抗旋转和缩放的SAR与可见光图像自动配准算法

针对合成孔径雷达与可见光图像在大角度旋转和大比例缩放情况下的高精度自动配准问题,提出了一种尺度和旋转不变的SAR(Synthetie Aperture Radar)和可见光图像自动配准算法.算法以SIFT(Scale Invariant Feature Transform)算法为基础,首先通过增强Frost滤波和自适应直方图均衡增强SAR和可见光图像的共性,使其显著提高能够提取出足够多的特征点数目,然后再通过特征描述方法、相似性度量方法、点匹配方法、特征点聚类方法和误匹配点剔除方法等方面对原始SIFT方法进行改进,有效地提高其在多源图像、强噪声、复杂成像条件下的特征提取和匹配性能,最后通过最小二乘法和相似变换模型实现SAR和可见光图像的精确配准.试验表明该算法对图像尺度和角度变化具有良好的适用性,在正确匹配点的比率和定位精度方面都优于原始SIFT算法和Harris算法,具有良好的工程应用前景.     

NASA深空探测技术研发管理浅析

正一、NASA深空技术研发概况1.深空探测的基本概念深空探测主要指围绕行星科学领域开展太阳系内地外天体探测活动,即通过飞越、撞击、环绕、着陆、巡视、采样返回、载人等方式对月球及以远的天体进行探测,可根据是否有宇航员参与分为"无人科学探测"和"载人探测"两类。由于深空探测具有任务实施难度大、技术要求高     

基于降落图像的安全着陆点选择技术研究

深空探测中,着陆器降落过程中自主避障和自主着陆点选择是安全着陆的关键。文章主要研究了基于降落图像的星体表面障碍物识别和着陆点选择技术。首先利用着陆器高度信息和降落相机参数计算每幅降落图像的分辨率;其次对每一幅图像障碍物进行阴影检测;再次,提取障碍信息;最后选出备选的安全着陆点。文章对石头障碍进行了仿真,结果表明：这种方法能够准确、快速地为着陆器提供着陆区的安全信息,并能够为着陆器提供出备选的安全着陆点。     

小天体探测器着陆图像匹配改进算法

针对小天体探测器着陆图像匹配信息存在数据量大、计算机存储空间有限等问题,提出一种基于改进BRISK和RANSAC的小天体探测器着陆图像匹配算法。首先,在Harris角点检测算法中引入尺度估计和尺度空间,在特征描述子建立阶段改进BRISK算法,提出降低相关性的采样点对选择策略,以减少计算量;然后,利用改进的RANSAC算法去除误匹配。在图像旋转、光照强度、高斯噪声、尺度因子的干扰影响下,仿真分析改进算法与基于BRISK的经典算法的匹配结果。分析结果表明:改进算法减少了计算量和存储空间,并在一定干扰情况下具有鲁棒性,可为后续视觉导航提供有效的陆标信息。     

基于图像的着陆点评估及探测器运动估计方法

针对深空探测任务特点给出了一种基于导航图像的探测器着陆点选择与探测器运 动估计技术。考虑到在着陆初始阶段(探测器高度＞2 km)导航相机所拍摄到的天体表面 近似为平面。这里通过跟踪至少4个平面内的特征点在导航图像序列 中的位置, 利用最小二乘法计算单应矩阵,由该矩阵得到探测器部分相对运动参数。结合激光测距仪给 出的探测器与天体表面之间的距离信息,可以得到全部6自由度参数。安全着陆点的选择与 评估首先利用图像灰度预选出平整的着陆点,再由着陆点对应的单应矩阵和之前获得的帧间 相对运动验证着陆点坡度。蒙特卡洛仿真结果表明,着陆点评估算法能够有效地选取满足平 整和坡度要求的着陆点,运动估计算法实时地对探测器参数进行估计,平移估计相对误 差小于10％,旋转估计误差小于0.23°。
     

月球着陆器着陆稳定性仿真分析

随着中国深空探测的发展,在月球表面进行着陆探测成为新的关注热点,因此月球着陆器的着陆稳定性研究成为一项重要课题。文章利用ADAMS软件及其用户子程序,对一种可展开四腿式月球着陆器的着陆稳定性进行了研究,研究结论为着陆器的着陆缓冲机构及总体设计提供参考。     

基于图像序列的软着陆小天体自主导航方法

提出了一种深空探测器着陆阶段的自主导航方法。该方法通过跟踪导航序列图像中特征点在像平面上的位置,结合激光测距仪给出的探测器到小天体表面的距离信息,在特征点实际位置不确定的情况下,利用扩展卡尔曼滤波对探测器的相对位置姿态及运动信息进行递归估计。同时重构特征点的三维位置。由于不需要所选特征点在小天体表面的精确位置,因此提高了导航方法的适用性。最后通过数学仿真验证了自主导航方法的有效性。

     

着陆小天体的自主GNC技术

由于目标小天体和地面站之间存在较长的通讯延迟，加之小天体的动力学环境复杂多变，传统的基于深空网的导航、制导与控制（GNC）模式已不再适合探测着器着陆小天体。为了实现安全着陆小天体，探测器必须具有自主导航、制导和控制的能力。本文提出了一种着陆小天体极区的自主GNC方案：首先，基于对自然特征点的自动提取、跟踪，给出了一种着陆小天体的自主光学导航方案；接着，为了安全垂直着陆小天体的极区，设计了比例-微分控制器跟踪理想的下降轨迹、消除侧向位置和速度偏差；最后，通过数值仿真对本文所提方案的可行性进行了验证。     

月球探测器着陆中基于被动图像的着陆场搜索及斜坡估计

在无人探测器月面软着陆技术研究中,因为月球表面障碍物对探测器着陆 安全构成的威胁,所以首先需要解决的是安全着陆区域确定及其坡度估计的问题。从被 动图像角度出发,研究了基于灰度变化的着陆区域确定和基于两视图几何的候选着陆区域坡 度估计的方法。首先,研究了一种基于多尺度窗口区域内灰度变化标准差的安全着陆候选区 域确定方法;其次,为了计算基础矩阵F和单应矩阵H,本文利用SIFT算法和RANSAC策略 进行特征点检测和跟踪;最后,本文利用平面单应H和基础矩阵F的相容性原理,提出了一种 斜坡坡度估计方法。和同类方法相比,该方法无需探测器位姿转移参数。利用该方法得到的 斜坡估计结果和其他方法的结果比较后可知：本文提出的方法检测出的坡度误差能够满足着 陆过程中斜坡检测的要求。     

基于鲁棒估计的捕获段面目标图像处理

深空探测捕获段导航图像为含轮廓面目标图像，目标质心与光心并不重合，传统加权质心方法无法有效提取目标视线。文章通过最小平方中值法对提取的面目标导航图像真实边缘轮廓进行椭圆鲁棒拟合，该方法能够有效估计出目标中心视线，同时能够抑制由于目标表面坑洞等纹理特征引起的误差，对伪边缘、拍摄噪声均不敏感。最后，通过大量仿真与真实图像处理，对算法进行验证。结果表明，用文中方法估计的目标中心投影点坐标精度优于0.1个像素，视线误差优于1×10-4rad，方法具有极高的鲁棒性，对捕获段图像处理有一定的参考价值。     

行星表面非规则陨石坑检测与识别方法

针对深空探测任务中行星表面特征检测与识别问题,提出了一种新的行星表面非规则陨石坑检测与识别方法。首先采用基于背景的Hopfield网络实现陨石坑边缘的提取,在对陨石坑边缘多种约束进行分析的基础上,提出了伪边缘剔除方法,并结合线性抗差估计理论与最小误差中值椭圆拟合方法,实现了对非规则陨石坑,特别是重叠及不完整陨石坑的检测及特征参数的提取。通过对行星表面光学图像的数学仿真验证了该方法能够对复杂背景下的非规则陨石坑进行有效的检测与识别。     

“嫦娥三号”着陆缓冲机构的研究成果及其应用

“嫦娥三号”着陆器于2013年12月14日通过着陆缓冲机构在月面稳定着陆,表明中国已经突破并掌握了地外天体表面着陆缓冲技术,包括适合地外星体表面环境的缓冲方法、着陆缓冲机构设计方法和地面试验验证方法等。文章介绍了着陆缓冲方法的基本要求,对铝蜂窝缓冲特点进行了研究,提出了着陆缓冲机构关键几何参数确定及缓冲能力设计方法。此外,文章还介绍了着陆缓冲机构地面试验的主要验证项目和验证方案。这些研究成果不仅可以应用到未来火星等目标星体的着陆缓冲,而且在民用技术如桥梁的撞击防护、电梯抗坠毁及爆炸防护等领域中也具有十分广阔的应用前景。了解这些研究成果对于后续深空软着陆探测及相关民用技术的发展具有重要的意义。     

基于改进ORB的月面着陆视觉导航的配准方法

月球探测器在下降着陆过程中探测到的月面图像灰度均匀,缺少纹理信息,而视觉辅助导航采用传统ORB算法对灰度均匀的月面图像检测出的特征点数量较少,容易出现团簇现象,因此提出一种基于改进ORB算法的图像特征提取与匹配算法。首先对月面图像构建金字塔尺度空间模型,设置自适应阈值并构建掩膜逐一分块检测特征点;然后采用非极大值抑制使特征点分布均匀,消除聚集现象再进行特征匹配;最后结合渐进一致采样算法剔除误匹配,并计算下降序列图像间的位置变换关系。实验结果表明:该方法对于存在大尺度、旋转变化情况下的月面图像,在匹配精度方面比ORB提高10%～13%,在月面着陆视觉导航应用方面具有较好的适用性。     

地基光学图像中本体-帆板结构航天器姿态估计方法

提出一种利用地基光学图像估计空间目标姿态的方法。针对本体-帆板结构航天器外形结构特点，定义了一种不易遮挡的两轴结构特征，设计了地基光学图像中该特征的提取方法；根据航天器成像过程建立了特征点二三维几何投影方程，实现了航天器三维姿态的解算。利用单站序列图像，可获得航天器姿态变化角速度信息。在轨航天器的试验结果表明，本方法能有效地从地基光学图像估计出航天器姿态。     

嫦娥四号探测器着陆区精确选择与评价系统设计

根据主要的科学探测目标和工程约束条件筛选出了适宜嫦娥四号任务着陆的大范围区域。嫦娥四号探测器的着陆区选择需要兼顾科学探测目标、工程实现的约束以及着陆区的环境、表面特征等等。其中,着陆区的表面特征主要包括坡度、撞击坑及岩石丰度、地形对光照遮挡情况等,直接影响了动力下降过程、着陆安全及月球巡视器的车体移动能力,也是影响着陆区选择的重要因素。基于已有的着陆区遥感测绘数据,对着陆区范围内的关键地形进行了统计分析。并通过模糊推理,建立并应用了着陆区选择及评价模型,在大范围着陆区域中精确筛选出了小范围的着陆区。最后,根据嫦娥四号任务实际在轨飞行过程,对该方法进行了验证。文章所使用的地形确定及筛选方法,可以为后续地外天体软着陆探测任务提供借鉴。     

火星探测出舱机构的识别定位与坡度测量

为实现火星探测两器分离过程中出舱机构的坡度测量,提出一种基于立体视觉技术的出舱机构识别定位与坡度测量方法。首先,采用特征匹配的方法对场景中的出舱机构进行识别定位。针对巡视器导航相机成像视角变化以及出舱机构倾角变化导致图像产生几何形变,火星表面光照因素的影响以及巡视器硬件的计算能力,并结合出舱机构自身特点,提出一种区域特征与Blob特征相融合的识别定位方法。采用加速鲁棒性特征（SURF）算法检测图像中的局部不变特征,并用最大稳定极值区域（MSER）算法检测图像最稳定极值区域,两种特征相融合之后构造SURF描述算子并进行特征匹配。同时,采用M估计抽样一致性（MSAC）算法计算对应点变换矩阵,实现出舱机构在场景中的初步定位。然后,通过对出舱机构上人工标志的精确定位以及三维重建,并采用主成分分析法进行平面拟合,实现出舱机构的坡度测量。试验结果表明,该方法对成像视角变化以及光照变化具有鲁棒性,提取的有效特征数以及计算时间均优于尺度不变特征变换（SIFT）算法,基本满足火星探测中出舱机构坡度测量要求。     

应用灰度特征的行星陨石坑自主检测方法与着陆导航研究

针对陨石坑阴影不明显的行星着陆导航图像,提出了基于图像灰度值特征的陨石坑自主检测方法,通过兴趣区快速确定陨石坑边缘分布,解决了一般陨石坑检测方法对图像太阳高度角的依赖问题。利用检测出的陨石坑视线信息,采用非线性预测滤波方法估计着陆器着陆阶段的位置和姿态;鉴于视觉着陆导航对照了场景状况的高度依赖性,提出了一种利用分形理论和相邻点分级方法的天体随机地景建模方法。最后验证了所提方法的有效性。     

基于SAR景象不变特征点的匹配定位技术研究

针对精确制导领域中的SAR景象匹配定位技术中由于实时图与基准图可能存在形变、分辨率不一致,图像旋转及雷达视角变化及噪声的影响下差异较大情况时直接利用基于灰度的规则正交二维信息匹配算法适应性差的问题,将不变特征点匹配方法(Scale Invariant Feature Transform,SIFT)应用到SAR景象匹配中,通过仿真实验取得了满意的效果,试验结果表明SIFT特征是图像的局部特征,其对旋转、尺度缩放、亮度变化保持不变性,对视角变化、噪声也保持一定程度的稳定性,对提高匹配概率和对不同图像的适应性,降低应用风险具有借鉴意义。     

月球探测器软着陆动力学仿真

随着深空探测技术的发展,新型月球探测器需要在遍布石块、陨石坑和斜坡等复杂月球表面上着陆,因此有必要对月球着陆探测器的着陆性能进行评估。本文对一种四腿可展开式着陆器进行了合理简化,并用ADAMS软件建立了着陆动力学仿真模型。模型中应用子程序表达缓冲铝蜂窝和月壤的力学性质,通过在预研着陆器的仿真模型上加载,实现了系统的仿真;并得到了月球探测器以给定姿态和着陆速度在不同地面坡度和月壤物理特性下的着陆性能及一般规律,对我国月球探测器软着陆动力学研究具有一定参考价值。     

“资源三号”卫星图像影像特征匹配方法研究

随着中国遥感卫星的迅速发展,要求影像几何质量评价方法可以在待评图像和参考图像间提取出精确且分布均匀的控制点信息。文章提出一种基于多源、高精度遥感图像的特征点匹配方法。该方法首先用加速稳健特征（Speeded Up Robust Features,Surf）算法对＂资源三号＂卫星图像和参考图像进行粗匹配以建立两幅图像间的整体几何关系,通过对相同区域进行wallis滤波增强图像纹理信息,然后用Surf算法进行特征点的提取和匹配,最后利用对极几何约束剔除误匹配点。试验结果表明,该方法可以全自动、快速和精确的提取影像控制点。