；

所述机械控制子系统包括编码器单元、计算机单元、二维转台；

所述编码器单元用于获取目标脱靶量；

所述计算机单元用于控制二维转台和轨迹拟合子系统实现目标跟踪；

所述的目标观测子系统、望远子系统设置在二维转台上；

所述轨迹拟合子系统设置在计算机单元上；

所述机械控制子系统安装在光学平台上。

本实施方式所述的装置采用多模态信息融合的方法，可以同时利用目标的光信号，通过望远子系统获取更多的目标信息，提高探测的准确性和可靠性。通过轨迹拟合子系统，该装置能够对目标进行高精度的定位和定轨，使得对空间目标的监测和跟踪更加准确。采用机械控制子系统，通过编码器单元获取目标脱靶量，再由计算机单元控制二维转台和轨迹拟合子系统，实现对目标的跟踪，提高了系统的灵活性和控制精度。目标观测子系统、望远子系统、轨迹拟合子系统和机械控制子系统相互配合，整体集成度高，有助于提高系统的工作效率和性能。

本实施方式中通过在二维转台上设置目标观测子系统，可以实现对目标的全方位观测。望远子系统采用卡塞格林望远镜，能够接收目标的光信号，从而获取更多的目标信息。这有助于在不同光学波段上进行观测，提高目标识别和跟踪的效果。轨迹拟合子系统通过在计算机单元上设置轨迹拟合子系统，对目标的运动轨迹进行拟合和计算，从而实现对目标的定位和定轨。机械控制子系统包括编码器单元、计算机单元和二维转台，通过编码器单元获取目标脱靶量，再由计算机单元进行控制，使得二维转台能够实现对目标的精准跟踪。本实施方式所述的装置解决基于天基探测的空间目标探测方法中存在的目标信息获取有限、单端探测设备探测精度低的问题。通过多模态信息融合，提高了对目标的观测精度；通过机械控制系统，实现了对目标的高精度定位和定轨。整体来说，该装置的目的是提高空间目标探测的准确性和可靠性，为天基探测提供更为优越的技术手段。

实施方式二、本实施方式是对实施方式一所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置的进一步限定，所述目标观测子系统包括可见光光学成像单元、测距激光发射/ 接收单元和分光镜；

所述卡塞格林望远镜与分光镜、测距激光发射/接收单元光轴平行直线串联排列；

所述测距光发射/接收单元设置在分光镜的透射方向；

所述可见光光学成像单元用于目标成像，获得目标二维位置信息；

所述测距激光发射/接收单元用于对目标测距，获得目标测距值；

所述分光镜用于将可见光与测距激光分束。

本实施方式通过在目标观测子系统中引入可见光光学成像单元、测距激光发射/接收单元和分光镜，实现了对目标的可见光成像和测距激光信息的融合。这样的多模态信息融合可以提高对空间目标的全面感知和识别能力。引入测距激光发射/接收单元，可以通过测量激光的往返时间来实现对目标的测距。这种方式通常具有较高的测距精度，有助于提高整个装置的定位和定轨的准确性。分光镜用于将可见光和测距激光分束，使得这两种信息能够分开处理。这有助于在不同光学波段上优化探测和测距的效果，提高装置的适用性和性能。

可见光光学成像单元用于对目标进行可见光成像，通过获取目标的可见光信息，实现对目标的形状、结构等方面的观测。测距激光发射/接收单元通过发射激光并测量其往返时间，可以得到目标的距离信息，通常具有高精度的优点。分光镜用于将可见光和测距激光分开，确保两种信息不会相互干扰。分光镜通常通过反射或透射不同波长的光，使它们分离到不同的通道中。卡塞格林望远镜与分光镜的串联排列，这种排列方式保证了可见光光学成像单元、测距激光发射/接收单元和分光镜光轴平行，使得它们能够有效地协同工作，提高整个装置的协同性和一体化度。

实施方式三、本实施方式是对实施方式二所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置的进一步限定，所述轨迹拟合子系统包括坐标转换单元、轨迹拟合单元和信息处理单元；

所述坐标转换单元用于将测距激光发射/接收单元获得的目标测距值和可见光光学成像单元获得的目标二维位置信息进行坐标转换；

所述轨迹拟合单元用于将所坐标转换后的数据拟合为目标轨迹；

所述信息处理单元用于将所述目标轨迹进行保存、整理。

本实施方式中通过坐标转换单元，能够将测距激光发射/接收单元获取的测距值和可见光光学成像单元采集到的目标二维位置信息进行坐标转换。这有助于将测距信息和目标二维位置信息转化为目标在特定坐标系统中的位置，为后续的轨迹拟合提供准确的输入数据。轨迹拟合单元通过最小二乘法拟合，将坐标转换后的数据拟合为目标的运动轨迹。这有助于实现对目标运动的准确建模，提高对目标轨迹的预测和定位的准确性。信息处理单元用于保存和整理所得的目标轨迹数据。这使得轨迹拟合子系统具备对历史数据的分析能力，可以用于后续任务的评估、优化或者对比分析，从而提高装置整体的智能化和可追溯性。

坐标转换单元这个单元涉及坐标转换的数学运算，将测距激光发射/接收单元获取的测距值和可见光光学成像单元采集到的目标二维位置信息转换为目标在某个坐标系统中的位置。包括旋转、平移等操作，确保数据与系统的坐标一致。轨迹拟合单元该单元使用最小二乘法，将经过坐标转换后的数据进行拟合，得到目标的运动轨迹。信息处理单元负责将拟合后的目标轨迹数据进行保存和整理。包括数据存储、格式转换、清理异常值等操作，确保得到的轨迹数据是可靠、可用的。本实施方式中轨迹拟合子系统的目的是对目标的运动轨迹进行精确建模。坐标转换单元确保了测距信息在拟合前得到正确的坐标表示，而轨迹拟合单元通过数学模型将这些坐标拟合为目标的运动轨迹。信息处理单元则确保轨迹数据的存储和整理，使得轨迹拟合子系统在后续任务中能够更好地利用历史数据，提高整个装置的智能化和性能。

实施方式四、参见图2和图3说明本实施方式。本实施方式所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法，所述方法是基于实施方式一至实施方式三任一项所述的定轨装置实现的，所述方法包括：

S1：测距激光发射/接收单元发射测距激光，激光通过分光镜、卡塞格林望远镜射出；

S2：调动卡塞格林望远镜对准目标并接收测距激光回波；

S3：通过分光镜将激光传输到测距激光发射/接收单元中进行测距，获得目标测距值；

S4：可见光成像单元采集分光镜中可见光分束，对目标进行成像，获取目标二维位置信息；

S5：坐标转换单元根据目标测距值和可见光光学成像单元采集到的目标二维位置信息进行坐标变换，获取世界坐标系坐标；

S6：将世界坐标系上的坐标点通过轨迹拟合子系统进行拟合；

S7：编码器单元输出脱靶量至计算机单元，所述计算机单元根据脱靶量跟踪目标，使目标保持在图像中心，并记录脱靶量，在坐标转换时进行修正。

本实施方式中定轨装置包括：

所述测距光发射/接收单元设置在分光镜的透射方向；激光回波经过卡塞格林望远镜、分光镜后被测距光接收单元接收，完成目标测距，在经过分光镜时分束的可见光被分光镜反射到分光镜下方，被可见光光学成像单元接收，实现可见光光学成像单元对目标成像；所述编码器单元与计算机单元产生控制信号控制跟踪转台转动，完成对目标的跟踪；卡塞格林望远镜、分光镜和同光轴直线串联排列，所述目标观测子系统、望远子系统设置在二维转台单元上，轨迹拟合子系统设置在计算机单元上、机械控制子系统安装在光学平台上；脉冲激光测距光通过分光镜的透射后，经卡塞格林望远镜发射，照射目标。测距光接收单元放在分光镜的透射方向上，激光回波经过卡塞格林望远镜和分光镜后，被测距光接收单元接收，完成目标测距和可见光光学成像。成像后使用非接触式编码器获得目标点相对于图像中心的角位移或直线位移并将其转换成电信号，随后传输到计算机中产生控制信号控制跟踪转台转动，使编码器所测得的角位移或者直线位移尽可能小，直至接近零，至此，目标可始终保持在图像中心，完成对目标的跟踪。

本实施方式所述的方法，结合激光测距和可见光成像，获得了多种信息，包括目标的距离信息和二维位置信息。这种融合可以提供更全面、准确的目标信息，有助于提高定位和定轨的精度。激光测距提供了准确的目标距离信息，而可见光成像提供了目标在二维平面上的位置信息。结合激光测距、坐标转换和轨迹拟合，能够在世界坐标系中对目标进行精确的定位和轨迹建模。编码器单元的应用能够实时获取目标的脱靶量，确保目标始终趋于图像中心。并将获得的脱靶量在坐标转换时加以修正，这种修正有助于维持成像的稳定性和准确性，使得后续的信息处理和分析更可靠。

通过激光器发射测距激光，卡塞格林望远镜调整以接收激光回波。分光镜用于传输激光至激光测距单元，从而获得目标的距离信息。这基于激光的发射与回波时间差计算距离。可见光成像单元利用分光镜采集到的可见光分束，对目标进行成像，获得目标在二维平面上的位置信息。坐标转换单元将可见光光学成像单元采集的目标轨迹点和激光测距值进行坐标变换，转换为世界坐标系中的坐标。然后，通过轨迹拟合子系统对这些坐标点进行拟合，建立目标的运动轨迹模型。编码器单元输出脱靶量至计算机单元，所述计算机单元根据脱靶量跟踪目标，使目标保持在图像中心，并记录脱靶量，在坐标转换时进行修正。并通过调整望远镜单元的角度来实现目标追踪。本实施方式所述的方法综合利用激光测距和可见光成像的优势，实现对空间目标的精准定位和定轨。通过融合不同传感器获取的信息，通过坐标转换、轨迹拟合和实时修正，提供全面、精确的目标运动轨迹信息，以支持各种空间目标的监测、追踪和分析。

实施方式五、本实施方式是对实施方式四所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法的进一步限定，所述步骤S4包括：

分光镜将1064nm激光传输到激光测距单元中进行测距，获得目标距离信息；

通过分光镜将380nm-780nm的可见光分束至可见光光学成像单元中，对目标进行成像探测，获得目标图像信息，进而获得目标在图像上的脱靶量；

记录此时目标点的脱靶量，获得目标二维位置信息。

本实施方式中通过分光镜将1064nm的激光传输到激光测距单元进行测距，同时将380nm-780nm的可见光传输至可见光相机进行成像，实现了激光测距和可见光成像的多模态信息融合。这样的融合有助于提高系统对目标的全面感知和准确定位。1064nm的激光通常用于激光测距，这个波长的激光在大气中传播的损耗较小，有助于提供更精准的目标距离信息。这对于空间目标的定位和定轨至关重要。通过分光镜传输380nm-780nm的可见光至可见光相机，可以实现对目标的高分辨率成像。这有助于获取目标图像信息，进而提供更详细的目标表面特征和形状信息。记录目标点的脱靶量有助于实时监测目标在图像中的偏移，为后续的修正提供基础。

实施方式六、本实施方式是对实施方式四所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法的进一步限定，所述步骤S6包括：

将世界坐标系上的坐标点通过最小二乘法拟合，将采集到的分段点迹或目标轨迹完善并进行拟合拼接。

通过最小二乘法拟合，可以有效地完善采集到的分段点迹或目标轨迹，并将这些部分进行拟合拼接。这有助于消除由于系统误差、环境干扰或其他因素引起的轨迹不连续性，提高轨迹的整体准确性和稳定性。采集到的实际数据可能包含噪声或不确定性，通过最小二乘法进行拟合可以平滑轨迹，并降低噪声对定位定轨的影响，提高系统的鲁棒性。拟合拼接可以使得整个轨迹在世界坐标系中呈现更加一致的形态，有助于更准确地描述目标在空间中的运动状态。

最小二乘法是一种数学优化方法，通过最小化观测数据与拟合曲线之间的残差平方和来确定最佳拟合曲线参数。在这个步骤中，将采集到的世界坐标系上的坐标点视为观测数据，通过最小二乘法拟合出一条曲线，以代表目标的运动轨迹。采集到的分段点迹或目标轨迹可能由于各种原因导致不连贯，拟合拼接的过程通过平滑轨迹、填补间隙，将这些部分有机地连接在一起，形成一个整体的、连续的轨迹。通过最小二乘法拟合，可以使得拟合曲线与观测数据更为吻合，提高对目标运动的准确描述。这对于空间目标的定位和定轨具有重要意义。由于采集到的点迹可能存在间断或不连贯的情况，通过拟合拼接，可以使轨迹在整个运动过程中保持连续，有助于更精确地预测目标的未来位置。拟合过程中对噪声的平滑处理有助于提高系统的鲁棒性，使得轨迹更加稳定，不容易受到外部干扰的影响。

实施方式七、本实施方式是对实施方式四所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法的进一步限定，所述步骤S7包括：

通过编码器单元检测光学成像单元获得的目标在图像中相对于图像中心的距离，若所探测目标不在图像中心，目标在图像中的位置与图像中心的距离成为脱靶量；

编码器单元将所测得脱靶量传输到计算机单元，并控制二维转台转动并带动测距激光发射/接收单元、卡塞格林望远镜、可见光光学成像单元，使卡塞格林望远镜对准目标，可见光光学成像单元所成图像目标位置与图像中心脱靶量无限趋近于0，确保目标保持在图像中心。

本实施方式所述的通过编码器单元检测目标在图像中相对于图像中心的距离，可以及时发现目标是否偏离了图像中心，从而得到脱靶量。这使得系统能够自动纠正目标的位置，确保目标始终位于图像中心，提高了探测的准确性。编码器单元传输脱靶量到计算机单元后，通过控制二维转台，能够实时调整激光测距单元、卡塞格林望远镜、可见光光学成像单元的方向，以保持目标在视野中心。这样的自动调整保证了对目标的持续跟踪和定位。通过调整卡塞格林望远镜的方向，可见光光学成像单元所得图像中目标位置与图像中心的脱靶量趋近于0，确保可见光图像中目标位置的稳定。这对于后续信息融合和分析提供了稳定的基础。

编码器单元通过检测目标在光学成像单元所获得图像中相对于图像中心的距离，计算得到脱靶量。这个脱靶量表示目标在图像中的偏移程度，即目标是否偏离了图像中心。一旦脱靶量被测得，计算机单元接收并处理这一信息，通过控制二维转台调整激光测距单元、卡塞格林望远镜、可见光光学成像单元的方向，以确保目标重新位于图像中心。通过自动纠正目标位置，能够持续跟踪目标，即使目标在探测过程中发生轻微的偏移或干扰。通过使可见光图像中的目标位置稳定在图像中心，可以提高后续信息融合和分析的准确性，确保从不同模态获取的信息能够精确匹配。

实施方式八、本实施方式是对实施方式四所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法的进一步限定，所述测距激光发射/接收单元包括10V~15VDC的Nd:YAG激光器和激光测距单元。

本实施方式中所述的Nd:YAG激光器通常工作在红外波段，这使其在大气中传播的能力较强，有助于在复杂的大气环境中进行激光测距。红外波段的激光也对许多光电探测器具有较好的透过性。Nd:YAG激光器具有较高的脉冲功率，同时可以生成短脉冲，这对于在光电探测中获取高分辨率的目标信息非常重要。高功率和短脉冲有助于提高激光测距器的性能。激光器工作在10V~15VDC的电压范围内，这提供了一定的电压可调性，使得激光器的输出能够根据装置的需求进行调整。这有助于在不同的工作场景中灵活应用。

本实施方式中的激光测距单元包括激光发射元件，准直物镜，圆柱形物镜，激光接收镜头，激光接收CMOS传感器；激光发射元件产生激光束，并将其发射到测量目标上；准直物镜位于激光发射元件前方，用于将激光束聚焦成一束平行光线，以确保激光束的方向性和稳定性；圆柱形物镜位于准直物镜之后，用于扩展激光束的横向范围，使其覆盖更广的目标区域，并保证激光在整个范围内的光点保持一致，三者同光轴串联排列；激光接收镜头位于激光接收CMOS传感器之前，同光轴串联排列，临近于激光发射单元，其光轴平行于激光发射单元光轴，镜头朝向与激光发射方向一致，用于接收从目标反射回来的激光信号，并将其聚焦到激光接收CMOS传感器上，激光接收CMOS传感器是激光测距单元的接收端，用于测量接收到的激光信号的时间延迟，从而确定目标物体的距离。在工作过程中，激光测距单元首先发射一束激光到目标物体上，然后接收从目标物体反射回来的激光信号。通过测量发射和接收之间的时间差，结合光速，可以计算出目标物体与激光测距单元之间的距离。

实施方式九、本实施方式是对实施方式五所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法的进一步限定，所述可见光光学成像单元为分辨率为1920*1080的可见光光学相机。

分辨率为1920*1080的可见光光学相机提供了较高的空间分辨率，允许更清晰地捕捉目标的细节和特征。这对于精准的目标定位和跟踪至关重要。常见的1920*1080分辨率符合高清晰度标准，这使得该相机适用于多种应用场景，包括军事、航天、航空等领域，提供了更大的灵活性和通用性。相比较更高分辨率的图像，1920*1080分辨率的图像在处理和存储时占用的资源较少，有助于提高装置的效率和实时性。

实施方式十、本实施方式是对实施方式四所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法的进一步限定，所述方法还包括精度补偿，具体为：若当前目标探测精度不足以达到要求，则调用其他的可见光光学成像单元与测距激光发射/接收单元进行观测，按照上述步骤S1至步骤S7开始对目标进行光学成像与脉冲激光测距，获得目标的二维位置信息与距离信息。

具体的，采用坐标转换实现接力探测，在目标探测时通过坐标转换实现观测设备的更改，其原理为：将当前测距激光发射/接收单元所观测到的目标位置信息变换到世界坐标系，获得目标前段位置信息，假设随后该可见光光学成像单元无法对目标成像，并且第二个可见光光学成像单元与测距激光发射/接收单元刚好可以观测到目标，则调用第二个可见光光学成像单元与测距激光发射/接收单元将观测到的目标位置信息转换到世界坐标系，并将轨迹拼接，得到完整目标轨迹。

通过调用其他可见光光学成像单元与测距激光发射/接收单元，可以弥补当前目标探测精度不足的情况，从而提高整个装置的定位和定轨精度。结合可见光光学成像与脉冲激光测距，系统获得了更多维度的信息，包括图像特征和距离信息，有助于更准确地描述目标的空间位置和运动状态。当目标在某些情况下难以被准确探测时，装置能够自动切换到另一种探测模式，提高了装置在不同环境和条件下的适应性。

装置会实时监测当前目标的探测精度，如果探测结果不足以满足要求，系统就会触发精度补偿机制。调用其他可见光光学成像单元与测距激光发射/ 接收单元，这些单元能够提供更精确的信息。可见光光学成像与测距激光发射/接收单元协同工作，通过多模态信息融合，提高对目标的综合感知能力。

实施方式十一、参见图4至图7说明本实施方式。本实施方式是对实施方式一所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置提供一个具体实施例，同时也用于解释实施方式二至实施方式三，具体的：

针对现有空间目标探测方法所具有的局限性，本实施方式提出了一种效率高、适用范围广的激光测距联合光学相机对空间目标进行探测的方法以及装置，并通过双端或多端联合接力探测，探测系统轨迹拟合来实现空间目标高精度探测与定位及定轨。测量精度与测量设备之间的关系呈现正相关，当将常数项化简，并将变量控制时，其关系可以表示为：

其中，E表示总探测精度，k为常数项，N为探测设备的数量。可以看出，探测设备越多，探测精度就越高。

本实施方式中的装置硬件结构包括目标观测子系统、轨迹拟合子系统、望远子系统、机械控制子系统；其中，目标观测子系统包括可见光光学成像单元、测距激光发射/接收单元、分光镜；轨迹拟合子系统包括坐标转换单元、轨迹拟合单元、信息处理单元；望远子系统包括卡塞格林望远镜；机械控制子系统包括编码器单元、计算机单元、二维转台；所述的目标观测子系统、望远子系统设置在二维转台上，轨迹拟合子系统设置在计算机单元上、机械控制子系统安装在光学平台上；其中卡塞格林望远镜与分光镜、测距激光发射/接收单元光轴平行串联排列；其中：可见光光学成像单元实现目标成像、测距激光发射/接收单元实现对目标测距、分光镜实现将可见光与测距激光分束、坐标转换单元实现将所测值坐标转换、轨迹拟合单元实现将所测值拟合为目标轨迹、信息处理单元实现所测值的保存及整理、卡塞格林望远镜实现目标信号光接收、编码器单元实现目标脱靶量获得、计算机单元实现控制二维转台和轨迹拟合子系统二维转台实现目标跟踪；该装置中的测距激光发射/接收与可见光成像单元共用一个卡塞格林望远镜，并通过分光镜实现可见光成像和红外测距光的分离；实现所有装置共用一个卡塞格林望远镜；所述目标观测子系统、望远子系统以及信号处理单元可设置为一套或者多套；在单端探测设备探测精度足够的情况下，考虑到资源占用的问题，仅使用单端探测设备对目标进行探测定位，足以获得目标的三维信息；在单端探测设备探测精度不足以达到探测要求时，则使用另一套探测系统同时进行探测，获得目标在该段的三维信息，再通过目标轨迹拟合实现精准定位以及目标准确轨迹。若探测精度仍不足以达到要求可以将探测设备扩展至3个甚至多个。其中激光测距单元测准率大于98%、测距精度±1米，轨迹拟合精度可达95%。

本实施方式所述的装置工作过程如下：

首先通过全球定位导航系统或星历表确定目标大体方位。激光测距单元使用Nd:YAG激光器发射1064纳米的激光照射目标实现激光测距，测距接收单元接收反射光测定目标距离，同时跟踪转台转动角度，实现目标跟踪，光学成像单元成像，获取目标点在像素坐标系的坐标，随后将坐标转换到图像坐标系再到相机坐标系最后到世界坐标系，x，y，z轴信息。若探测精度不足则启用其他设备按照上述步骤进行探测，最后得到两组数据，进行融合，得到目标相对于世界坐标系的x，y，z轴信息。

具体的：

步骤1：装置搭建。将装置按照图1所述方式（探测系统安装在1个至多个平台上，每个平台上都包括激光发射/接收单元、可见光光学成像单元、卡塞格林望远镜、分光镜；卡塞格林望远镜、激光接收/发射单元、分光镜共用同一个光轴，激光接收/发射单元与之平行光轴直线串联排列，光学成像单元在分光镜下通过分光镜分光进行成像）进行连接安装。

步骤2：激光测距。由10V~15VDC的Nd:YAG激光器发射1064nm发射测距激光，输出能量大于等于5mJ，通过分光镜，卡塞格林望远单元出射，准备照射目标。

步骤3：目标指向。根据广播星历或者全球定位导航系统获得目标大致位置，调动卡塞格林望远镜对准目标并接收脉冲激光测距激光回波，接收孔径Φ30mm，瞄准镜视场6.5°，瞄准镜放大倍率7×；如此即可获得目标的距离信息。

步骤4：可见光光学成像。通过分光镜将1064nm激光传输到激光测距仪中进行测距，获得目标距离信息，同时可见光相机探测通过分光镜反射的380nm-780nm的可见光，对目标进行成像探测，获得目标图像信息，进而获得目标在图像上的像元位置，根据获得的像元像素数据信息坐标转换，然后即可获得目标二维位置信息。其中可见光光学相机可成1920*1080分辨率的图像。

步骤5：坐标转换。将光学相机采集到的目标轨迹点通过坐标转换将像素坐标系变换到图像坐标系，然后变换到相机坐标系，最后变换到世界坐标系。每次采集到一个目标点的像素坐标就进行一次坐标转换，当采集完成时即可在世界坐标系观察到转换完成的目标点图。

步骤6：轨迹拟合拼接。将世界坐标系上的点图通过最小二乘法信息处理将采集到的分段点迹或目标轨迹完善并进行拟合拼接。

步骤7：脱靶量修正。为实现目标跟踪功能，通过编码器单元检测光学成像单元所获得图像中目标在图像中相对于图像中心的距离，若所探测目标不在所测得图像中心，目标在图像中的位置与图像中心的距离成为脱靶量，编码器将所测得脱靶量传输到计算机，并控制机械转台转动并带动激光测距单元、卡塞格林望远单元、光学成像单元，使卡塞格林望远单元对准目标，光学成像单元所成图像目标位置与图像中心脱靶量无限趋近于0，以保证目标保持在图像中心。但事实是脱靶量很难为0，在这里记为常数，通过编码器输出，并在坐标转换时加以修正，使用修正后的坐标进行坐标转换可实现更高精度的定位定轨。x轴脱靶量为g， y轴脱靶量为h，z轴误差为l，其中x、y轴的脱靶量单位为像素，需要进一步转换为长度单位，转换后用x轴脱靶量用j表示，y轴脱靶量用k表示，表示像素坐标系原点在图像坐标系上的横坐标，/>表示像素坐标系原点在图像坐标系上的纵坐标，/>表示对g进行微分，/>表示对h进行微分，转换公式如下：/>

步骤8：精度补偿。若当前目标探测精度不足以达到要求，则调用其他平台上的光学成像单元与测距激光发射/ 接收单元开始工作，实现接力探测，按照上述步骤1至步骤7开始对目标进行光学成像与脉冲激光测距，同样获得目标的二维位置信息与距离信息。

坐标转换具体为：

利用光学相机获得的目标坐标，即可获得目标在世界坐标系的运动信息。需要4种坐标系和定义相关位置，坐标系世界坐标系、包括光学相机坐标系、图像物理平面坐标系、图像像素平面坐标系。相邻两种坐标系变换时采用先平移再旋转的顺序，且旋转时采用先旋转z 轴，再旋转y轴，最后旋转 x轴的顺序。

首先需要将坐标系从世界坐标系转换到光学相机坐标系，涉及到旋转和平移（所有的运动也可以用旋转矩阵和平移向量来描述）。绕着不同的坐标轴旋转不同的角度，得到相应的旋转矩阵，绕z轴旋转时，z轴不变，绕z轴旋转示意图如下图4所示：

将世界坐标系绕z轴转角度，可得如下公式：

其中，、/>、/>为所探测目标绕z轴旋转前在世界坐标系的坐标，x、y、z为目标经过坐标转换中绕z轴旋转后在光学相机坐标系的坐标；将上式矩阵化，用矩阵表示则可获得变换矩阵以及世界坐标系转化为相机坐标系的变化关系，如以下公式所示：

同理，当世界坐标系绕x轴，y轴分别旋转角度和/>角度时可得到如下公式：

联合以上三个公式，于是可得到将世界坐标系转换为相机坐标系的旋转矩阵，其中/>、/>、/>为坐标变换矩阵。/>

那么从世界坐标系到相机坐标系的转换关系如下所示

上式中、/>、/>为目标在世界坐标系的坐标，/>、/>、/>为目标坐标转换后相机坐标系的坐标，/>为平移矩阵，上式可以简化为

完成全部目标轨迹的拟合还需要将相机坐标系转换为图像坐标系。因为相机坐标系存在成像视轴，因此相机坐标系为三维坐标系，而图像坐标系为二维坐标系，因此，从相机坐标系转换到图像坐标系，属于透视投影关系，图像坐标系为相机坐标系的投影，该坐标转换为从三维转换到二维，如图5所示，利用三角形相似性可计算得到x与y的值：

其中，为光学相机的焦距，即光学相机到成像物面的距离。

此时光学成像所观察到的目标像点的单位还是毫米，并不是像素，需要进一步将图像坐标系转换到像素坐标系。

像素坐标系与图像坐标系在同一个平面上，这个平面在目标经过光学相机成像后的平面上，就是像面，实际上，图像坐标系和像素坐标系之间的转换就是原点以及度量单位之间的转换，相机光轴与成像平面的交点形成了图像坐标系的原点，图像坐标系的原点由于是相机的光轴上的一点，所以一般情况下处于相面中心，在描述图像坐标系是使用毫米作为单位，即图像大小，而像素平面与所形成图像的像素有关，在计算脱靶量时用像素表征，一般以几行几列来计算所以像素坐标系与图像坐标系之间的转换如以下公式所示：其中和/>表示图像坐标的微分，每一列和每一行分别代表多少毫米，即1像素等于/>毫米或者1像素等于/>毫米，转换关系如图6所示，转换公式如以下公式所示，/>为图像坐标系上目标点的横坐标，/>为图像坐标系上目标点的纵坐标：/>

上式转换为矩阵形式为

那么通过上面四个坐标系的转换就可以得到一个点从世界坐标系转换到像素坐标系的坐标。

轨迹拟合实例：

最小二乘法推导关系式如下：

，

该函数即拟合方差，该函数值达到最小值时拟合完成，求出未知数，即可获得拟合函数。该函数对未知数/>求偏导得：

其中，为拟合函数值与真实函数值的偏差平方和，/>，/>，…，/>为未知数常数，通过求解该未知常数能够获得目标轨迹拟合函数。如下是求解方程：

其中，m为所求偏差平方和个数，n为所求拟合函数的阶数，阶数越高拟合越精确。

假设目标的运动轨迹在平面的投影为直线时，可将目标视为直线运动，可使用以下直线运动公式对目标轨迹进行表征：

其中，和/>为常数，/>为平面直角坐标系上直线轨迹表达式。

选择最优使偏差平方和最小，构造相应目标函数如公式所示：

公式中，m为测量点数，也是所求偏差平方和个数，为偏差平方和。轨迹拟合时需要使其在未知数的取值内值最小，至此，问题转化为了求多元函数极值点，首先对多元函数进行对每个未知数求偏导，当偏导为0时，说明函数梯度为0，表示不能再下降，则函数在该值邻域内取最小值：

根据如上关系式，

根据上式求解即可得和/>，

假设目标的运动轨迹在XOY平面的投影为曲线时，可将目标视为曲线运动，可使用下式作为未知数曲线线路拟合公式，曲线目标函数如公式所示：

通过相同思路计算曲线拟合参数、/>、/>和/>。

图7为对无人机进行探测实验结果，获得目标点轨迹，数据处理后进行拟合，获得目标轨迹曲线，即为目标真实轨迹。

本实施方式所设计的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置与方法同时具有激光测距与光学成像功能，以及使用该系统的成像与测距功能结合本发明的轨迹拟合以及坐标转换方法实现对目标的精准定位和轨迹拟合。激光测距应用脉冲激光测距距离远、精度高的特点；光学成像系统能够实现侦察探测的目的，具有对目标稳定跟踪成像的优点；此外，在空间碎片众多的今天，本实施方式所述的定轨装置能够有效探测各种空间碎片，不仅能够协助我国卫星规避空间碎片的碰撞威胁；也能准确探测别国卫星，有效保障我国卫星不被别国卫星抓捕，保障我国卫星资产安全。本实施方式所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置将光学成像和激光测距集成到一个系统，极大节省本就宝贵的卫星、飞机载荷，能够搭载到卫星、飞机、车船等多种平台，可广泛的应用于各个探测领域，完成多种任务。

本实施方式所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置，通过多种获取信息的方式获取目标信息的多模态探测，多模态探测相较于单一模态具有更高的精度，使用可见光成像获取目标二维位置信息，同时使用空间脉冲激光测距可获取目标另一维度位置信息，将此二者信息融合后即可获得目标精确三维位置信息。

本实施方式所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置，通过多探测设备接力探测以实现更高精度探测，并将多设备探测数据拟合以获得目标精确位置信息，相较于单一设备探测，精度更高，并在坐标转换时自修正当前脱靶量，使脱靶量导致的误差进一步减小，有利于拟合时获取更准确的目标轨迹。

以上结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，是为了突出优点和有益之处，并不用于作为对本发明的限制，任何基于本发明的精神原则范围内的，对本发明的修改、实施方式的组合、改进和等同替换等，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置，其特征在于，所述装置包括：

目标观测子系统、轨迹拟合子系统、望远子系统和机械控制子系统；

所述望远子系统包括卡塞格林望远镜，所述卡塞格林望远镜用于接收目标的光信号；

所述机械控制子系统包括编码器单元、计算机单元、二维转台；

所述编码器单元用于获取目标脱靶量；

所述计算机单元用于控制二维转台和轨迹拟合子系统实现轨迹拟合；

所述的目标观测子系统、望远子系统设置在二维转台上；

所述轨迹拟合子系统设置在计算机单元上；

所述机械控制子系统安装在光学平台上。

2.根据权利要求1所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置，其特征在于，所述目标观测子系统包括可见光光学成像单元、测距激光发射/接收单元和分光镜；

所述卡塞格林望远镜与分光镜、测距激光发射/接收单元光轴平行直线串联排列；

所述测距光发射/接收单元设置在分光镜的透射方向；

所述可见光光学成像单元用于目标成像，获得目标二维位置信息；

所述测距激光发射/接收单元用于对目标测距，获得目标测距值；

所述分光镜用于将可见光与测距激光分束。

3.根据权利要求2所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置，其特征在于，所述轨迹拟合子系统包括坐标转换单元、轨迹拟合单元和信息处理单元；

所述坐标转换单元用于将测距激光发射/接收单元获得的目标测距值和可见光光学成像单元获得的目标二维位置信息进行坐标转换；

所述轨迹拟合单元用于将所坐标转换后的数据拟合为目标轨迹；

所述信息处理单元用于将所述目标轨迹进行保存、整理。

4.一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法，其特征在于，所述方法是基于权利要求1至权利要求3任一项所述的定轨装置实现的，所述方法包括：

S1：测距激光发射/接收单元发射测距激光，激光通过分光镜、卡塞格林望远镜射出；

S2：调动卡塞格林望远镜对准目标并接收测距激光回波；

S3：通过分光镜将激光传输到测距激光发射/接收单元中进行测距，获得目标测距值；

S4：可见光成像单元采集分光镜中可见光分束，对目标进行成像，获取目标二维位置信息；

S5：坐标转换单元根据目标测距值和可见光光学成像单元采集到的目标二维位置信息进行坐标变换，获取世界坐标系坐标；

S6：将世界坐标系上的坐标点通过轨迹拟合子系统进行拟合；

S7：编码器单元输出脱靶量至计算机单元，所述计算机单元根据脱靶量跟踪目标，使目标保持在图像中心，并记录脱靶量，在坐标转换时进行修正，其中，x轴脱靶量为g， y轴脱靶量为h，z轴误差为l，x、y轴的脱靶量单位为像素，需要进一步转换为长度单位，转换后用x轴脱靶量用j表示，y轴脱靶量用k表示，表示像素坐标系原点在图像坐标系上的横坐标，/>表示像素坐标系原点在图像坐标系上的纵坐标，/>表示对g进行微分，/>表示对h进行微分，转换公式如下：

。

5.根据权利要求4所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

分光镜将1064nm激光传输到测距激光发射/接收单元中进行测距，获得目标测距值；

通过分光镜将380nm-780nm的可见光分束至可见光光学成像单元中，对目标进行成像探测，获得目标图像信息，进而获得目标在图像上的脱靶量；

记录此时目标点的脱靶量，获得目标二维位置信息。

6.根据权利要求4所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法，其特征在于，所述步骤S6包括：

将世界坐标系上的坐标点通过最小二乘法拟合，将采集到的分段点迹或目标轨迹完善并进行拟合拼接。

7.根据权利要求4所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法，其特征在于，所述步骤S7包括：

通过编码器单元检测光学成像单元获得的目标在图像中相对于图像中心的距离，若所探测目标不在图像中心，目标在图像中的位置与图像中心的距离成为脱靶量；

编码器单元将所测得脱靶量传输到计算机单元，并控制二维转台转动并带动测距激光发射/接收单元、卡塞格林望远镜、可见光光学成像单元，使卡塞格林望远镜对准目标，可见光光学成像单元所成图像目标位置与图像中心脱靶量无限趋近于0，确保目标保持在图像中心。

8.根据权利要求4所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法，其特征在于，所述测距激光发射/接收单元包括10V~15VDC的Nd:YAG激光器和激光测距单元。

9.根据权利要求5所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法，其特征在于，所述可见光光学成像单元为分辨率为1920*1080的可见光光学相机。

10.根据权利要求4所述的一种空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨方法，其特征在于，所述方法还包括精度补偿，具体为：若当前目标探测精度不足以达到要求，则调用其他的可见光光学成像单元与测距激光发射/ 接收单元进行观测，按照上述步骤S1至步骤S7开始对目标进行光学成像与脉冲激光测距，获得目标的二维位置信息与距离信息。