CN102353376A - 全景成像地球敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全景成像地球敏感器，包括：光学***、图像传感器、数字信号处理电路，其中，光学***采用全景环视光学镜头。全景环视光学镜头360°环形成像捕获地球图像，并且投影到图像传感器的像平面上成像，再由图像传感器转换为可处理的信号，并且输出到后端的数字信号处理电路中进行处理，计算出地球图像的中心，进而计算出地球在卫星坐标系中的姿态信息。本发明克服了以往普通地球敏感器视场小的限制，实现了360°大视场成像，且无需活动扫描部件，使得整个地球敏感器的实现具有体积小，结构简单的优势。此外，本发明中采用不同的图像传感器可以实现不同类型的地球敏感器，具有良好的灵活性、通用性。

Description

全景成像地球敏感器

技术领域

本发明涉及卫星姿态测量设备领域，尤其涉及一种全景成像地球敏感器。

背景技术

姿态控制***是卫星中复杂度最高的子***之一。它的主要任务是实现卫星在空间特定坐标系中的指向，一般由测量姿态矢量的敏感器、姿控计算机和执行部件构成。目前在卫星上广泛应用的姿态敏感器主要有：太阳敏感器、磁强计、陀螺、地球敏感器、星敏感器等。

地球敏感器是卫星定姿***常用的敏感器之一，它的作用是确定地球中心在卫星坐标系中的矢量方向。定义卫星质心为坐标原点，沿轨道前进的切线方向为x轴，垂直轨道面的方向为y轴，垂直xy平面的为z轴，构成卫星坐标系。通常将卫星姿态角定义为卫星本体坐标系与轨道坐标系之间的夹角，卫星的姿态有三种情况：绕x轴旋转的姿态角，称之为滚动角；绕y轴旋转的姿态角，称俯仰角；绕z轴旋转的姿态角，称航偏角。

传统的地球敏感器一般利用红外敏感器绕固定转轴扫描的方式实现，这种地球敏感器包含有机械扫描装置、而且体积大、功耗高，使用寿命受限于机械扫描装置，难以实现小型化，对于微小卫星来说，显然功耗、体积方面是难以承受的。随着非制冷红外探测器的出现，现在已经研制了无需活动部件的静态红外焦平面成像的地球敏感器。焦平面地球敏感器相比较传统的机械扫描式地球敏感器的优势在于无需扫描部件，结构简单。但是，由于传统光学***的限制，现在的红外焦平面地球敏感器的视场都很小。在近地轨道卫星上定姿时，需要采用多个敏感器组合的方式，才能获得地球的姿态角信息。采用多个敏感器会增加功耗、增加体积，无法满足地球敏感器小型化、低功耗的要求。

发明内容

本发明提供了一种全景成像地球敏感器，具有小型化、低功耗、大视场且无需活动部件的优势，适合于任何卫星上采用，尤其适合于微小卫星上。

一种全景成像地球敏感器包括：光学***、图像传感器、数字信号处理电路，其中，所述的光学***采用全景环视光学镜头(Panoramic Annularlens，PAL)。

所述的全景环视光学镜头，360°环形成像，用于捕获地球图像，并且投影到所述的图像传感器的像平面上成像。

所述的全景环视光学镜头，为一种多片式的全景环视光学成像透镜，采用前、后不同材料的透镜，多种不同的表面类型，通过胶合，密接或分离方式组成多片式全景环视成像透镜，透镜绕光轴旋转对称，前片透镜一面为向外突出的环形第一折射面，前片透镜后接后片透镜，前、后片透镜的连接面为组合面，后片透镜另一面为凹面环形第一反射面，在前片透镜环形第一折射面中心设有凹面第二反射面，环形第一反射面中心内环边缘与第二反射面边缘相接，在凹面环形第一反射面中心设有第二折射面，凹面环形第一反射面中心内环边缘与第二折射面边缘相接。其具体结构的记载详见公告号为CN 101038366的中国专利中所公开的多片式全景环视成像透镜。

所述的全景环视光学镜头采用“平面圆柱投影(FCP)”法，不同于传统光学的中心投影法，其原理如下：

假定环绕着观察者的空间几何结构是圆柱形的，这个圆柱的半径和瞭望距离相等，一个全景的像可以显示出这个虚拟的圆柱的柱壁。这样，把像的投影转换到一个与圆柱的轴垂直的平面上，就形成了一个3D的全景环形像。像中的点和实际的点是1∶1的对应关系。在平面圆柱投影法中，能够成像的部分是两条边绕光轴旋转360°后所形成的三维立体区域。这一区域被投影到二维像平面上的一个圆环内。正是由于360°环形成像，全景环形光学镜头视场边缘的张角可以达到±90°×360°，无需活动部件，在任何角度下，都能够捕捉到地球图像，并且投射到图像传感器的像平面上。

关于“平面圆柱投影(FCP)”法，更具体的描述可以参见专利号为US4,566,763和US 5,473474的美国专利中的记载。

所述的图像传感器，用于把接收到的由所述全景环视光学镜头捕获的地球成像转换为可处理的信号，并且输出到后端的数字信号处理电路中。所述的图像传感器，可以根据需求选择合适的图像传感器，如可见光图像传感器或红外图像传感器。所述的可见光图像传感器可以采用CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)或CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器，所述的红外图像传感器可以采用非制冷焦平面红外传感器。当采用CCD或红外焦平面探测器，因为其输出是模拟量，需要后端加上模数转换电路，使其变成数字信号，然后输送到后端数字信号处理电路中去。

所述的数字信号处理电路，用于对所述的图像传感器输出的信号进行采集并且处理，计算出地球图像的中心，进而计算出地球在卫星坐标系中的姿态信息。所述的数字信号处理电路由图像采集控制器、图像缓冲器、处理器、数据存储器和程序存储器组成。

所述的图像采集控制器，用于采集图像传感器输出的信号，然后缓存到图像缓存器中，可由CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)或者FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)来实现。

所述的图像缓冲器，用于充当图像采集控制器和处理器之间的桥梁，存储所述图像采集控制器采集的数据，等待所述处理器处理，可由双口RAM(random access memory，随机存储器)或者SDRAM(SynchronousDynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器)实现。

所述的处理器是整个数字信号处理电路的中心，用于读取图像缓存器中的数据，进行数据处理并且计算出地球在卫星坐标系中的姿态信息。现在的主流处理器主要有ARM(Advanced RISC Machines)和DSP(DigitalSignal Processing，数字信号处理)两种，可以采用两种中的任何一种处理器来实现。

所述的数据存储器，用作处理器在进行数据处理时的临时存储器，负责计算过程中数据的临时存储。所述的数据存储器可以由SDRAM实现。

所述的程序存储器，用于固化所述处理器中的处理程序代码和保存掉电后需要保存的数据。现在常用的程序存储器主要有EEPROM(ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory，电可擦可编程只读存储器)和FLASH两种。

所述的全景成像的地球敏感器的工作流程可表述为：地球首先经全景环视光学镜头进行捕获，全景环视光学镜头将捕获到的地球投影到图像传感器的成像平面上；图像传感器将其成像平面上的地球像转换成图像数据信号并输出给图像采集控制器；图像采集控制器采集图像传感器的输出信号，存储到图像缓存器中；当图像采集控制器采集完一帧图像后，通知处理器；处理器在图像采集控制器发送通知信号后，读取图像缓冲器中的数据，当读取完后，处理器开始数据的处理，计算地球在卫星坐标系中的姿态信息。其中在计算的时候，中间的计算结果存储到数据存储器中去。完成地球在卫星坐标系中的姿态角度计算后，开始下一帧图像数据的处理。

本发明中，用全景环视光学镜头作为地球敏感器的光学***，与常规的光学***相比，全景环视光学镜头具有以下优点：

(1)在无运动部件下实现全景凝视——不用转动光学***(或扫描部件)就可在360°内一次凝视成像，实现实时全景成像；同时，无运动部件可提高***可行性和使用寿命；

(2)景深大，不用调焦就可看清视场内无遮拦的物体或目标，而且成像清晰；

(3)图像处理全景化，可以获得360°环带内无空间间隔的目标提取与监视，避免因扫描而出现的目标丢失、失真与拼接误差等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

相对于普通地球敏感器，本发明的全景成像地球敏感器实现了360°大视场成像，从而克服了以往普通地球敏感器视场小的限制，且无需活动扫描部件，使得整个地球敏感器的实现具有体积小，结构简单的优势。

此外，本发明的全景成像地球敏感器中，采用不同的图像传感器可以实现不同类型的地球敏感器。例如采用可见光图像传感器可以实现可见光地球敏感器，采用红外焦平面探测器就可实现静态红外地球敏感器。且后端处理电路不需要改变。本发明具有良好的灵活性、通用性。

附图说明

图1是本发明的全景成像地球敏感器的结构组成框图。

图2是本发明中的全景环视光学镜头的成像原理图。

图3是本发明中的数字信号处理电路框图。

图4是本发明的全景成像地球敏感器的定姿原理图。

图5是本发明的全景成像地球敏感器详细工作流程图。

图6是Freeman链码定义及编码示例图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

如图1所示，一种全景成像的地球敏感器，包括：全景环视光学镜头、图像传感器、数字信号处理电路。其中，全景环视光学镜头360°环形成像捕获地球图像，并把地球图像投射到图像传感器的成像平面上，图像传感器把地球图像转换为图像数据信号输出给后端数字信号处理电路中去，数字信号处理电路处理地球图像数据，计算出地球在卫星坐标系中的姿态信息。

上述的全景环视光学镜头，为一种多片式的全景环视光学成像透镜，采用前、后不同材料的透镜，多种不同的表面类型，通过胶合，密接或分离方式组成多片式全景环视成像透镜，透镜绕光轴旋转对称，前片透镜一面为向外突出的环形第一折射面，前片透镜后接后片透镜，前、后片透镜的连接面为组合面，后片透镜另一面为凹面环形第一反射面，在前片透镜环形第一折射面中心设有凹面第二反射面，环形第一反射面中心内环边缘与第二反射面边缘相接，在凹面环形第一反射面中心设有第二折射面，凹面环形第一反射面中心内环边缘与第二折射面边缘相接。其具体结构的记载详见公告号为CN 101038366的中国专利中所公开的多片式全景环视成像透镜。

上述的全景环视光学镜头(PAL)采用“平面圆柱投影”(FCP)法，其工作原理如图2所示。与传统光学的中心投影法不同，全景环视光学镜头也就是说，它假定了环绕着观察者的空间几何结构是圆柱形的，这个圆柱的半径和瞭望距离相等，一个全景的像可以显示出这个虚拟的圆柱的柱壁。这样，把像的投影转换到一个与圆柱的轴垂直的平面上，就形成了一个3D的全景环形像。像中的点和实际的点是1∶1的对应关系。如图2所示，在平面圆柱投影法中，能够成像的部分是α′角的两条边绕光轴z旋转360°后所形成的三维立体区域。这一区域被投影到二维像平面上的一个圆环内，这个圆环就是环形成像平面2。而锥角2β′角的两边绕z轴旋转360°后所形成的圆锥区域是不能成像的，这一区域在二维平面上对应内径以内的圆形盲区1。显然，增大α′并减小β′可以增大成像视场，但是这两个参数的值受到现有玻璃的折射系数的限制。环形FCP的像的宽度对应着所能得到的α′的值，像面上的每一个同心圆是与光轴成同一角度的点的轨迹。环形透镜产生的环形像的宽度对应于侧向视场范围，而像上的同心圆上的点相对光轴有着相同的倾斜角。全景环视光学镜头在成像上虽然存在一个盲区1，但是由于地球是一个很大的球体，所以中心的盲区不会对地球敏感器存在影响。全景环视光学镜头在360°方向上都能捕获地球图像，使得卫星无论处在何种状态，地球敏感器都能进行姿态的定位。全景环形光学镜头把捕获到的地球图像投射到图像传感器的成像平面上。

图像传感器的作用是把经过由全景环视光学镜头投射到其像平面上的地球像转换为可处理的图像信号。图像传感器可以采用可见光图像传感器或红外图像传感器。可见光图像传感器有CMOS和CCD两种。红外图像传感器有非制冷焦平面图像传感器。当采用CCD或红外图像传感器时，图像传感器输出的信号是模拟量，无法直接输入到后端的数字信号处理电路中去，需要在数字信号处理电路前增加模数转换电路。CMOS图像传感器的输出直接是数字量，可以直接输入到数字信号处理电路中。在本实施例中，采用CMOS图像传感器OV2640作为全景成像地球敏感器的图像传感器为例进行说明，OV2640在输出地球像数字信号的同时，还输出帧同步控制信号、行同步控制信号和像素同步控制信号，方便CPLD图像的采集。

数字信号处理电路主要是对图像传感器输出的数字信号进行处理，计算出地球在卫星坐标系中的姿态信息。数字信号处理电路的组成如图3所示，主要由图像采集控制器、图像缓存器、处理器、数据存储器、程序存储器组成。本实施例中采用CPLD作为图像采集控制器，采用双口RAM作为图像缓存器，采用DSP作为核心处理器，采用SDRAM作为数据存储器，采用FLASH作为程序存储器。CPLD的主要功能是采集OV2640输出的八位数字信号，并且给OV2640提高工作时钟。CPLD在采集OV2640的数字信号时，主要根据OV2640提供的同步信号来采集数据，并缓存至双口RAM中。双口RAM充当CPLD和DSP之间的桥梁，主要是缓存OV2640输出的图像数据。当CPLD采集到OV2640输出的帧同步信号时，表示OV2640已经输出完整的一帧图像。这时，CPLD给DSP触发中断。DSP在接受到CPLD触发的中断后，DSP通过DMA把双口RAM中的存储数据搬移到SDRAM中。由于SDRAM的存储数据比双口RAM快，故用SDRAM作为DSP处理图像数据的临时数据存储器。FLASH中主要是存储了DSP运行的程序代码。当DSP读取完双口RAM中的数据后，DSP开始处理图像数据。DSP中对图像数据的处理主要是进行地球图像中心的定位。在DSP运行中心定位算法处理后得到地球中心坐标，最后进行地球在卫星坐标系中的姿态角的计算，完成姿态角算法后，开启外部中断并把姿态角信息输出到外部。

上述的DSP运行中心定位算法处理得到地球中心坐标时，该中心定位算法是针对全景环形光学镜头的工作原理提出的，包括：图像中值滤波、图像二值化、地球捕获判断、八领域算法和最小二乘法，具体如下：

第一步：图像中值滤波。由于图像传感器可能存在一些坏的像素单元，其灰度值主要表现为0或1023。坏元的存在会对后续的边缘检测带来误差，影响整个算法的测量精度。由于坏元区范围较小，且采集到的图像数据信噪比较低的特点，故在DSP中采用了二维中值滤波。

第二步：对得到的亮度图像信息进行二值化，以提取地球边缘和降低后续算法的复杂度。图像二值化主要是采用图像门限法实现，门限阈值的设定采用一个固定的值以简化DSP的处理算法。

第三步：采用统计方法进行地球捕获判断：在处理过后的二维图像中统计像素为1的个数。当像素为1的个数总数小于一定数量时，默认为现在地球敏感器已检测不到地球，不进行姿态定位。退出整个定姿算法，等待下一次定位。

第四步：采用拉普拉斯算子对整幅图像进行细节的提取，然后采用八领域算法对处理后图像进行最大边缘的提取以得到地球边缘。这里采用L₁作为拉普拉斯算子模板。

$L_1=\left(\begin{array}{ccc}-1& -1& -1\\ -1& 8& -1\\ -1& -1& -1\end{array}\right)$

第五步：八领域算法的实现。八领域主要是指相邻两像点之间的连接有8个可能的方向，采用Freeman链码如图6所示。相邻像素的距离在水平或垂直方向上的距离为1，倾斜方向上的间距离为

，边缘的长度等于两点距离逐段累加。通过对整幅图像的扫描求出长度最大的那条边缘，就是地球边缘。

第六步：最小二乘法求取地球图像的圆心坐标x₀、y₀。精确定位地球中心是算法中最关键的部分，它采用方法的好坏直接影响地心的精度。这里采用最小二乘法定位圆心。采用最小二乘法的优势在于对于八领域算法求解得到的地球图像局部边缘也能精确的定位圆心，且随着地球边缘数据的增加，求解得到的地球圆心的精度也会随着提高。

上述的地球在卫星坐标系中的姿态角，包括：地球在卫星坐标系中的滚动角和俯仰角。

而上述的全景成像地球敏感器中，定姿工作原理如图4所示，全景环形光学镜头的成像高度H满足f-β的关系，即：

H＝f·β                                   (1)

公式(1)中，H为地球像4的高，f为全景环视光学镜头6的焦距，β为地球3与全景环视光学镜头6光轴z的夹角(记为俯仰角β)。地球像4的高H通过计算地球像4的中心坐标到图像传感器像平面5中心的距离来获取。

因此，上述的地球在卫星坐标系中的姿态角，通过以下公式计算得到：

α＝arctan(Y₀/X₀)                     (2)

β＝R/f

式(2)中，α、β分别为地球在卫星坐标系中的滚动角和俯仰角。X₀、Y₀为用最小二乘法得到的地球图像圆心坐标，R为得到的地球图像半径。

上述的全景成像地球敏感器的工作原理如下：

全景环视光学镜头首先捕获地球，并投射到OV2640的成像平面上，OV2640把地球像转换为数字信号输出给CPLD，CPLD在时序控制下，将数据不断输入至双口RAM缓存。当一帧图像扫描结束时，CPLD提供一个中断标志信号。触发DSP进行数据搬移，DSP将双口RAM中的一帧图像通过其内部的DMA搬移到SDRAM中。DMA将数据搬移完后检查图像数据是否有效，如有效则触发DSP进行姿态定位算法进行姿态角的计算，否则返回等待下一个中断到来。DSP在下次中断到来之前处理完本帧图像后，将得到的卫星姿态角信息输出，之后又进入中断等待状态，等待中断再次触发MDA进行数据搬移。

上述的全景成像地球敏感器的整个详细工作定姿流程如图5所示，其具体步骤如下：

第一步：全景环视光学镜头捕获地球，并投射到OV2640的成像平面上使其成像。

第二步：OV2640图像传感器将地球像转换成数字信号，在输出地球像数字信号时，同时输出帧同步信号、行同步信号、像素时钟信号给CPLD。

第三步：CPLD采集图像。CPLD为图像传感器OV2640提供的工作时钟信号，OV2640内部将此时钟经过它的时钟管理单元产生其工作主时钟，首先，CPLD在检测到OV2640的帧同步信号时，设定一帧开始标志。接下来，在检测到行同步信号时，设定一行开始标志。在OV2640像素时钟信号驱动下，CPLD读取OV2640输出的八位图像数据。由于采用的图像格式是YUV422格式，DSP处理数据时仅处理Y分量，每个像素点(2bytes)对应两个像素时钟信号，故需要在CPLD中做一个计数器，当计数器的值为偶数时，把八位图像数据存储到双口RAM中。当存储完一帧图像后，CPLD触发DSP外部。

第四步：DSP获取图像。当CPLD触发DSP外部中断标志后，DSP在外部中断处理函数中，首先关闭外部中断，然后配置DSP内部的DMA搬移双口RAM中的数据至SDRAM中。当搬移完双口RAM中的数据后，触发DMA中断。DSP在DMA中断处理函数中检测数据的有效性，判断搬移的数据是否完整。

第五步：DSP进行图像预处理。在读取双口RAM中数据完整后，开始进行图像预处理。首先进行图像的中值滤波，滤除坏像素元的干扰，然后进行图像二值化。最后进行地球捕获的判断。当根据统计结果低于某一设定值时，判定地球敏感器无法进行定位，开始DSP外部中断，回到步骤一。

第六步：DSP进行中心定位算法。DSP在对SDRAM中的图像进行预处理后，首先使用拉普拉斯算子进行边缘检测，然后采用八领域算法得到连续边缘最长的那条边界。并且保存边界中每个点的坐标位置。采用最小二乘法迭代边界圆心的位置。认为求出的圆心位置就是地球图像的中心位置。

第七步：DSP进行姿态角计算。根据第六步求出圆心位置后，调用公式(1)求出地球敏感器的俯仰角和滚动角。通过DSP上的外设输出。并且开启外部中断，进行下一幅图像的定姿。

第八步：重复步骤一至步骤七。

Claims (5)

1.一种全景成像地球敏感器包括：光学***、图像传感器、数字信号处理电路，其特征在于，所述的光学***采用全景环视光学镜头；

所述的全景环视光学镜头，360°环形成像，用于捕获地球图像，并且投影到所述的图像传感器的像平面上成像；所述的图像传感器，用于将接收到的地球成像转换为可处理的信号，并且输出到后端的数字信号处理电路中；所述的数字信号处理电路，用于对所述的图像传感器输出的信号进行采集并且处理，计算出地球图像的中心，进而计算出地球在卫星坐标系中的姿态信息。

2.如权利要求1所述的全景成像地球敏感器，其特征在于，所述的全景环形光学镜头采用平面圆柱投影法。

3.如权利要求1所述的全景成像地球敏感器，其特征在于，所述的图像传感器采用可见光图像传感器或红外图像传感器。

4.如权利要求3所述的全景成像地球敏感器，其特征在于，所述的可见光图像传感器采用CCD或CMOS图像传感器.

5.如权利要求3所述的全景成像地球敏感器，其特征在于，所述的红外图像传感器采用非制冷焦平面红外传感器。

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