双筒多视场太阳光度计研制

为了解决传统太阳光度计仅能测量气溶胶的局限性问题,研制了一种新型的可用于探测卷云光学性质的双筒多视场太阳光度计(BMFOVSP)。文中分别介绍了仪器的软硬件、光学平台和光路设计。仪器首次采用CCD图像处理技术跟踪太阳,跟踪精度高于1角分,解决了当有不均匀云时传统太阳光度计利用四象限跟踪太阳会不准的问题。该仪器基于VB平台可实现多波长多视场瞬时太阳辐照度的实时测量与显示;并具有电机运转、太阳图像跟踪、变视场调试等在线检测功能。初步的实验结果表明该设备测量精度高,且不同视场的强度比值可以反映云状况的变化,可在地基测量卷云光学特性参数中得到应用。

多视场星敏感器结构布局优化

星敏感器是应用于航天器的重要的姿态测量器件。多视场星敏感器与传统单视场星敏感器相比,在测量精度及可靠性方面具有明显优势,是星敏感器技术发展的重要方向。如何对多视场星敏感器的安装结构进行优化布局,获得最佳的姿态测量效果,是多视场星敏感器在设计与应用过程中需要首先解决的关键问题。从测量精度出发,对多视场星敏感器的结构布局进行优化。首先,建立了多视场星敏感器的测量模型;其次,以姿态四元数的误差协方差矩阵的迹为衡量指标,分析影响姿态确定算法(QUEST算法)精度的因素,尤其是星光矢量夹角与星敏感器姿态测量精度的关系;最后,针对不同结构布局下的多视场星敏感器进行仿真实验。结果表明,多视场星敏感器的测量精度随视轴夹角的增大而提高,且各视轴相互正交时,精度最高。

一种提高多探头星敏感器姿态测量精度的方法

受空间环境等因素影响,多探头星敏感器在轨工作时的探头间相对安装误差存在周期性变化,该误差直接影响了产品融合后姿态的测量精度.为提升产品融合后姿态的测量精度,提出了一种多探头融合姿态计算方法.该方法首先利用多个探头视场内的星点信息作为观测量对探头间安装矩阵误差进行实时估计与补偿,同时基于星点误差特性对安装阵误差估计参数进行修正来提升安装矩阵估计精度,最后设计并采用多视场选星策略选取优质星点的方法进行融合姿态计算,进一步提升安装矩阵估计精度.地面仿真及在轨数据分析结果表明该方法在实现三轴同精度的同时,精度相对于单头提升了30%以上,具有一定的工程应用价值.

多视场星敏感器近地轨道自主定位导航方法

传统航天器自主天文导航需要星敏感器、红外地平仪、磁强计等多种敏感器采集导航数据,增加了航天器的成本和复杂度。利用多视场星敏感器的特点,分别对恒星与地球进行成像,在完成姿态测量的同时,得到地心矢量信息,从而进行自主天文导航。首先建立地球几何模型,结合航天器轨道参数与多视场星敏感器的安装布局,实现各个视场内地球边缘的成像模拟,使用Steger算法提取地球边缘。综合考虑地球扁率的影响,对不同视场中观测到的地球边缘进行拟合得到精确地心矢量,最后进行基于星光角距的直接敏感地平导航仿真。仿真结果表明,在一个视场观测恒星,另外两个视场观测地球边缘的布局情况下,地心矢量精度和导航位置精度分别达到0.0172°(1σ)和190m(1σ)。

基于多视场星敏感器的三角形星图识别方法

为解决现有基于单星敏感器的星图识别中由于成像视角小,星图恒星数量不足而造成的星图识别率偏低的问题,提高星图识别的准确度和精确度,提出了一种基于多视场星敏感器的改进三角形星图识别方法;该方法通过将相同位置相同时间不同姿态角获得的多幅星图基于星图自身径向特征拼接成一幅多视角、不失真的星图,利用拼接后的星图进行星图识别,同时采用分块方式存储星对角距以及利用哈希查找提高星图识别效率;实验随机识别500幅星图,仿真结果表明,与传统的单视场星图匹配算法相比,该方法具有更高的星图识别率和匹配精度,当星图恒星数量达到30以上时,平均识别率能基本达到97%,且识别速度提高了11倍左右。

多视场遥感图像虚拟焦面拼接理论误差分析

随着遥感对地观测技术的发展,对大视场、宽幅数据的需求日益增加,经常需要通过多幅遥感图像拼接来满足图像幅宽的要求。由多台相机同轨同时成像并拼接获取大幅宽遥感图像可以解决图像幅宽的问题。目前主要采用基于匹配的图像域拼接方法或根据成像几何关系生成虚拟拼接图像的方法获取宽幅图像。而生成虚拟拼接图像的方法物理意义明确且拼接后图像具有经典成像几何关系,成为图像拼接发展的趋势。文章根据同轨多视场图像虚拟焦面拼接原理,由摄影测量严格共线方程几何定位模型推导了多台相机不同视场图像的理论拼接误差计算公式,得出拼接误差的主要误差源;并仿真实验分析了拼接理论误差对图像拼接的影响,为多台相机拼接获取宽幅图像的设计和应用提供一定参考。

基于微端面光纤面板的多孔径视场重叠复眼的视场模型

介绍了多孔径视场重叠的仿生复眼成像系统的性能,建立了基于微端面光纤面板的多孔径视场部分重叠型复眼的成像视场模型。系统地分析了选用的器件参数如顶面、侧面和角面子复眼间的视场角、视场重叠率、视场重叠距离等参数对系统性能的影响,并通过实验系统的复眼视场以及视场重叠率的测量验证了模型的有效性。实验测试显示:本文建立的视场模型与测试结果具有很好的一致性,系统侧面与角面视场的实测值与理论值的误差分别为3.58%和12%;顶面与侧面和角面的视场重叠率误差分别为3.33%和5.17%。该复眼成像视场模型为进一步研究复眼成像的目标探测和跟踪理论奠定了基础,对多孔径视场重叠仿生复眼成像系统的优化设计具有指导作用。

一种无公共视场相机位置关系的求解方法

多相机系统的标定是立体视觉测量中的一个重要问题。而当各相机间公共视场较小或无公共视场时,标定参照物不能同时出现在所有相机的公共视场,因此无法求解系统中多相机的相对位置关系。针对该类问题,论文在二维靶标标定法的基础上,提出了一种基于两轴转台的无公共视场相机位置关系的求解方法。将待标定系统固定在转台上,利用转台转动确定靶标坐标系与转台坐标系之间的相对关系;通过转动转台使二维靶标依次进入每个相机视场以分别确定转动后每个相机在靶标坐标系中的位置,并记录转动的角度;最后,结合靶标坐标系与转台坐标系关系,求解各相机之间的相对位置关系。实验结果表明,该方法具有可操作性,解算误差在0.5%以内,可较准确地确定多个光轴之间角度较大的非共视场相机位置关系。

三视场白天测星研究

白天恒星探测最大的困难在于过强的背景辐射,全天时近红外多视场探测系统将三个参数相同的探测器刚性固连在探测平台上,同时进行恒星探测。结合中国地理位置,分析了白天近红外波段三个探测视场内的恒星——背景对比度随太阳天顶角、平台方位角、平台x方向俯仰角,平台y方向俯仰角及平台高度的变化情况。结果表明,随太阳天顶角的变化,对比度近似指数增长;随平台方位角的变化,对比度呈正态分布变化;当平台有一定的倾角时,对比度变化都很低且变化范围不大,但三个视场间相差较大（相差1.5~20倍不等）;随着平台高度的变化,对比度呈指数变化明显增大;为星等修正研究奠定较好的基础。

紧凑型偏视场多光路耦合同轴四反光学系统设计

随着轻小型卫星技术的不断发展,紧凑型光学载荷成为空间光学领域一个新的研究热点。偏视场多光路耦合同轴四反光学系统具有长焦距、大视场和高轻量化水平等优点,可以更好地满足光学载荷高分辨率、多功能性、轻小型和低成本的应用需求,因此在轻小型光学遥感载荷领域有着广泛的应用前景。以高斯光学和三级像差理论为基础,对同轴四反光学系统的初始结构进行了分析。以一种适用于推扫成像的偏视场可见光、中波红外耦合成像光学系统为例,实例中可见光通道焦距4 m,工作谱段0.45~0.85μm,相对孔径1∶10,中波红外通道焦距1.6m,工作谱段3.7~4.8μm,相对孔径1∶4,各通道视场角均为1.4°×0.2°。同时对系统成像质量及公差进行了分析,从分析结果可以看出,各通道成像质量均接近衍射极限,系统光学总长优于f’visible/5.48,具有较高的压缩比,且系统的加工和装配公差较为宽松,易于实现。

基于SIFT及射影变换的多摄像机目标交接

运动目标正确交接是多摄像机视频监控中的关键,视野分界线是解决目标交接的有效工具。不需标定摄像机参数,提出了一种利用尺度不变特征变换(SIFT:scale-invariant freatures transform)及射影变换实现目标交接的算法。首先使用SIFT算法在不同视角拍摄的图像间自动生成匹配的特征点,由空间共面的特征点及其相应匹配点生成图像间的单应变换矩阵。然后由图像边界点及单应矩阵计算摄像机视野(FOV:field of view)分界线。最后利用目标位置信息及射影变换实现目标正确交接。实验结果表明本文的方法具有有效性和鲁棒性。

结合矢量像差理论的离轴三反红外光学系统设计

多谱段、大相对口径、大视场红外光学系统具有探测精度高、噪声低、能够以凝视方式获取大场景红外图像等优点,因此成为光学系统设计的一个重要研究方向。文中介绍了此类系统的一般设计思路,提出了一种结合矢量像差理论的离轴三反红外光学系统的设计方法,该方法能够大幅度提高系统的设计效率。给出了一个设计实例,其焦距值为90 mm,F数为3.0,视场角为20°×20°,能够在中波红外和长波红外两个波段清晰成像,并且在各个视场下的MTF都能够达到或者接近衍射极限,该设计实例验证了该方法的有效性和可行性。

基于多特征融合的多摄像机人体跟踪方法

在非重叠视野摄像机网络中,因视觉盲区等因素的存在,难以对人体目标进行准确可靠的持续跟踪,为此,提出一种融合主颜色特征、纹理特征和时空拓扑特征的目标跟踪算法。该算法将人体区域分割成上、中、下3个目标子块,分别利用最近邻聚类算法提取每个目标子块的主颜色信息,并计算主颜色匹配率;通过提取目标的空间纹理特征获得纹理匹配率;最后通过融合计算人体外观匹配模型。同时,根据目标关联信息的累计统计信息,采用增量学习思路建立和更新摄像机网络的时空拓扑关系。实际场景的实验表明,该算法能有效地对非重叠视野多摄像机网络中出现的人体目标进行连续跟踪,并随系统的持续运行和监控区域中新目标的不断出现,其跟踪准确度也随之提高。

带视场角限制的攻击时间控制制导律

为了实现多导弹协同攻击同一目标,根据弹目拦截几何关系,设计一种带有攻击时间控制及导引头视场限制的协同制导律。采用多项式函数推导含时间控制的导引指令,以附加反馈项的形式引入导引头视场角函数,实现对攻击时间及导引头视场角的同时约束。当已知导弹过载及导引头视场限制,导弹弹道轨迹可以由初始导弹参数确定,从而可以计算得出协同制导时间的边界值。仿真结果验证了该协同制导律的有效性。

基于多视场星敏感器的姿态确定方法

星敏感器是目前航天器姿态测量精度最高的器件,与传统的单视场星敏感器相比,多视场星敏感器可以实现三轴同样高精度的姿态测量,提高姿态测量精度;针对单视场星敏感器姿态确定问题,推导了以最小代价函数为指标的QUEST姿态确定算法;对于多视场星敏感器,通过坐标变换方法将多个视场的导航星矢量转换到同一视场中,再利用QUEST算法得到航天器姿态;最后仿真结果表明,坐标变换后进行姿态确定得到的姿态数据与单个视场所得的姿态数据相同,验证了方法的正确性。

一种实用的小目标配准方法

图像配准是图像融合技术的基本环节和首要问题,只有经过配准后的图像才能进行有效的融合。其中,小目标由于几乎无特征信息可以利用,所以常规的配准方法都不适用。针对图像识别中小目标的配准问题,分析了其配准特点,创新性地提出了先配准目标视场,再配准目标位置的方法,提出了视场配准的概念。首先运用成像原理,用焦距、分辨率和像元尺寸建立不同CCD之间的视场对应关系,利用此关系完成目标视场的截取放大,使不同CCD得到的图像视场一样大。然后在分析通常采用的最小平均绝对误差(MAD)相关匹配方法缺陷的基础上,提出用最多近邻点距离(MCD)的匹配方法来对准目标位置,完成目标质心的配准。实验结果表明,此方法可以很好地配准小目标,且误差不超过2个像素。由于其针对性强,因而具有较强的实际应用价值。

多视场低磁星敏感器及其在磁测卫星中的应用

下一代地磁导航等空间任务对地球磁场测量卫星提出了迫切的需求,高精度地磁场测量卫星需要极高的姿态测量精度和空间剩磁环境,对星敏感器提出了新的要求。针对这一需求,研究了低剩磁高精度星敏感器的改进设计方法。采用三视场分体结构设计,提高了数据更新率,通过数据融合提高了姿态确定精度,同时对光学头部进行了精细化降剩磁设计。仿真和测试结果表明,改进的星敏感器设计方法能够实现较低的剩磁和较高的定姿精度,满足地磁场测量卫星的应用需求,具有较高的应用价值。

一种多主星模型的多视场星图识别方法

甚高精度星敏感器往往需要小视场、大面阵以确保较高的角分辨率,然而视场小容易导致星图识别可靠性降低。针对多视场甚高精度星敏感器,本文提出了一种多主星模型的多视场星图识别方法。该方法首先以某一视场星敏感器为基准,利用星敏感器之间的相对安装关系,将其他视场星敏感器探测到的星点转换到基准坐标系下的矢量,然后在每个视场中各自确定一个主星,以主星为基准,利用角距信息,星等信息作为识别标识,构造多个基准三角形模型,利用分段拟合的查找方式,实现多个视场联合星图识别。以高分七号卫星国产双视场星敏为对象,利用下传的原始星图进行试验,结果表明,相对于传统多视场星图识别算法而言,本文所提出的星图识别方法识别率达到99.6%,可靠性更好。

一种基于投影不变量的目标交接改进方法

在多摄像机视频监控系统中,图像之间的视点对应以及目标的交接是重要的研究内容。不需要标定摄像机的参数,该文提出了一种利用尺度不变特征变换(SIFT:scale-invariant features transform)及融合颜色信息的投影不变量实现目标交接的方法。利用SIFT方法自动生成图像间匹配的特征点对,并由此生成视野分界线,然后利用融合颜色信息的投影不变量方法完成对多摄像机之间目标身份的确认。

基于VRUs深度事故重建的AEB效能对头部损伤风险的影响

为保护道路弱势使用群体(VRUs,含行人和二轮车骑车人)的、主被动一体化的、汽车安全性设计提供理论参考依据,该文利用高精度事故再现和事故碰撞前场景重建方法,分析了VRU事故的汽车自动紧急制动系统(AEB)的传感器探测角(FOV)及制动减速度等参数的防护效能及VRUs头部损伤风险。结果表明:FOV为30°时事故规避率为45%;当FOV增加到40°、50°和90°时,较FOV为30°事故规避率又分别增加了5%、10%和20%;在FOV为90°,减速度为0.8 g时,即碰时间(TTC)为1 s工况下,车辆平均碰撞速度降低最为明显,高达84%;AEB介入能降低VRUs与车辆前部撞击造成的损伤,但在头部落地损伤存在不确定性。