專利名稱：一種敏感器主安裝盒和被動式光學敏感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及航天技術(shù)領域，特別是指一種能夠發(fā)射經(jīng)過編碼的脈沖式激光照射合作目標并通過像機成像的敏感器主安裝盒，以及被動式光學敏感器。
背景技術(shù)：
空間交會對接是指兩個或兩個以上的航天器在軌道上按預定的位置和時間會合(交會)，然后在結(jié)構(gòu)上連接成一體(對接)的全部飛行動作過程。用于空間交會對接姿態(tài)測量與估計的主動傳感器有激光掃描儀與測距敏感器，例如激光雷達等。這類敏感器雖然能夠在較大的距離范圍內(nèi)提供準確的相對位置與姿態(tài)信息，但是一般價格昂貴，能耗大，而且用途有限。而使用像機作為敏感器，再輔以先進的圖像處理和跟蹤算法，不僅能夠為航天器交會對接的過程提供準確的全部6自由度相對位置、姿態(tài)信息，而且性價比更高。同時，像機還可以用于其它用途，例如為宇航員提供視頻圖像，從而便于宇航員對交會對接過程的監(jiān)督與控制。美國馬歇爾空間飛行中心(Marshall Space Flight Center)經(jīng)過近20年的研究，開發(fā)出了一種名為高級成像導航敏感器(Advanced Video Guidance Sensor, AVGS)的設備，該設備中包含兩組激光二極管，波長分別為800納米和850納米，激光經(jīng)透鏡射出，被合作目標反射后，由像機進行成像，再經(jīng)過硬件、軟件和固件的處理以后得到兩航天器間的相對位置與姿態(tài)。合作目標中含有濾鏡，僅允許一定波長的光透過并被反射。此外，合作目標在目標航天器上的安裝方式已經(jīng)被預先存入導航敏感器的軟件當中。該敏感器設計的作用距離為I米到300米，分為近場和遠場分別對應著分布方式不同的合作目標。敏感器的數(shù)據(jù)輸出率為5Hz，視場為8°至-8°，最大能耗為35W，重20磅，體積約為7X10X12英尺。德國MBB公司開發(fā)了一種交會對接用光學敏感器系統(tǒng)(Optical Sensor System ForRVD)，這一傳感器系統(tǒng)在O米到10米時采用接近傳感器(PSD)，3米至100米時采用激光照射合作目標，并利用C⑶像機對其進行成像。該系統(tǒng)的視場為30°至-30°，測距相對精度為1%，所用的合作目標為5個成正四棱錐的角反射器，照明由32個圍繞像機布置成兩圈發(fā)光二極管組成。上述光學導航敏感器或敏感器系統(tǒng)的缺點是，激光的發(fā)射方式為非脈沖方式，并且沒有編碼。其中，美國馬歇爾空間飛行中心的高級成像導航敏感器需要兩支激光二極管輪流工作，這樣在某一時刻將均有一只激光管處于工作狀態(tài)。以非脈沖方式發(fā)射激光不僅能量消耗大，而且相應的縮短了敏感器的觀測距離，這樣為了使敏感器具有更大的作用范圍就不得不設計更為復雜光學系統(tǒng)或者輔以其它類型的敏感器，從而使得整個敏感器的結(jié)構(gòu)變得更加復雜，體積更大，重量更重。同時，沒有經(jīng)過脈沖編碼的激光也不便于去除圖像中的背景干擾，以及對合作目標的識別，因此容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)處理的誤差，給兩航天器間的姿態(tài)計算與估計帶來不利的影響
發(fā)明內(nèi)容
、
針對現(xiàn)有角反射器存在的上述缺陷和問題，本發(fā)明實施例的目的是提出一種結(jié)構(gòu)更為合理的敏感器主安裝盒和被動式光學敏感器。為了達到上述目的，本發(fā)明實施例提出了一種敏感器主安裝盒，包括光學系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理單元；其中，所述光學系統(tǒng)包括激光二極管、轉(zhuǎn)角鏡、分光棱鏡；所述數(shù)據(jù)處理單元包括控制模塊、相機、主控計算機；所述激光二極管用于發(fā)射發(fā)散角為13. 8°的激光；所述轉(zhuǎn)角鏡包括球面反射鏡以將所述激光二極管發(fā)射的激光的發(fā)散角變?yōu)?0° ; 所述分光棱鏡具有分束膜，所述分束膜兩側(cè)的介質(zhì)和光學膠折射率相同以將所述轉(zhuǎn)角鏡反射的激光的一部分發(fā)射到合作目標，并使合作目標反射回來的激光經(jīng)過分束膜透射后在相機中；所述控制模塊用于控制激光器發(fā)出通過占空比進行脈沖編碼的激光信號，同時控制相機根據(jù)預設的編碼方式與激光器進行同步分別采集激光器發(fā)光時和不發(fā)光時的圖像，并將該發(fā)光時和不發(fā)光時的圖像發(fā)送到主控計算機；所述主控計算機連接所述相機以根據(jù)所述發(fā)光時和不發(fā)光時的圖像，計算兩航天器之間的相對位置和姿態(tài)。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述激光二極管為波長974nm的近紅外波段半導體激光二極管，該近紅外波段半導體激光二極管發(fā)射的激光的波長為974nm。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述被動式光學敏感器還包括用于控制對所述激光二極管進行恒溫控制的溫控模塊和采集環(huán)境參數(shù)的采集模塊。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述控制模塊控制激光器發(fā)出通過占空比進行脈沖編碼的激光信號的方法具體為獲取激光脈沖頻率f、激光脈沖的上升沿時間tup，激光脈沖的下降沿時間td_，相機采集圖像以及主計算機完成圖像處理的時間tpM。；通過占空比對激光脈沖進行編碼，所述最低占空比不小于f(tup+td_+tpM。)，且最咼占空比不得大于1-f (tup+tdown+tproc)。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述主控計算機通過以下方法根據(jù)所述發(fā)光時和不發(fā)光時的圖像計算兩航天器之間的相對位置和姿態(tài)步驟11、將所述發(fā)光時的圖像I1和不發(fā)光時的兩幀圖像I2進行對比差分，以找出兩幀圖像中灰度變化明顯的部分Id=Ii1-I2I ；步驟12、通過差分圖像Id獲取區(qū)域的邊界線及該區(qū)域的面積；步驟13、根據(jù)預先設定的限制條件，篩選差分圖像中得到的目標標志燈區(qū)域；步驟14、以差分圖像中目標標志燈區(qū)域的像素點作為基準點，分別在所述發(fā)光時和不發(fā)光時的兩幀圖像來提取目標區(qū)域，將提取到的目標區(qū)域進行相交運算，從而獲取目標航天器所處的區(qū)域。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述主控計算機通過以下方法根據(jù)所述發(fā)光時和不發(fā)光時的圖像計算兩航天器之間的相對位置和姿態(tài)步驟21、將所述發(fā)光時的圖像I1和不發(fā)光時的兩幀圖像I2進行對比差分，以找出兩幀圖像中灰度變化明顯的部分Id= Ii1-I2I ；
步驟22、對采集到的圖像進行去除噪聲處理；步驟23、根據(jù)
權(quán)利要求
1.ー種敏感器主安裝盒，其特征在于，包括光學系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理単元； 其中，所述光學系統(tǒng)包括激光二極管、轉(zhuǎn)角鏡、分光棱鏡；所述數(shù)據(jù)處理單元包括控制模塊、相機、主控計算機； 所述激光二極管用于發(fā)射發(fā)散角為13. 8°的激光； 所述轉(zhuǎn)角鏡包括球面反射鏡以將所述激光二極管發(fā)射的激光的發(fā)散角變?yōu)?0° ; 所述分光棱鏡具有分束膜，所述分束膜兩側(cè)的介質(zhì)和光學膠折射率相同以將所述轉(zhuǎn)角鏡反射的激光的一部分發(fā)射到合作目標，并使合作目標反射回來的激光經(jīng)過分束膜透射后在相機中； 所述控制模塊用于控制激光器發(fā)出通過占空比進行脈沖編碼的激光信號，同時控制相機根據(jù)預設的編碼方式與激光器進行同步分別采集激光器發(fā)光時和不發(fā)光時的圖像，并將該發(fā)光時和不發(fā)光時的圖像發(fā)送到主控計算機； 所述主控計算機連接所述相機以根據(jù)所述發(fā)光時和不發(fā)光時的圖像，計算兩航天器之間的相對位置和姿態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的敏感器主安裝盒，其特征在于，所述激光二極管為波長974nm的近紅外波段半導體激光二極管，該近紅外波段半導體激光二極管發(fā)射的激光的波長為974nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的敏感器主安裝盒，其特征在于，所述被動式光學敏感器還包括用于控制對所述激光二極管進行恒溫控制的溫控模塊和采集環(huán)境參數(shù)的采集模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的敏感器主安裝盒，其特征在于，所述控制模塊控制激光器發(fā)出通過占空比進行脈沖編碼的激光信號的方法具體為 獲取激光脈沖頻率f、激光脈沖的上升沿時間tup，激光脈沖的下降沿時間td_，相機采集圖像以及主計算機完成圖像處理的時間tpM。； 通過占空比對激光脈沖進行編碼，所述最低占空比不小于f(tup+td_+tpnJ，且最高占空比不得大于1ゴ(tup+td_+tpMC)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的敏感器主安裝盒，其特征在于，所述主控計算機通過以下方法根據(jù)所述發(fā)光時和不發(fā)光時的圖像計算兩航天器之間的相對位置和姿態(tài) 步驟11、將所述發(fā)光時的圖像I1和不發(fā)光時的兩幀圖像I2進行對比差分，以找出兩幀圖像中灰度變化明顯的部分Id= I1-I2 ; 步驟12、通過差分圖像Id獲取區(qū)域的邊界線及該區(qū)域的面積； 步驟13、根據(jù)預先設定的限制條件，篩選差分圖像中得到的目標標志燈區(qū)域； 步驟14、以差分圖像中目標標志燈區(qū)域的像素點作為基準點，分別在所述發(fā)光時和不發(fā)光時的兩幀圖像來提取目標區(qū)域，將提取到的目標區(qū)域進行相交運算，從而獲取目標航天器所處的區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的敏感器主安裝盒，其特征在于，所述主控計算機通過以下方法根據(jù)所述發(fā)光時和不發(fā)光時的圖像計算兩航天器之間的相對位置和姿態(tài) 步驟21、將所述發(fā)光時的圖像I1和不發(fā)光時的兩幀圖像I2進行對比差分，以找出兩幀圖像中灰度變化明顯的部分Id= I1-I2 ; 步驟22、對采集到的圖像進行去除噪聲處理； 步驟23、根據(jù)Pl -V31-I = O進行光流計算以獲取像素點m的光流場Vm，其中vm = (vx,vy)T, I = (x, y, t)表示圖像序列，m = (X, y)表示時刻t時圖像中坐標為(x, y)處的像素點；W.表示圖像中點m處的梯度；以vm = (vx, vy)T表示像素點m的光流場；且1".為I對時間t的導數(shù)； 步驟24、獲取光流場Vmz最大的像素點作為基準點，分別在所述發(fā)光時和不發(fā)光時的兩幀圖像來提取目標區(qū)域，將提取到的目標區(qū)域進行相交運算，從而獲取目標航天器所處的區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的敏感器主安裝盒，其特征在于，所述步驟23具體為 步驟231、獲取差分圖像中灰度值高于預設閾值的像素點作為特征點，以及特征點鄰域Ω區(qū)域內(nèi)的像素點； 步驟232、根據(jù)
8.一種被動式光學敏感器，其特征在于，包括分別相對設置于第一航天器上的如權(quán)利要求1-7任一項所述敏感器主安裝盒，以及設置于第二航天器上的用于反射所述敏感器主安裝盒脈沖激光的合作目標。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種敏感器主安裝盒和被動式光學敏感器，被動式光學敏感器包括分別相對設置于第一航天器上的敏感器主安裝盒，以及設置于第二航天器上的用于反射敏感器主安裝盒脈沖激光的合作目標。敏感器主安裝盒包括光學系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理單元、相機、主控計算機；其中，光學系統(tǒng)包括激光二極管、轉(zhuǎn)角鏡、分光棱鏡；數(shù)據(jù)處理單元包括控制模塊，用于控制激光器發(fā)出通過占空比進行脈沖編碼的激光信號，同時控制相機根據(jù)預設的編碼方式與激光器進行同步分別采集激光器發(fā)光時和不發(fā)光時的圖像，并將該發(fā)光時和不發(fā)光時的圖像發(fā)送到主控計算機；主控計算機連接相機以根據(jù)發(fā)光時和不發(fā)光時的圖像，計算兩航天器之間的相對位置和姿態(tài)。
文檔編號G01S17/02GK102661746SQ20121016330
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者劉曉軍, 胡廣大, 陳鵬 申請人:北京科技大學