一种用于返回式航天器的分离速度测量方法
【专利摘要】本发明提出的一种用于返回式航天器的分离速度测量方法，利用单目监视相机连续成像拍摄返回式航天器与服务舱分离的图像序列，将图像序列按照从分离前至完成分离的时间先后顺序进行人工排序并进行畸变校正，通过对图像进行色彩分割、物体边缘检测、获取边缘，得到分离速度。该测量方法利用重量较轻的监视相机，实现了一种较为简便的返回式航天器在轨分离速度测量。
【专利说明】
一种用于返回式航天器的分离速度测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及返回式航天器在分离时刻的分离速度测量方法，具体为利用经过标定 的单目监视相机，实现在分离时刻的相对速度测量。
【背景技术】
[0002] 传统航天器分离速度测量主要依赖于雷达测量或者激光测距仪。在地面使用雷达 进行相对速度测量时，在航天器中安装激光测距仪进行连续距离测量时能够获得较高的精 度，但激光测距仪设备复杂、占用资源多、费效比低。
【发明内容】
[0003] 本发明的技术解决问题是利用单目监视相机，在深空背景环境中对返回式航天器 (以下简称为"返回器"）分离过程进行拍摄，得到精确的相对分离速度。
[0004] 本发明提出的一种用于返回式航天器（返回器）的分离速度测量方法，包括以下 步骤：
[0005] 1)利用单目监视相机连续成像拍摄返回式航天器与服务舱分离的图像序列；
[0006] 2)图像序列按照从分离前至完成分离的时间先后顺序进行排序并通过单目监视 相机畸变标定的参数校正图像畸变；
[0007] 3)对图像进行色彩分割，将返回式航天器与深空背景分离；
[0008] 4)通过canny算子对步骤3)获得的图像进行边缘检测，用于获得返回式航天器边 缘，以便计算返回式航天器长轴在像面的长度；
[0009] 5)根据所提取的返回式航天器的边缘进行霍夫变换获得返回式航天器底面椭圆 形结构的长轴长度；
[0010] 6)根据步骤5)获得的椭圆的长轴长度，通过小孔模型计算出每张图像对应的返 回式航天器与相机的距离；
[0011] 7)根据步骤2)所得到图像序列以及步骤6)获得的每张图像对应的返回式航天器 与相机的距离，通过最小二乘法拟合，得到分离速度。
[0012] 本发明提出的测量方法利用重量较轻的监视相机，实现了一种较为简便的返回式 航天器在轨分离速度测量。
【附图说明】
[0013] 图1是返回器分离过程图像；图1(a)-(v)为分离过程图像手动排序的序列图；
[0014] 图2是返回器与深空背景颜色分割图；
[0015] 图3是返回器底面椭圆形边缘提取示意图；
[0016] 图4是通过霍夫变换获得返回器底面椭圆形结构图；
[0017] 图5是返回器分离速度拟合结果。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图及【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0019] 对于安装在服务舱上的拍摄返回式航天器（返回器）图像所用的单目监视相机的 要求如下：
[0020] (1)单目监视相机分辨率至少需要达到640*480像素。
[0021] (2)单目监视相机安装要求在分离过程中，至少有2帧图像能够完整覆盖返回器。 相机的光轴指向需要指向分离场景的中心处。为了实现完整覆盖，相机视场角需要满足以 下算式：
[0022] 2arctan (D/2/(L〇+vsnt)) < 9 < 2arctan (D/2/(L〇+vs (n+1) t)) (0.1)
[0023] 其中0为所需要的相机视场角，D为分离场景的最大包络直径，L。为未分离时刻 分离场景中心与相机的距离，v s为分离速度，t为连续拍摄间隔时间，n为第n帧拍摄到的 分离图像。满足式（〇. 1)即满足了在分离过程中2帧图像能够完整覆盖返回器。
[0024] (3)单目监视相机需要经过畸变标定，通过畸变标定确定参数，以用来校正返回器 图像的畸变。畸变的数学模型如式所示：
[0025] 8 x= k iX (x2+y2) + (Pi (3x2+y2) +2p2xy) +Si (x2+y2)
[0026] 8 y= k 2x (x2+y2) + (p2 (3x2+y2) +2piXy) +s2 (x2+y2) (0? 2)
[0027] 其中S ^ x方向的畸变，S $ y方向的畸变，k p k2, Pl，p2, Sl，s2为测得的畸变 参数。通过畸变校正的图像符合相机成像小孔模型，该模型在本算法中用于求解返回器与 相机的距离。
[0028] 返回器实体应该满足以下要求：
[0029] 1?返回器底部为正圆形。
[0030] 2.返回器底部在正常曝光拍摄时，获取的图像与深空背景有明确的区分，即获得 的返回器底部图像与深空背景的DN值差异大于40。
[0031] 拍摄时需保证曝光时间使返回器的最大外轮廓可以在图像中提取。
[0032] 对返回式航天器分离速度进行测量的主要步骤如下：
[0033] 第一步，利用单目监视相机连续成像拍摄返回器与服务舱分离的图像序列，如图1 所示，该序列经过手动排序。
[0034] 第二步，图像序列按照从分离前至完成分离的时间先后顺序进行排序并进行畸变 校正，以使畸变校正的图像符合相机成像小孔模型。
[0035] 第三步，对图像进行色彩分割，将返回器与深空背景分离，色彩分割采用的算法如 式（〇. 3)所示： , \Kx,y) (i(x,y)>T)
[0036] I(x,y) = i { 255 (i(x,y)<T) (〇? 3)
[0037] T为分割阈值，根据在轨拍摄情况选择合适的分割值，该值计算方法如所示：
[0038] T = (Aspace+Aprobe)/2 (0. 4)
[0039] 其中Asp_为深空背景的平均DN值，A p-为返回器的平均DN值。
[0040] 以某返回航天器为例，对图像进行色彩分割，阈值取128,分割结果如图2所示
[0041] 其中I (x，y)是（x，y)点处色彩分割后结果图像，i (x，y)是（x，y)点处的原始图 像。如果是彩色图像，则i (x，y)的计算方法如式（0. 5)所示：
[0042] i (x，y) = (R(x，y)+G(x，y)+B(x，y))/3 (0. 5)
[0043] R表示红色通道DN值，G表示绿色通道DN值，B表示蓝色通道DN值。
[0044] 第四步，物体边缘检测：通过canny算子（Canny算子边缘检测是一组标准方法） 对上一步的结果图像进行边缘检测，用于获得返回器边缘，边缘提取如图3所示，以便计算 返回器直径（长轴）在像面的长度。
[0045] 第五步，根据所提取边缘返回器的边缘进行霍夫变换（霍夫变换是一组标准方 法）获椭圆信息，即获取返回器底面椭圆形结构的长轴长度，如图4所示。
[0046] 第六步，根据步骤五获得的椭圆的长轴长度，通过小孔模型计算出每张图像对应 的返回器与相机的距离，如式所示：
[0047] r = Dphyf/Nd (0? 6)
[0048] 分离监视相机焦距为f，像元尺寸为d，返回器底面圆盘直径为N个像素，d为像元 尺寸，D phy为返回器底面圆盘的物理尺寸，r即为返回器与相机的距离。
[0049] 第七步，根据步骤二所得到图像序列及步骤六获得的每张图像对应的返回器与相 机的距离，通过最小二乘法拟合，得到分离速度，如图5所示。
[0050] 设连续成像时图像拍摄时刻为t = (tptytj，对应的每张图像所获得返回器与 相机的距离为r = (rl，r2…rn)，则分离速度V如式（0.7)所示 ：
[0052] 本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。
【主权项】
1. 一种用于返回式航天器的分离速度测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 利用单目监视相机连续成像拍摄返回式航天器与服务舱分离的图像序列； 2) 图像序列按照从分离前至完成分离的时间先后顺序进行排序并通过单目监视相机 畸变标定的参数校正图像畸变； 3) 对图像进行色彩分割，将返回式航天器与深空背景分离； 4) 通过canny算子对步骤3)获得的图像进行边缘检测，用于获得返回式航天器边缘， 以便计算返回式航天器长轴在像面的长度； 5) 根据所提取的返回式航天器的边缘进行霍夫变换获得返回式航天器底面椭圆形结 构的长轴长度； 6) 根据步骤5)获得的椭圆的长轴长度，通过小孔模型计算出每张图像对应的返回式 航天器与相机的距离； 7) 根据步骤2)所得到图像序列以及步骤6)获得的每张图像对应的返回式航天器与相 机的距离，通过最小二乘法拟合，得到分离速度。2. 根据权利要求1所述的一种用于返回式航天器的分离速度测量方法，其特征在于， 步骤3)所述的色彩分割的方法如下：T为分割阈值，根据在轨拍摄情况选择合适的分割值，该值计算方法： T = (Aspace+Aprobe) /2 (2)， 其中Asp_为深空背景的平均DN值，A prab^返回式航天器的平均DN值， 其中I (X，y)是（X，y)点处色彩分割后结果图像，i (X，y)是（X，y)点处的原始图像； 如果是彩色图像，则i (X，y)的计算方法： i(x.y) = (R(x, y)+G(x, y)+B(x, y))/3 (3)， 其中R表示红色通道DN值，G表示绿色通道DN值，B表示蓝色通道DN值； 步骤6)中当返回式航天器底面圆盘直径为N个像素时，所述的返回式航天器距离相机 光心的距离： r = Dphyf/Nd (4) 其中r为返回式航天器底面距离相机光心的距离，d为像元尺寸，Dphy为返回式航天器 底面圆盘的物理尺寸，f分离监视相机焦距为； 步骤7)中，当连续成像时图像拍摄时刻为t= (tpV-O，对应的每张图像所获得返 回式航天器与相机的距离为r = (Γι，巧…rn)，则分离速度V :3. 根据权利要求1或2任一权利要求所述的一种用于返回式航天器的分离速度测量方 法，其特征在于，所述的单目监视相机满足以下要求： 单目监视相机分辨率至少需要达到640*480像素； 单目监视相机安装要求在分离过程中，至少有2帧图像能够完整覆盖返回式航天器； 单目监视相机经过畸变标定，确定用以校正图像畸变的相关参数。4. 根据权利要求3所述的一种用于返回式航天器的分离速度测量方法，其特征在于， 相机视场角满足以下要求，以实现至少有2帧图像能够完整覆盖返回式航天器： 2arctan (D/2/(L〇+vsnt)) < θ < 2arctan (D/2/(L〇+vs (n+1) t)) (6)， 其中Θ为所需要的相机视场角，D为分离场景的最大包络直径，L。为未分离时刻分离 场景中心与相机的距离，Vs为分离速度，t为连续拍摄间隔时间，η为第η帧拍摄到的分离 图像； 所述的单目相机畸变方法为： δ x= k iX (x2+y2) + (P1 (3x2+y2) +2p2xy) +S1 (x2+y2) δ y = k 2x (x2+y2) + (p2 (3x2+y2) +2p!xy) +s2 (x2+y2) (7)， 其中S 方向的畸变，δ 方向的畸变，k p2，Sl，s2为测得的畸变参数。5. 根据权利要求1或2任一权利要求所述的一种用于返回式航天器的分离速度测量方 法，其特征在于，获得的返回式航天器底部图像与深空背景的DN值差异大于40。
【文档编号】G01P3/68GK105891535SQ201510036002
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月23日
【发明人】薛博, 顾征, 张伍, 彭兢, 邓湘金, 邹昕, 陈丽平, 王彤, 温博
【申请人】北京空间飞行器总体设计部