專利名稱：一種對日逆光目標(biāo)捕獲跟蹤裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電儀器技術(shù)，具體指一種對日逆光目標(biāo)探測跟蹤方法，它用于對太陽方向逆光目標(biāo)的快速捕獲和準(zhǔn)確跟蹤。
背景技術(shù)：
目前，在空間遙感探測領(lǐng)域，對太陽方向存在探測盲區(qū)，大多數(shù)遙感探測器無法對從太陽方向飛臨的目標(biāo)進(jìn)行有效的探測。而進(jìn)入探測器視場的太陽亮度有可能對探測器焦平面造成永久的損害。對日逆光相機(jī)通過觀測波段、光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，來防止太陽亮度對探測器焦平面的損害，使系統(tǒng)能夠在太陽進(jìn)入視場時正常工作，把太陽作為均勻的亮背景，利用目標(biāo)對太陽的遮擋成像來完成對目標(biāo)的探測。目標(biāo)與太陽之間的高對比度可以使系統(tǒng)探測到常規(guī)遙感相機(jī)難于探測到的微亮目標(biāo)，且不受目標(biāo)輻射特性影響。為了提高分辨率，相機(jī)的視場取1度左右略大于太陽角。
由于高分辨率對日逆光相機(jī)的視場很小，很難實(shí)現(xiàn)對太陽的初始捕獲。為了讓太陽進(jìn)入到相機(jī)視場內(nèi)，采用大視場的太陽敏感器完成對太陽的搜索捕獲和粗跟蹤，引導(dǎo)太陽進(jìn)入逆光相機(jī)視場。然后利用相機(jī)中的太陽信息完成對太陽的精跟蹤，保證系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測發(fā)現(xiàn)和跟蹤太陽方向的逆光目標(biāo)，并提供預(yù)警。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種對日逆光目標(biāo)探測跟蹤系統(tǒng)以及快速捕獲并準(zhǔn)確跟蹤太陽方向目標(biāo)的方法。本發(fā)明所說的對日逆光目標(biāo)探測跟蹤系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由大視場太陽敏感器模塊、對日逆光探測相機(jī)模塊、二維跟蹤轉(zhuǎn)臺、數(shù)據(jù)采集模塊組成。利
用大視場太陽敏感器對太陽進(jìn)行搜索捕獲和粗跟蹤；并采用專利號為200710170725.5設(shè)計(jì)的對日逆光跟蹤相機(jī)模塊進(jìn)行精跟蹤和對日逆光目標(biāo)監(jiān)測，通過實(shí)驗(yàn)測試確定對日逆光相機(jī)視場在太陽敏感器視場中的映射區(qū)域；二維跟蹤轉(zhuǎn)臺完成方位角和俯仰角二維跟蹤運(yùn)動；數(shù)據(jù)采集模塊完成多種數(shù)據(jù)采集和傳輸。
本發(fā)明的方法的具體步驟是-
1) 當(dāng)太陽不在太陽敏感器視場中，控制二維跟蹤轉(zhuǎn)臺在180° X360°的范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，直至太陽進(jìn)入太陽敏感器的視場中，完成對太陽的搜索捕獲。
2) 如圖2所示，當(dāng)成功捕獲太陽后太陽進(jìn)入太陽敏感器的視場，根據(jù)太陽敏感器提供的太陽中心位置以及對日逆光相機(jī)視場與太陽敏感器視場的對應(yīng)關(guān)系，控制二維跟蹤轉(zhuǎn)臺進(jìn)行指向，使太陽進(jìn)入到對日逆光相機(jī)視場中，完成粗跟蹤。
3) 如圖3所示當(dāng)太陽進(jìn)入到對日逆光相機(jī)的視場后，利用太陽在相機(jī)探測面上的成像信息，計(jì)算出太陽中心在相機(jī)視場中的位置，利用這個位置信息來控制二維跟蹤轉(zhuǎn)臺使太陽中心移動到相機(jī)視場中心，實(shí)現(xiàn)對太陽的精跟蹤。
4)在精跟蹤工作過程中，系統(tǒng)根據(jù)需要自動調(diào)節(jié)對日逆光相機(jī)的曝光時間、增益、偏置以達(dá)到最優(yōu)的跟蹤太陽和監(jiān)測對日逆光目標(biāo)效果。其中，對日逆光目標(biāo)監(jiān)測的具體方法是如圖3所示，對太陽所在范圍內(nèi)的圖像做進(jìn)一步處理統(tǒng)計(jì)其中暗點(diǎn)數(shù)量，當(dāng)暗點(diǎn)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時判定探測到對日逆光目標(biāo)。然后對太陽內(nèi)部暗點(diǎn)計(jì)算其中心位置，并初步識別目標(biāo)的類型，發(fā)出預(yù)警信號。
本發(fā)明具有以下有益效果-1. 針對太陽方向探測盲區(qū)的逆光目標(biāo)監(jiān)測應(yīng)用需求，率先提供一種太陽掃描捕獲和逆光目標(biāo)跟蹤的方法。
2. 應(yīng)用此種方法的觀測盲區(qū)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)能夠在15s內(nèi)快速地自動掃描捕
獲跟蹤太陽、準(zhǔn)確有效地監(jiān)測逆光目標(biāo)，發(fā)揮了太陽敏感器的大探測視場和對
日逆光相機(jī)高探測分辨率的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是對日逆光探測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是粗跟蹤的具體方法和過程示意圖。
圖3是太陽跟蹤以及對日逆光目標(biāo)監(jiān)測的方法示意圖。
具體實(shí)施例方式
應(yīng)用本發(fā)明的方法的一個實(shí)例系統(tǒng)所包括四個模塊大視場的太陽敏感器模塊、對日逆光探測相機(jī)模塊、二維跟蹤轉(zhuǎn)臺、數(shù)據(jù)采集模塊，下面分別說明。
對日逆光相機(jī)本發(fā)明采用專利200710170725.5設(shè)計(jì)的對日逆光相機(jī)，通過對觀測波段選擇、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、動態(tài)范圍設(shè)計(jì)、可以完成對日的直接觀測。
模塊除了實(shí)現(xiàn)高分辨率探測功能外，還包括整個系統(tǒng)的控制功能控制太陽敏
感器的工作模式、接收并處理太陽敏感器的信息、處理對日逆光相機(jī)模塊數(shù)據(jù)信息、控制二維跟蹤轉(zhuǎn)臺的指向以保證系統(tǒng)的協(xié)同工作，完成對太陽的捕獲跟蹤，以及對日逆光目標(biāo)的探測和識別。
太陽敏感器采用CMOSAPS (Active Pixel Sensor)的太陽敏感器，基于單孔成像的工作原理保證了成像的完整性，在電子學(xué)上的設(shè)計(jì)使太陽敏感器滿
足低功耗和小尺寸的前提下，同時達(dá)到高精度(近軸0.005° ，全視場o.or )
和大視場(單軸均為±64° )的要求。在光學(xué)結(jié)構(gòu)上的特殊設(shè)計(jì)配合太陽像素閾值的設(shè)定，使太陽敏感器能夠有效的防止虛警。通過RS422接口向外發(fā)送太陽的相關(guān)信息，包括太陽在敏感器焦面上的位置信息、太陽成像的平均亮度值、 以及太陽像素點(diǎn)。敏感器探測焦面上的每一個像素點(diǎn)就對應(yīng)一個太陽角度，這 樣可以算得每兩個像素點(diǎn)之間的角度偏差。
二維跟蹤轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)臺上共軸安裝大視場太陽敏感器和高分辨率對日逆光相 機(jī)。二維跟蹤轉(zhuǎn)臺完成方位角和俯仰角二維跟蹤運(yùn)動，以達(dá)到跟蹤的目的。 數(shù)據(jù)采集模塊包括RS232指令接口、 LVDS數(shù)據(jù)接口、 USB圖像數(shù)據(jù)接口等 部分，完成多種數(shù)據(jù)傳輸功能。
結(jié)合該實(shí)例系統(tǒng)，進(jìn)一步說明本發(fā)明的方法的具體步驟
1) 當(dāng)太陽不在太陽敏感器視場中，控制二維跟蹤轉(zhuǎn)臺在180。 *360°的范 圍內(nèi)進(jìn)行搜索，直至太陽進(jìn)入太陽敏感器的視場中，完成對太陽的搜索捕獲。 因?yàn)樘柮舾衅鞯奶綔y視場為±64° ，所以掃描的最大步距可以設(shè)置為120° ， 從而能夠在15s內(nèi)快速掃描所有方向快速捕獲太陽。
2) 如圖2所示當(dāng)太陽進(jìn)入到太陽敏感器的視場后，對日逆光相機(jī)系統(tǒng)通 過接收太陽敏感器發(fā)送的太陽位置信息，算出位置A到位置B的角度偏差， 并換算成二維轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動角度，控制二維轉(zhuǎn)臺的指向?qū)⑻枏奈恢肂移動到位 置A。位置A是對日逆光相機(jī)的中心軸位置在太陽敏感器視場中的映射，通過 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲取。從位置A，到位置B的這個階段為系統(tǒng)的粗跟蹤階段。
3) 如圖3所示當(dāng)太陽進(jìn)入到對日逆光相機(jī)視場后，可以通過對逆光相機(jī) 中的太陽成像進(jìn)行預(yù)處理，設(shè)定閾值先判斷出太陽像素點(diǎn)。設(shè)定灰度值大于120 的像素判為太陽像素點(diǎn)(即像點(diǎn)值置為1)，其余的像素灰度值處理為背景(即 像點(diǎn)值置為0)，然后利用形心算法計(jì)算太陽中心的位置I>1
y — (w)
?！?br> 、 (w)
其中(x，y)是判為太陽像素的點(diǎn)在相機(jī)探測面上的行列位置坐標(biāo)，而(X。，
Y0)為太陽中心的位置。
系統(tǒng)精度由以下公式?jīng)Q定
—
其中，M為太陽成像光斑大小尺寸約1000， ^為歸一化像素灰度值，簡化之
— cr = 0.008 =丄
后取1，系統(tǒng)的SNR=1100，得 l25，也即通過簡化之后的計(jì)算太陽
質(zhì)心的精度可以提高125倍。但是由于安裝以及其他因素的影響，實(shí)際上達(dá)不
到這么高，系統(tǒng)中粗略取l/20個像素點(diǎn)，而一個像素點(diǎn)對應(yīng)的角度為7urad，
故系統(tǒng)的精度可以優(yōu)于lurad。
4)在精跟蹤工作過程中，系統(tǒng)根據(jù)需要自動調(diào)節(jié)對日逆光相機(jī)的曝光時 間、增益、偏置以達(dá)到最優(yōu)的跟蹤太陽和監(jiān)測對日逆光目標(biāo)效果。其中，對日 逆光目標(biāo)監(jiān)測的具體方法是如圖3所示，對太陽所在范圍內(nèi)的圖像進(jìn)行處理 統(tǒng)計(jì)其中暗點(diǎn)數(shù)量，當(dāng)暗點(diǎn)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時判定探測到對日逆光目標(biāo)。然后 也采用形心算法對太陽內(nèi)部暗點(diǎn)計(jì)算其中心位置，并進(jìn)一步處理初步識別目標(biāo) 的類型，發(fā)出預(yù)警信號。
對于從太陽方向飛臨的目標(biāo)，或者掠過太陽表面的目標(biāo)可以通過對太陽的 遮擋成高對比度的像，而且不受目標(biāo)輻射特性影響。在單張靜止圖像上計(jì)算出 目標(biāo)在相機(jī)所在坐標(biāo)系內(nèi)的二維位置信息，通過多幅圖像的目標(biāo)位置信息可以擬合得到目標(biāo)的飛行軌跡。
權(quán)利要求
1.一種對日逆光目標(biāo)捕獲跟蹤裝置，它由大視場太陽敏感器模塊、對日逆光探測相機(jī)模塊、二維跟蹤轉(zhuǎn)臺、數(shù)據(jù)采集模塊組成，其特征在于所述的裝置采用大視場太陽敏感器對太陽進(jìn)行搜索捕獲和粗跟蹤，采用對日逆光探測相機(jī)模塊進(jìn)行精確跟蹤和對日逆光目標(biāo)監(jiān)測，二維跟蹤轉(zhuǎn)臺完成方位角和俯仰角二維跟蹤運(yùn)動，數(shù)據(jù)采集模塊完成多種數(shù)據(jù)采集和傳輸。
2. —種基于權(quán)利要求1所述裝置的對日逆光目標(biāo)捕獲跟蹤方法，其特征 在于包括以下步驟A. 當(dāng)太陽不在太陽敏感器視場中時，控制二維跟蹤轉(zhuǎn)臺在180° X360° 的范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，直至太陽進(jìn)入太陽敏感器的視場中，完成對太陽的搜索捕 獲；B. 當(dāng)成功捕獲太陽后，根據(jù)太陽敏感器提供的太陽中心位置以及對日逆 光探測相機(jī)視場與太陽敏感器視場的對應(yīng)關(guān)系，控制二維跟蹤轉(zhuǎn)臺進(jìn)行指向， 使太陽進(jìn)入到對日逆光探測相機(jī)視場中，完成粗跟蹤；C. 當(dāng)太陽進(jìn)入到對日逆光探測相機(jī)的視場后，利用太陽在相機(jī)探測器上 的成像信息，計(jì)算出太陽中心在相機(jī)視場中的位置，利用這個位置信息，來控 制二維跟蹤轉(zhuǎn)臺使太陽中心移動到相機(jī)視場中心，實(shí)現(xiàn)對太陽的精跟蹤；D. 在精跟蹤工作過程中，系統(tǒng)根據(jù)需要自動調(diào)節(jié)對日逆光探測相機(jī)的曝 光時間、增益、偏置以達(dá)到最優(yōu)的跟蹤太陽和監(jiān)測對日逆光目標(biāo)的效果，其中， 對日逆光目標(biāo)監(jiān)測的具體方法是，對太陽所在范圍內(nèi)的圖像做進(jìn)一步處理統(tǒng)計(jì) 其中暗點(diǎn)數(shù)量，當(dāng)暗點(diǎn)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時判定探測到對日逆光目標(biāo)，然后對太 陽內(nèi)部暗點(diǎn)計(jì)算其中心位置，并初步識別目標(biāo)的類型，發(fā)出預(yù)警信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種快速捕獲并準(zhǔn)確跟蹤太陽方向目標(biāo)的方法。對日逆光目標(biāo)探測跟蹤系統(tǒng)由大視場的太陽敏感器模塊、對日逆光探測相機(jī)模塊、二維跟蹤轉(zhuǎn)臺、數(shù)據(jù)采集模塊組成?？焖俨东@并準(zhǔn)確跟蹤太陽方向目標(biāo)的方法是，利用大視場太陽敏感器對太陽進(jìn)行搜索和粗跟蹤；并采用對日逆光跟蹤相機(jī)模塊進(jìn)行精跟蹤和對日逆光目標(biāo)監(jiān)測，二維跟蹤轉(zhuǎn)臺完成方位角和俯仰角二維跟蹤運(yùn)動，數(shù)據(jù)采集模塊完成各種數(shù)據(jù)傳輸和采集。
文檔編號G05D3/10GK101650571SQ200910195160
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月4日
發(fā)明者仇善昌, 孫勝利, 朱鴻泰, 楊朝霞, 陳凡勝 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所