CN101650571A - 一种对日逆光目标捕获跟踪装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速捕获并准确跟踪太阳方向目标的方法。对日逆光目标探测跟踪***由大视场的太阳敏感器模块、对日逆光探测相机模块、二维跟踪转台、数据采集模块组成。快速捕获并准确跟踪太阳方向目标的方法是，利用大视场太阳敏感器对太阳进行搜索和粗跟踪；并采用对日逆光跟踪相机模块进行精跟踪和对日逆光目标监测，二维跟踪转台完成方位角和俯仰角二维跟踪运动，数据采集模块完成各种数据传输和采集。

Description

一种对日逆光目标捕获跟踪装置及方法

技术领域

本发明涉及光电仪器技术，具体指一种对日逆光目标探测跟踪方法，它用于对太阳方向逆光目标的快速捕获和准确跟踪。

背景技术

目前，在空间遥感探测领域，对太阳方向存在探测盲区，大多数遥感探测器无法对从太阳方向飞临的目标进行有效的探测。而进入探测器视场的太阳亮度有可能对探测器焦平面造成永久的损害。对日逆光相机通过观测波段、光学***的设计，来防止太阳亮度对探测器焦平面的损害，使***能够在太阳进入视场时正常工作，把太阳作为均匀的亮背景，利用目标对太阳的遮挡成像来完成对目标的探测。目标与太阳之间的高对比度可以使***探测到常规遥感相机难于探测到的微亮目标，且不受目标辐射特性影响。为了提高分辨率，相机的视场取1度左右略大于太阳角。

由于高分辨率对日逆光相机的视场很小，很难实现对太阳的初始捕获。为了让太阳进入到相机视场内，采用大视场的太阳敏感器完成对太阳的搜索捕获和粗跟踪，引导太阳进入逆光相机视场。然后利用相机中的太阳信息完成对太阳的精跟踪，保证***能够实时监测发现和跟踪太阳方向的逆光目标，并提供预警。

发明内容

本发明的目的是提供一种对日逆光目标探测跟踪***以及快速捕获并准确跟踪太阳方向目标的方法。

本发明所说的对日逆光目标探测跟踪***如图1所示，***由大视场太阳敏感器模块、对日逆光探测相机模块、二维跟踪转台、数据采集模块组成。利用大视场太阳敏感器对太阳进行搜索捕获和粗跟踪；并采用专利号为200710170725.5设计的对日逆光跟踪相机模块进行精跟踪和对日逆光目标监测，通过实验测试确定对日逆光相机视场在太阳敏感器视场中的映射区域；二维跟踪转台完成方位角和俯仰角二维跟踪运动；数据采集模块完成多种数据采集和传输。

本发明的方法的具体步骤是：

1)当太阳不在太阳敏感器视场中，控制二维跟踪转台在180°×360°的范围内进行搜索，直至太阳进入太阳敏感器的视场中，完成对太阳的搜索捕获。

2)如图2所示，当成功捕获太阳后太阳进入太阳敏感器的视场，根据太阳敏感器提供的太阳中心位置以及对日逆光相机视场与太阳敏感器视场的对应关系，控制二维跟踪转台进行指向，使太阳进入到对日逆光相机视场中，完成粗跟踪。

3)如图3所示当太阳进入到对日逆光相机的视场后，利用太阳在相机探测面上的成像信息，计算出太阳中心在相机视场中的位置，利用这个位置信息来控制二维跟踪转台使太阳中心移动到相机视场中心，实现对太阳的精跟踪。

4)在精跟踪工作过程中，***根据需要自动调节对日逆光相机的曝光时间、增益、偏置以达到最优的跟踪太阳和监测对日逆光目标效果。其中，对日逆光目标监测的具体方法是：如图3所示，对太阳所在范围内的图像做进一步处理统计其中暗点数量，当暗点数达到一定数量时判定探测到对日逆光目标。然后对太阳内部暗点计算其中心位置，并初步识别目标的类型，发出预警信号。

本发明具有以下有益效果：

1.针对太阳方向探测盲区的逆光目标监测应用需求，率先提供一种太阳扫描捕获和逆光目标跟踪的方法。

2.应用此种方法的观测盲区目标跟踪***能够在15s内快速地自动扫描捕获跟踪太阳、准确有效地监测逆光目标，发挥了太阳敏感器的大探测视场和对日逆光相机高探测分辨率的优点。

附图说明

图1是对日逆光探测***的组成结构示意图。

图2是粗跟踪的具体方法和过程示意图。

图3是太阳跟踪以及对日逆光目标监测的方法示意图。

具体实施方式

应用本发明的方法的一个实例***所包括四个模块：大视场的太阳敏感器模块、对日逆光探测相机模块、二维跟踪转台、数据采集模块，下面分别说明。

对日逆光相机：本发明采用专利200710170725.5设计的对日逆光相机，通过对观测波段选择、光学***设计、动态范围设计、可以完成对日的直接观测。模块除了实现高分辨率探测功能外，还包括整个***的控制功能：控制太阳敏感器的工作模式、接收并处理太阳敏感器的信息、处理对日逆光相机模块数据信息、控制二维跟踪转台的指向以保证***的协同工作，完成对太阳的捕获跟踪，以及对日逆光目标的探测和识别。

太阳敏感器：采用CMOS APS(Active Pixel Sensor)的太阳敏感器，基于单孔成像的工作原理保证了成像的完整性，在电子学上的设计使太阳敏感器满足低功耗和小尺寸的前提下，同时达到高精度(近轴0.005°，全视场0.01°)和大视场(单轴均为±64°)的要求。在光学结构上的特殊设计配合太阳像素阈值的设定，使太阳敏感器能够有效的防止虚警。通过RS422接口向外发送太阳的相关信息，包括太阳在敏感器焦面上的位置信息、太阳成像的平均亮度值、以及太阳像素点。敏感器探测焦面上的每一个像素点就对应一个太阳角度，这样可以算得每两个像素点之间的角度偏差。

二维跟踪转台：转台上共轴安装大视场太阳敏感器和高分辨率对日逆光相机。二维跟踪转台完成方位角和俯仰角二维跟踪运动，以达到跟踪的目的。数据采集模块：包括RS232指令接口、LVDS数据接口、USB图像数据接口等部分，完成多种数据传输功能。

结合该实例***，进一步说明本发明的方法的具体步骤：

1)当太阳不在太阳敏感器视场中，控制二维跟踪转台在180°*360°的范围内进行搜索，直至太阳进入太阳敏感器的视场中，完成对太阳的搜索捕获。因为太阳敏感器的探测视场为±64°，所以扫描的最大步距可以设置为120°，从而能够在15s内快速扫描所有方向快速捕获太阳。

2)如图2所示当太阳进入到太阳敏感器的视场后，对日逆光相机***通过接收太阳敏感器发送的太阳位置信息，算出位置A到位置B的角度偏差，并换算成二维转台的转动角度，控制二维转台的指向将太阳从位置B移动到位置A。位置A是对日逆光相机的中心轴位置在太阳敏感器视场中的映射，通过实验验证获取。从位置A，到位置B的这个阶段为***的粗跟踪阶段。

3)如图3所示当太阳进入到对日逆光相机视场后，可以通过对逆光相机中的太阳成像进行预处理，设定阈值先判断出太阳像素点。设定灰度值大于120的像素判为太阳像素点(即像点值置为1)，其余的像素灰度值处理为背景(即像点值置为0)，然后利用形心算法计算太阳中心的位置：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_0=\frac{\underset{(x,y)}{\mathrm{\Σ}}x\×1}{\underset{(x,y)}{\mathrm{\Σ}}1}\\ Y_0=\frac{\underset{(x,y)}{\mathrm{\Σ}}y\×1}{\underset{(x,y)}{\mathrm{\Σ}}1}\end{array}\right.$

其中(x，y)是判为太阳像素的点在相机探测面上的行列位置坐标，而(X₀，Y₀)为太阳中心的位置。

***精度由以下公式决定：

$\mathrm{\σ}=\frac{\sqrt{M}}{\sqrt{12}\stackrel{\‾}{F}\×\mathrm{SNR}}$

其中，M为太阳成像光斑大小尺寸约1000，F为归一化像素灰度值，简化之后取1，***的SNR＝1100，得 $\mathrm{\σ}=0.008=\frac{1}{125},$ 也即通过简化之后的计算太阳质心的精度可以提高125倍。但是由于安装以及其他因素的影响，实际上达不到这么高，***中粗略取1/20个像素点，而一个像素点对应的角度为7urad，故***的精度可以优于1urad。

4)在精跟踪工作过程中，***根据需要自动调节对日逆光相机的曝光时间、增益、偏置以达到最优的跟踪太阳和监测对日逆光目标效果。其中，对日逆光目标监测的具体方法是：如图3所示，对太阳所在范围内的图像进行处理统计其中暗点数量，当暗点数达到一定数量时判定探测到对日逆光目标。然后也采用形心算法对太阳内部暗点计算其中心位置，并进一步处理初步识别目标的类型，发出预警信号。

对于从太阳方向飞临的目标，或者掠过太阳表面的目标可以通过对太阳的遮挡成高对比度的像，而且不受目标辐射特性影响。在单张静止图像上计算出目标在相机所在坐标系内的二维位置信息，通过多幅图像的目标位置信息可以拟合得到目标的飞行轨迹。

Claims (2)

1.一种对日逆光目标捕获跟踪装置，它由大视场太阳敏感器模块、对日逆光探测相机模块、二维跟踪转台、数据采集模块组成，其特征在于：所述的装置采用大视场太阳敏感器对太阳进行搜索捕获和粗跟踪，采用对日逆光探测相机模块进行精确跟踪和对日逆光目标监测，二维跟踪转台完成方位角和俯仰角二维跟踪运动，数据采集模块完成多种数据采集和传输。

2.一种基于权利要求1所述装置的对日逆光目标捕获跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：

A.当太阳不在太阳敏感器视场中时，控制二维跟踪转台在180°×360°的范围内进行搜索，直至太阳进入太阳敏感器的视场中，完成对太阳的搜索捕获；

B.当成功捕获太阳后，根据太阳敏感器提供的太阳中心位置以及对日逆光探测相机视场与太阳敏感器视场的对应关系，控制二维跟踪转台进行指向，使太阳进入到对日逆光探测相机视场中，完成粗跟踪；

C.当太阳进入到对日逆光探测相机的视场后，利用太阳在相机探测器上的成像信息，计算出太阳中心在相机视场中的位置，利用这个位置信息，来控制二维跟踪转台使太阳中心移动到相机视场中心，实现对太阳的精跟踪；

D.在精跟踪工作过程中，***根据需要自动调节对日逆光探测相机的曝光时间、增益、偏置以达到最优的跟踪太阳和监测对日逆光目标的效果，其中，对日逆光目标监测的具体方法是，对太阳所在范围内的图像做进一步处理统计其中暗点数量，当暗点数达到一定数量时判定探测到对日逆光目标，然后对太阳内部暗点计算其中心位置，并初步识别目标的类型，发出预警信号。

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