新一代空间交会对接光学成像敏感器

摘要： 为满足中国未来空间交会对接任务对光学成像敏感器工作能力尤其是杂光抑制能力的更高需求,研制新一代空间交会对接光学成像敏感器.该产品多项指标优于其上一代产品神舟八号CCD光学成像敏感器,测量距离由原来的150~2 m范围提升为250~0.9 m范围;目标捕获时间由10 s缩短为0.32 s;抗杂光干扰能力大幅提升,实现准全天候工作.该产品已在中国神舟十一号载人飞船、天舟一号货运飞船与天宫二号的交会对接任务中成功验证,可在后续更好地服务中国空间站、探月三期等工程的交会对接任务.介绍该产品的测量原理、系统组成、地面试验和在轨工作表现等情况,并给出相应结论.     

阴影区较远距离手动交会对接目标识别方法

针对阴影区较远距离手动交会对接过程中由于仪表照明灯电功率的限制所出现的摄像机无法识别目标的问题,提出增强仪表照明灯电功率、利用交会对接光学成像敏感器标志器、结合激光雷达测量数据信息、在目标上贴附主动发光材料、实施跨区域交会对接方案5种方法,有效解决了手动交会对接过程中阴影区较远距离位置的目标识别问题.该方法切实可行,可供后续型号参考.     

基于交会对接CCD光学成像敏感器的双目测量算法

在空间交会对接近距离逼近阶段,CCD光学成像敏感器作为相对导航信息获取的主要测量敏感器,其测量性能直接关系到空间交会对接能否成功.针对适用于空间交会对接过程中CCD光学成像敏感器的双目测量算法展开研究,推导了基于主像机坐标系的双目测量算法计算公式,并重点对其抗干扰能力进行研究,最后对该双目测量算法进行了仿真分析并给出了仿真结果.     

交会对接光学成像敏感器的LD照明系统

以交会对接光学成像敏感器应用为背景,阐述主动式和被动式交会对接光学成像敏感器的区别、照明系统的不同方案,论述LD照明系统的组成和原理,以及LD器件和光纤的选择和特性,解决了交会对接光学成像敏感器大视场远距离均匀照明的难题,克服了空间适应性的困扰,且通过双波长工作模式增强了抗杂光能力.     

交会对接敏感器总体设计要点分析

相对测量技术是完成在轨航天器交会对接的重要技术之一,设计能够完成相对位置、速度,以及近距离的相对角度、角速度测量的交会对接敏感器,用于确定交会的轨迹和控制对接时的相对运动,不仅要考虑实现功能、性能方面,还要考虑在工程实现中外太空杂光干扰、热环境等因素的影响．本文不涉及到交会敏感器的具体设计,而是从分系统的任务和技术总体设计角度,总结交会对接敏感器设计时应注意的几个方面．     

人控交会对接九自由度半物理仿真试验系统设计及验证

以人控交会对接半物理仿真试验需求为背景,提出了可对人控交会对接控制系统单机敏感器性能和控制律设计方案进行仿真验证的人控交会对接九自由度半物理仿真试验系统的设计方法,给出了利用该设计方法对神舟九号飞船人控交会对接控制系统的仿真验证结果.神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器首次在轨人控交会对接的工程实践结果表明,人控交会对接九自由度半物理仿真试验系统的设计方法正确.     

空间非合作目标的相对导航粒子滤波算法

针对激光交会雷达作为在空间交会对接过程中的相对导航敏感器,研究了未来特殊背景下,非合作目标航天器对雷达信号发射干扰的情况下的相对导航滤波算法.针对高维模型计算量大的特点对传统粒子滤波算法进行了改进,并与扩展卡尔曼滤波器进行了仿真比较,仿真结果表明改进后的粒子滤波器的滤波效果远远优于扩展卡尔曼滤波器,且计算量优于传统粒子滤波.     

交会对接光学成像敏感器遮光罩设计

遮光罩是交会对接光学成像敏感器中杂光抑制的重要组件,对有效提取目标点信息、保证敏感器定姿精度有重要作用.着重阐述了基于蒙特卡洛法的交会对接光学成像敏感器遮光罩设计,借助光学仿真软件进行仿真验证,并通过与试验结果进行对比,验证了遮光罩设计的有效性.     

人控交会对接摄像机调光算法 设计与验证方法研究

航天器人控交会对接过程中,空间光照环境极为复杂.摄像机作为最主要的相对测量敏感器,需要设计合理的调光算法以适应各种工况.详细分析了航天器的空间光照环境,针对人控交会对接的场景特点,对基于直方图的自动调光算法提出了改进措施,并提出了全面的地面验证测试方法,证明了改进后的直方图自动调光算法的合理性.     

轨道维持与调相的综合优化策略研究

在交会对接飞行任务设计研究中必须首先确定目标航天器的轨道设计策略,研究了一种将目标航天器轨道维持和调相两种任务进行综合优化的策略.轨道维持的任务是使得目标航天器轨道的形状和位置符合交会要求,调相的任务是使目标航天器在轨道中的初始相位角符合交会要求.在考虑了交会对接发射窗口、交会终端约束条件下,将目标航天器轨道设计问题转化为一个非线性规划问题,应用序列二次规划方法对其进行了求解.仿真计算表明,这种方法既能以较少变轨次数满足交会对接任务要求,又能节省燃料,为空间交会对接任务规划提供了重要参考.     

神舟八号飞船交会对接CCD光学成像敏感器

介绍了CCD光学成像敏感器的功能和组成,以及低噪声视频电路、高速数据处理平台、抗杂光干扰算法、杂光干扰地面试验验证方法等关键技术,并给出了相关测试结果.实际飞行结果表明,CCD光学成像敏感器相机各项指标满足任务书要求,在最后的对接段最远测量距离达164m,位置测量精度优于2mm,滚动轴姿态测量精度优于0.03°,横轴姿态精度优于0.1°,位置和姿态测量精度超过了世界先进水平.     

大尺寸工件直线度视觉测量系统中摄像机标定的研究

根据大尺寸工件直线度激光视觉测量系统的现场标定需要,从分析点结构光传感器模型入手,推导了计算机像平面坐标系到世界坐标之间的映射关系,借助转轴实现系统旋转扫描测量;介绍了系统中摄像机坐标系、传感器坐标系、转轴坐标系、标定块坐标系及全局坐标系等各个坐标系的转换关系,结合测量系统特点设计了特有的靶标,提出了适于大尺寸工件视觉检测系统摄像机参数及全局标定方法。实验表明,该方法快速,可用于现场标定。     

基于CCD和超声的物体位姿检测方法及精度分析

介绍了用单个CCD摄像机和超声传感器相结合检测物体位姿的方法.首先由CCD摄像机采集一幅图像,获取物体上目标点在图像坐标系中的理想坐标,并由此确定该点投影矢量(连接物体点和对应图像点的直线)的方向;然后控制机器人运动,使超声传感器的z轴与求得的投影矢量重合;最后用超声传感器测出投影矢量的长度,确定目标点在摄像机坐标系中的坐标.分析了影响检测精度的主要因素,具体研究了超声传感器的安装参数对检测精度的影响规律,进行了仿真分析.该方法可以有效地降低图像处理所带来的巨大数据量,避开双目视觉中的图像匹配问题,快捷、精确检测物体的位姿.     

红外可见光双目系统像素级快速融合方法

红外 可见光双目系统既能感知目标的温度，又能获取目标的颜色、纹理信息，在日常生活和工业产生中获得较多的应用.红外相机由于和可见光相机成像机制的不同，在标定过程中往往需要使用不同的靶标.本文提出了一种红外 可见光双目系统像素级的快速标定融合方法，通过设计了一种圆孔形靶标，实现了一步法标定，在可见光相机像素坐标系下像素质心标定精度小于1个像素，可用于大批量的低成本的民用红外标定产品系统.     

基于面阵靶标的摄像机定向技术研究

提出一种相机定向方法。在透视投影和坐标变换的基础上,应用靶标与其像点的单应性,建立靶标坐标系与摄像机坐标系之间的转换关系,从而确定摄像机在靶标坐标系中的姿态、位置,通过在三坐标测量机上的实验表明该定向技术的正确性,该技术在相机定向领域有一定的实用价值。     

空间TDICCD相机动态信噪比计算方法研究

信噪比是空间光学相机系统的主要设计指标之一,可用于表征相机的辐射性能。文章通过建立遥感卫星轨道模型,分析计算一年中任意时刻用太阳高度角和卫星观测角描述太阳、卫星、地面目标点之间的相对位置关系,并将计算得到的卫星观测角和太阳高度角等参数导入大气传输软件MODTRAN,输出在相机入瞳处的地面目标光谱辐亮度,再根据信噪比的计算方法,最后完成TDICCD相机动态的信噪比计算值。通过该方法,可以计算任一时刻任一观测目标的信噪比,这将有利于判断在某一时刻的能量是否满足观测要求,以随时改变TDICCD的探测器级数,使得成像像质达到最佳。     

一种非合作目标模型快速测量方法

服务航天器跟踪、接近和捕获目标时,需要快速获取目标卫星局部模块的精密3D轮廓。文章研究了一种基于结构光的单目测量系统,能够同时满足三维测量速度快、精度高等需求。提出了一种黑白DeBruijn序列编码方法,使用单张相机图片就可以完成重建,采用黑白条纹,增强了对空间反射的抗干扰能力。相比较于双目测量方法,该方法认为投影装置模型和相机模型一致,省去了图像匹配步骤,有效减少了计算时间;采用迭代的方法对点云进行重建,不需要预先进行畸变校正。以卫星模型为目标,使用高速相机进行了重建试验,试验结果表明采用这种方法进行重建时,采集图像时间短,深度信息误差为0.0583mm,速度和精度都能满足非合作目标的三维测量要求。     

可供卫星使用的慢扫描摄像机

卫星用电视摄像设备是图像遥感器中电视技术的核心部份。本文介绍了我们研制成的一台慢扫描电视摄像机。该机性能良好,工作稳定可靠,可供卫星使用。本文还对该机研制过程中遇到的主要技术问题进行了讨论。     

扰动测量环境中基于图像序列的模态参数识别

针对结构模态参数识别,提出了一种基于二维连续图像序列的识别方法.该方法以CCD相机采集的图像序列为基础,在待识别结构上选取一定数量的特征点,运用因子分解法将结构运动参数和外形信息分离开,得到各特征点的运动轨迹,通过实施特征系统实现算法(ERA,Eigen-system Realization Algorithm)识别出结构的模态参数.特别是当测量仪器,即CCD相机受到扰动时,能够从图像序列中分离扰动,得到结构自身的运动参数,保证较好的识别效果.以相机受扰动时,悬臂梁模型为例进行了仿真分析.将识别出的悬臂梁前5阶频率与ANSYS计算结果进行对比,结果吻合很好,对于工程中利用光学图像识别结构动态特性具有较高的参考价值.