一种激光测距系统望远镜指向偏差自动修正方法

本发明涉及激光测距，尤其涉及一种激光测距系统望远镜指向偏差自动修正方法。

背景技术：

1、激光测距(laser ranging)：激光测距主要是基于飞行时间原理实现的。常见的脉冲法激光测距是通过直接测量发射波束和接收波束之间的时间间隔间接确定解算距离的。

2、望远镜机架为三轴地平装置，三轴分别为：垂直轴、水平轴、视准轴。机架三轴相互垂直，水平轴和视准轴可以绕垂直轴在水平面内旋转。望远镜装于水平轴上，其主光轴为视准轴，并与水平轴垂直。在垂直轴和水平轴分别装有轴角编码器。视准轴绕垂直轴旋转的角度由装在垂直轴的编码器给出，称为方位角。视准轴绕水平轴旋转的角度由装在水平轴上的编码器给出，称为俯仰角(高度角)。

3、星历cpf:consolidated prediction formatcpf星历是国际激光测距服务。(international laser ranging service，ilrs)的官方预报星历，目前共有11家机构提供不同目标的cpf星历，每颗目标由2-3家机构提供，该星历能提供有激光反射器的人造地球卫星的较高精度预报星历。

4、激光光尖：激光光束会在通过大气时产生一部分后向散射光，这是由于激光光束与大气中的各种物质相互作用，产生各种散射过程，包括分子的瑞利散射、气溶胶粒子的散射等。后向散射光可被slr系统中的监视相机观测到，形状为一个楔形像，即为光尖。

5、全局阈值方法：通过比较图像的峰值灰度与平均灰度，得到灰度筛选阈值，可自动适应背景及目标图像强度变化。阈值计算公式如下：其中，其中，为全局阈值；为图像平均灰度值；为峰度灰度；为比例系数，。

6、闭运算：一种图像处理方法。在闭运算方法中先对分割结果图像进行图像膨胀运算，然后在进行图像腐蚀运算，从而在消除激光光束边缘不规则区域的同时尽可能保持激光光束原有的形状。

7、霍夫变换直线检测：一种图像特征提取方法，通过把图像中的点转换为极坐标，用极坐标表示的投票机制来检测图像中的直线。

8、两行轨道根数tle:two line elements；

9、外符精度评估是指:将与待评估设备相互独立的观察装置获得的高精度星历数据与待评估设备实际测量的观测数据进行比较，以确定待评估设备的测量精度。

10、边缘是指周围像素灰度的阶跃变化或屋顶状变化的那些像素的结合。传统的边缘检测如roberts,sobel,prewitt,krisch,laplacian和canny边缘检测算子等，对噪声敏感，在实际图像处理中效果并不理想。

11、sobel算子：sobel算子是基于一阶微分的边缘检测方法。首先进行邻域平均或加权平均。然后进行一阶微分处理，检测出边缘点。sobel算子对于像素位置的影响进行了加权，可以降低对边缘的模糊程度。传统的sobel算子有两个：一个是检测水平边缘，另一个是检测垂直边缘。

12、电离耦合器件(ccd,charge-coupled device)是一种半导体器件，是由二十世纪六十年代末期贝尔实验室研究并发明而来的电荷耦合器件。自上世纪八十年代发展至今，ccd已经得到了广泛普及的应用，特别是在卫星观测领域，ccd起到了不可替代的作用与深远的影响。

13、图像采集卡是一种将图像信息从模拟信号转换为数字信号的设备，常被称作为图像捕获卡。之所以需要利用图像采集卡是因为ccd摄像机一开始输出的是模拟信号，计算机为了能够更好的处理图像上的有用信息，需要对模拟信号类型进行转换。

14、边界跟踪的基本方法：边缘跟踪从图像左上角开始逐像素扫描，当遇到边缘点时，则开始顺序跟踪，直到其后续点再没有新的后续点。边界跟踪对于边界点的判断精确，跟踪后产生的轮廓边缘宽度只有一个像素，而且整个边界连续无中断。

15、opencv(open computer vision library)是由英特尔公司位于俄罗斯的研究室所研发，它是一套可免费获得的、由一些c函数和c++类所组成的库，主要用于对图像进行一些高级处理，如特征检测与跟踪、运动分析、目标分割与识别以及3d重建等。

16、自1960年代首台激光器诞生以来，激光技术在国防及民用领域的地位日益凸显。作为激光领域的典型应用，激光测距技术已被广泛应用于空间目标监测、工业测距和三维扫描测量等多个领域。在空间目标监测方面，高精度激光测距技术对于提升目标轨道测定精度、预报能力、编目精度以及预警能力等方面发挥着至关重要的作用。

17、空间目标激光测距通常测量激光脉冲信号往返于地面站与空间目标飞行时间，获取目标高精度距离信息。根据观测目标的不同，激光测距系统分为卫星激光测距系统(satellite laser ranging,slr)、空间碎片激光测距系统(debris laser ranging,dlr)以及月球激光测距(lunar laser ranging,llr)等。目前空间目标激光测距系统正向着小型化、高精度、自动化发展。

18、激光测距系统主要由五大部分组成：观测望远镜、激光发射器、光电接收系统、跟踪控制系统以及时间频率系统。作为一种高精度测量系统，激光测距系统各部分产生的误差直接影响测距结果。对于一台地平式望远镜，存在两大类误差；偶然误差及系统误差。其中，偶然误差包括风对水平轴的影响、轴系无规则的晃动、环境及温度变化的误差等。偶然误差具有随机性，该类误差不能被修正，只能尽量将其影响降至最低。系统误差主要包括垂直水平两个方向的误差、机械形变导致的误差等。与偶然误差不同，系统误差虽可通过调整或修正来降低，但无法彻底消除，仍会存在残余误差。由于以上误差的存在，导致了望远镜标定的指向位置与目标实际位置之间的偏离，这就产生了指向偏差。

19、望远镜指向偏差是影响激光测距系统精密跟踪、瞄准目标的重要因素。除了测距系统结构带来的偏差外，卫星星历预报偏差也是导致望远镜指向偏差的主要原因。卫星星历预报是激光测距工作实现的基础和前提，其研究思路是基于卫星星历和台站信息生成观测一览表，进而生成卫星跟踪指令，引导望远镜对在轨卫星进行实时跟踪。卫星预报的精度取决于卫星星历的精度以及计算过程的精度损失情况。目前ilrs提供的cpf格式卫星星历采用了比较完善的力学模型和轨道计算模型，同时还包含了一些跳秒之类的信息并为不同类型的目标提供了相对论改正等信息，可满足绝大部分激光测距的修正。但对于一些特殊的卫星，如近地卫星、不规则卫星以及非合作目标等，大气阻力产生的显著影响以及不规则形状给数学建模带来的困难，使得卫星星历预报的精度无法得到保障。因此，尽管望远镜依据卫星星历可以捕获卫星，使其进入观测视场，却无法确保卫星能够准确进入观测的灵敏区域，从而难以获取到有效的观测数据。

20、综上，在slr实际观测过程中，由于上述误差的存在，使得激光测距系统获取的星历位置与实际望远镜指向位置存在一定偏差，产生了指向误差。随着时间因素的推移，受各种因素的影响，其指向精度将不同程度变坏，严重影响了系统性能。为了提高slr系统探测成功率，获取有效的测距结果，需要及时修正激光测距系统望远镜的指向偏差。

21、现有技术方案一：天球上的天体广泛分布在全天区，其位置可以准确计算，是望远镜指向误差修正的理想标准源。对于白天激光测距或卫星在地影跟踪时，恒星标效法可以有效修正望远镜的指向误差。该方法的原理是：利用天文年历，计算出某颗星相对于测站的视位置，同时利用图像采集系统采集恒星图像，测出该星与理想位置的偏移量。通过测量上半天球上均匀分布的恒星作为固定的观测目标，记录观测数据，即可建立望远镜指向误差模型，从而对其进行修正。

22、在上述方法中，通常采用ccd来采集恒星图像，主要包括：ccd及图像卡等硬件系统用于采集恒星图像数据；使用高精度的计数器、gps提供的秒信号和标准10mhz信号开发了用于观测软件的时间频率系统；使用vc++6.0编制了包括用于计算恒星位置及图像采集和处理的观测程序，并用matlab编制了用于处理观测数据的程序。基于恒星标效法修正望远镜指向误差具体工作过程如下：

23、通过星表中恒星的天球位置、自行等信息，计算出恒星的地平坐标值(,)，由计算机读取恒星的方位高度参考值，望远镜伺服跟踪系统控制望远镜的方位和高度，当星像出现在望远镜视场中并等待望远镜跟踪稳定之后，从方位和高度编码器中读取当前实际观测值(,)，采取适当的方法测出恒星星像中心偏离光轴中心的距离(,)，将恒星对应的观测值和计算值一一记录下来，如果考虑望远镜伺服跟踪系统的跟踪误差o-c值，系统引起的误差就可以表示成如下形式：

24、δa＝a0-ac+δa

25、δe＝e0-ec+δe

26、常用的望远镜机架模型为一种系数具有实际物理意义的基本参数模型，形式如下：

27、δa＝x1+x4tane+x5 sece+x6 cosatane+x7 sinatane

28、δe＝x2+x3 cose+x6 sina+x7 cosa

29、式中a，e为恒星的方位和高度，x1表示方位零点差，x2表示高度零点差，x3表示镜筒重力变形差，x4水平轴与垂直轴不正交差，x5光轴与高度轴不正交差，x6表示方位轴东西倾斜差，x7方位轴南北倾斜差。

30、如果观测得到n组数据，那么就可以由模型公式得到2n个观测方程，采用最小二乘法来求解七个未知数，并可计算出衡量各个参数可靠性的误差模型参数的精度。最小二乘法可以用矩阵运算的方法来实现，使用matlab软件进行矩阵运算十分方便，因此使用matlab软件编程计算模型参数，具体算法如下：

31、a2n,7a7＝b2n

32、

33、

34、

35、

36、其中分别为计算得到的模型参数及其误差，a2n,7为模型系数矩阵，x7为模型参数列向量。在进行人卫激光测距时，在卫星的预报资料中加入由模型计算所得的修正量δa，δe，可以改善望远镜的指向精度；

37、缺点：并未考虑卫星星历预报自身偏差对望远镜指向偏差的影响，修正后的望远镜指向精度有待进一步提高。望远镜需要瞄准恒星，无法兼顾观测目标，且标定时间过长，难以解决观测实时性和快速性问题。捕获到的恒星星点光斑为点状，通常以点状光斑中心作为该恒星的测量位置，但是实际情况中设备难以准确瞄准光斑的中心。对测量条件要求较高，需要准确的时间和测站坐标，同时定标恒星数量过少，指向精度受到限制。望远镜指向精度依赖望远镜机架模型的选取，理论模型与实际测量参数具有一定误差，不利于指向精度的进一步提高。望远镜机架模型参数的测量与望远镜系统结构参数有关，不同机架结构的望远镜其参数测量结果不同，限制了该方法的通用性。

38、现有技术二：在卫星激光测距的过程中，激光指向脉冲会与空气中的大气分子或粒子发射散射作用，包含大气分子之间的瑞利散射、激光与气溶胶粒子之间的散射等。散射作用使得激光脉冲在发射过程中，产生了一部分与发射方向相反的散射光，可在发射端ccd上成一个楔形像，即为光尖。对于激光测距系统来说，灵敏区在ccd中的成像区域是固定的，短时间内卫星在ccd中的成像位置可以任务是固定不变的，可以根据图象解算卫星和激光光尖相对于灵敏区的位置参数，修正望远镜的指向偏差，实现望远镜对卫星的精密跟踪踪观测。图2为观测望远镜实拍的ccd图像，此时激光散射光尖、目标观测卫星均位于同一观测视场内。为了修正望远镜指向偏差，通常在slr系统中构建图像处理子系统。利用相机获取卫星与激光光束图像，实时计算激光光尖和卫星的位置坐标数据，并通过人机交换界面显示激光光束光尖位置偏差量和卫星位置偏差量，再由观测人员将激光光尖及卫星位置人工调整至视场中心，完成激光束指向调整以及目标预报修正。对采集到的图像进行处理，主要包括目标识别和目标定位两部分，算法的具体实施过程为：对原始图像进行预处理，利用滤波技术进行去噪，减小图像的模糊程度；搜寻图像中感兴趣的目标，基于灰度阈值分割的方法，分离卫星与光束图像；采用带阈值的质心法计算卫星质心坐标。该方法相当于在原图像中去除背景，仅对大于背景阈值t的像素点求取质心；利用边界跟踪法获取激光束边缘轮廓，采用数值方法进行直线拟合，上下边缘各自可以拟合出一条直线，计算2条子线的交点，近似为光尖位置坐标。

39、存在缺点：在上述方法中，需要利用ccd获取卫星及激光图像。然而，在白天激光测距或天空背景较亮的情况下，激光测距系统面临强烈的噪声干扰。尤其对于观测对象为体积小且远距离的人造卫星时，ccd在放大观测目标的同时也将放大背景噪声，使得原本较小的卫星极易被噪声淹没，无法获取观测目标有效图像。此时，只能依靠人工进行“盲搜”，这极易导致观测失败，无法获取有效回波。在上述方法中，每颗卫星的搜寻工作都需要耗费地面观测人员大量的精力，人眼往往也难以辨别不规则的激光散射光束形态。传统的修正方式不仅需要人们投入极大的工作量，修正效率也很低下。在上述方法中，尽管采用数字图像处理技术可提取ccd激光图像中的特征信息，减少人工搜索卫星的工作量，降低因人工判断产生的偏差，但往往需要利用ccd采集多帧图像进行图像处理，耗费时间过长，无法满足系统实时性的需求。在上述方法中，若观测目标为近地星或空间碎片，其运行速度较快，目标实际位置与图像采集的图像位置相差较大，无法满足系统观测需求，极易导致观测失败。

技术实现思路

1、本发明实施例的主要目的在于提出一种激光测距系统望远镜指向偏差自动修正方法，旨在设计一种激光测距系统望远镜指向偏差自动修正方法。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种激光测距系统望远镜指向偏差自动修正方法，包括以下步骤：

3、获取观测目标图像；

4、采集激光后向散射光尖，并计算激光光尖相对于视场中心的脱靶量，利用折轴光学系统中的45°偏转镜对光路进行微调；

5、当观测目标可见时，采集观测目标图像，结合望远镜收发光轴平行性修正后激光光尖位置，获取激光光尖与卫星质心的像素偏差量，将像素偏差转换为角度偏差，调整望远镜指向，使卫星质心与激光光尖重合；并将激光出光方向锁定视场中心；

6、当观测目标不可见时，实时修正卫星预报，利用光栅螺旋搜索方法对不可见的目标进行搜索；

7、当获取回波信号时，对观测目标的成功跟踪及捕获，目标搜索模块停止工作；当未成功获取回波信号时，目标搜索模块依据算法继续对锁定区域进行扫描，直至获得回波信号。

8、进一步地，所述采集激光后向散射光尖，并计算激光光尖相对于视场中心的脱靶量，利用折轴光学系统中的45°偏转镜对光路进行微调步骤包括：

9、利用线性变换图像处理技术获取激光光尖图像结果；

10、将激光光尖图像结果进行中值滤波处理；并采用全局阈值方法对增强去噪后的激光光束图像与背景进行分割，获取激光光束的二值图像；利用闭运算对分割后的图像进行处理，得到光滑的激光光束图像；

11、采用canny算子对激光光束图像进行处理，获取激光边缘信息；

12、利用霍夫变换图像特征提取方法获取激光光尖相对于视场中心的脱靶量；

13、根据将激光光尖位置与望远镜视场中心的偏靶量，利用45°偏转镜对光路进行微调。

14、进一步地，所述采用canny算子对激光光束图像进行处理，获取激光边缘信息的步骤包括：

15、使用高斯滤波器平滑图像，滤除噪声，高斯滤波器核计算公式为：

16、

17、计算图像中每个像素点的梯度强度和方向，将卷积模板分别作用x和y方向，再计算梯度幅值和方向，计算公式为：

18、

19、

20、

21、

22、对于每个像素点，采用非最大抑制技术对非边缘像素进行过滤；

23、确定真实的和潜在的边缘；设定一个阈值上界和阈值下界，对图像中大于阈值上界的像素点认为必然是强边界，小于阈值下界则认为必然不是边界，阈值上界和阈值下界中间的像素点认为是弱边界；认为弱边界与强边界相连的是边界，不相连的弱边界被删除。

24、进一步地，所述利用霍夫变换图像特征提取方法获取激光光尖相对于视场中心的脱靶量的步骤包括：

25、创建一个参数空间，参数空间是ρ和θ的二维矩阵，其中，θ的范围在0–180之间；

26、逐像素扫描图像找到边缘像素，并通过使用从0到180的θ值来计算每个像素的ρ；

27、在参数空间中对其投票，投票超过一定阈值的ρ和θ的值被视为直线；

28、结合霍夫变换获取的激光光尖像素位置，计算激光光尖位置相对于图像中心的偏差量；假设激光光尖像素位置为(xlaser，ylaser)，图像中心位置为(xcenter，ycenter)，则激光光尖相对于图像中心的偏差量为：

29、

30、计算激光发射光轴相对于视场中心的脱靶量信息，计算公式为：

31、

32、式中，δa、δe表示脱靶量；kx、ky表示像素偏差量与脱靶量之间的转换系数；e表示望远镜高度；kx、ky计算公式如下：

33、

34、式中，psize表示监视相机像元尺寸，f为系统焦距。

35、进一步地，所述当观测目标可见时，采集观测目标图像，结合望远镜收发光轴平行性修正后激光光尖位置，获取激光光尖与卫星质心的像素偏差量，将像素偏差转换为角度偏差，调整望远镜指向，使卫星质心与激光光尖重合；并将激光出光方向锁定视场中心步骤包括：

36、观测目标图像多帧图像叠加，再对像素灰度取均值，设定阈值，将图像中的卫星和背景进行分割，消除背景；

37、通过提取的卫星像素位置获取原图像中的卫星像素的灰度值，以原图像中的灰度值作为权重，加权计算获取坐标均值，即卫星质心坐标，表达式为：

38、

39、其中，(x0,y0)表示卫星质心位置，f(x,y)表示原图像光强分布，(x,y)表示卫星位置坐标；

40、设激光光尖像素坐标为(x1，y1)，卫星质心像素坐标为(x2，y2)，则二者之间的像素偏差量为：

41、(δx,δy)＝(|x1-x2|),(|y1-y2|)

42、将像素偏差量转换为望远镜指向弧度差(δx，δy)，转化公式为：

43、

44、其中，f表示slr系统望远镜的光学焦距，μ表示slr系统中监视相机的像素大小；

45、根据角度偏差调整望远镜指向，使卫星质心与激光光尖重合。

46、进一步地，所述当观测目标不可见时，实时修正卫星预报，利用光栅螺旋搜索方法对不可见的目标进行搜索的步骤包括：

47、将目标卫星上一弧段的残差进行最小二乘拟合获得卫星时间偏差，计算公式为：

48、

49、式中，δρi(t)为残差；为卫星径向速度；b为距离偏差；τ为时间偏差；

50、根据时间偏差修正卫星下一弧段的预报，表达式为：

51、

52、采用光栅螺旋扫描算法对不可见的目标进行搜索。

53、与现有技术方案相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

54、1、本技术引入收发光路修正技术，通过实时计算激光光尖与视场中心脱靶量，自动调整望远镜转向，减少了人工干预的需求，提升了观测的精确性和效率。

55、2、本技术将望远镜指向修正分为可见单元与不可见单元，使其在各种条件下都能实现更为精准和稳定的观测，显著提升了激光测距系统的适应性。

56、3、本技术充分考虑了预报误差对望远镜指向精度的影响，当观测目标不可见时，采用时间偏差修正预报的方法，有效减小搜索区域，降低搜索难度，改善了系统的工作效率及操作性。

57、4、当观测目标不可见时，本技术采用搜索算法对搜索区域进行高效扫描，不依赖人工进行“盲测”，避免了人工操作引起的误差，有效提高了系统的工作效率及自动化程度。

58、5、当观测目标不可见时，本技术不依赖多帧图像处理技术解算观测目标图像，而对指定范围进行扫描，即时获取观测目标的有效信息，同时实现硬件控制跟踪，显著提高了工作效率及实时性。

59、6、当观测目标不可见时，本技术不采用恒星标效法构建望远镜指向误差模型，采用直接测量观测目标，与机架结构、光学参数、测量环境参数无关，具有更好的适应性及通用性。

60、7、本技术采用回波信息作为望远镜指向修正成功的判断依据。若系统接收未有效回波，则通过可见单元或不可见单元获取指向误差，望远镜控制子系统收到误差反馈结果，循环修正望远镜指向，实现闭环校准与跟踪，有效提高了望远镜的指向精度及稳定性。

61、8、当观测目标可见时，本技术采用图像处理技术，消除干扰星象，实现观测目标动态监测。