CN110399866B - 基于ccd相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法，通过控制CCD相机按照给定的曝光时间，连续进行短曝光和长曝光图像的交替采集；通过处理奇数帧短曝光图像，实现低中高轨道空间碎片的检测与天文定位；通过处理偶数帧长曝光图像，实现中高轨道空间碎片的检测，同时利用前后相邻奇数帧图像的底片模型系数实现当前帧所检测中高轨碎片的天文定位；而且在搜索观测模式下，通过多点平差的方法以及相邻奇数帧的底片模型系数，实现低中高轨道空间碎片的精密天文定位，本发明能够实现全轨道空间碎片的同时探测和精确天文定位，提高了观测设备的观测效率，确保观测设备对于全轨道空间碎片的测量精度。

Description

基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法

技术领域

本发明涉及空间碎片观测技术领域，具体而言涉及一种基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法。

背景技术

在科研、军事等许多领域，都需要对空间碎片进行监视，给出空间碎片的每一个瞬间在天空中的位置及其变化，确定空间碎片的运行轨道，从而获取空间碎片精确的信息。

无论是跟踪模式还是搜索模式下，传统的观测方法均是在某一时间段内CCD相机基本上按照固定的曝光时间采集图像。

在跟踪模式下为了提高暗弱低中高轨道的空间碎片的探测成功率，只能通过增加曝光时间，这样就造成背景恒星的拉线太长，无法实现低中高轨道空间碎片的天文定位，尤其是视运动速度较快的低轨目标。

在恒动或者静止等待的搜索模式下，通常CCD相机曝光时间较长，有利于中高轨空间碎片探测，一方面造成低轨道空间碎片的星像拉长及像素数增加，从而造成低轨道空间碎片检测失败，无法实现低轨道空间碎片检测；另一方面由于CCD相机曝光时间越长造成背景恒星拉线就越长，造成恒星灰度质心定位精度下降，从而降低了所检测空间碎片的天文定位精度。

因此对于传统的观测方法来讲，有以下三个问题：

(1)CCD相机短曝光，有利于低轨道空间碎片检测及保证天文定位精度，但是造成暗弱中高轨空间碎片探测失败。

(2)跟踪模式下CCD相机长曝光，有利于暗弱低中高轨到空间碎片探测，但是会导致低中高轨道空间碎片的天文定位精度下降或者天文定位失败。

(3)恒动搜索模式下CCD相机长曝光，有利于暗弱中高轨到空间碎片探测和保证天文定位精度，但是由于低轨道空间碎片星象拉长严重，造成低轨道空间碎片检测失败。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法，结合不同爆光时长、例如短曝光和长曝光各自的优势点，实现全轨道空间碎片的同时探测和精确天文定位，提高了观测设备的观测效率，确保观测设备对于全轨道空间碎片的测量精度。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法，所述观测方法包括以下步骤：

S1：采用CCD相机按照预先设置第一曝光时长和第二曝光时长交替采集(2n+1)帧指定区域的包括空间碎片和背景恒星的图像，其中，采用第一曝光时长采集奇数帧图像，采用第二曝光时长采集偶数帧图像，第一曝光时长小于第二曝光时长；所述n为大于等于3的正整数；

S2：对图像背景进行估计；

S3：根据图像背景的估计结果，对每帧图像进行全帧扫描，计算得到每帧图像上所有星像的二维平面坐标(x,y)，其中，设图像的左上角为坐标原点(0，0)，图像右侧为x轴增加方向，图像下侧为y轴增加方向，x为图像中星象所在位置在x轴方向上与坐标原点的距离，y为图像中星象所在位置在y轴方向上与坐标原点的距离；

S4：结合奇数帧图像上所有星象的二维平面坐标(x,y)，计算得到(n+1)个奇数帧底片常数模型系数；

S5：基于连续奇数帧图像，根据预设的检测方法以检测得到所有奇数帧图像所包含的低中高轨道空间碎片；

S6：基于连续偶数帧图像，根据预设的检测方法以检测得到所有偶数帧图像所包含的中高轨道空间碎片；

S7：基于奇数帧和偶数帧图像的空间碎片检测结果，结合预先设定的门限计算得到已检测到的所述指定区域上的所有空间碎片，判断观测模式是否为搜索模式，如果是搜索模式，进入步骤S8，否则进入步骤S10；

S8：在搜索模式下，利用多点平差方法，结合所有奇数帧图像的空间碎片检测结果获取奇数帧图像所包含的每个低中高轨道空间碎片在每张奇数帧图像上多点平差后的坐标信息；

S9：在搜索模式下，利用多点平差方法，结合所有偶数帧图像的空间碎片检测结果获取偶数帧图像所包含的每个中高轨道空间碎片在每张偶数帧图像上多点平差后的坐标信息；

S10：结合每幅奇数帧图像所包含的低中高轨道空间碎片的坐标信息和对应的奇数帧底片常数模型系数，完成奇数帧图像中空间碎片的天文定位；

S11：结合每幅偶数帧图像上空间碎片的坐标信息和相邻两幅奇数帧底片常数模型系数，完成偶数帧图像中空间碎片的天文定位。

进一步的实施例中，步骤S4中，所述结合奇数帧图像上所有星象的二维平面坐标(x,y)，计算得到(n+1)个奇数帧底片常数模型系数包括：

如果底片常数模型为

结合奇数帧图像上所有星象的二维平面坐标(x,y)，采用最小二乘方法，计算得到(n+1)个奇数帧底片常数模型系数为

i＝1,2,…,n+1；

如果底片常数模型为

结合奇数帧图像上所有星象的二维平面坐标(x,y)，采用最小二乘方法，计算得到(n+1)个奇数帧底片常数模型系数为

进一步的实施例中，步骤S5和S6中，所述预设的检测方法包括以下步骤：

识别并剔除所有图像中的背景恒星，结合所有剔除背景恒星的图像，获取剩余星象的航迹特征，检测出图像上的所有空间碎片。

进一步的实施例中，步骤S8中，所述在搜索模式下，利用多点平差方法，结合所有奇数帧图像的空间碎片检测结果获取奇数帧图像上每个空间碎片的坐标信息包括以下步骤：

设第i奇数帧中空间碎片个数为k_2i-1，获取每个空间碎片的实测坐标信息

其中t_2i-1为第i奇数帧对应的观测时刻，j＝1,2,…,k_2i-1，i＝1,2,…,n+1；

根据公式

采用最小二乘方法，获得系数a₀、b₀、a₁、b₁、a₂、b₂的取值，继而获取奇数帧图像上每个空间碎片多点平差后的拟合坐标信息

进一步的实施例中，步骤S9中，所述在搜索模式下，利用多点平差方法，结合所有偶数帧图像的空间碎片检测结果获取偶数帧图像上每个空间碎片的坐标信息包括以下步骤：

设第m偶数帧中空间碎片个数为k_2m，获取每个空间碎片的实测坐标信息

其中t_2m为第m偶数帧对应的观测时刻，h＝1,2,…,k_2m，m＝1,2,…,n；

根据公式

采用最小二乘方法，计算得到系数a₀、b₀、a₁、b₁、a₂、b₂的值，继而获取偶数帧图像上每个空间碎片多点平差后的拟合坐标信息

进一步的实施例中，步骤S10中，所述结合每幅奇数帧图像所包含的低中高轨道空间碎片的坐标信息和对应的奇数帧底片常数模型系数，完成奇数帧图像中空间碎片的天文定位包括以下步骤：

如果是观测模式为跟踪模式，利用第i奇数帧底片常数模型系数以及第i奇数帧中空间碎片的实测坐标信息

完成奇数帧中空间碎片天文定位；

如果观测模式为搜索模式，利用第i奇数帧底片常数模型系数，以及第i奇数帧中空间碎片多点平差后的拟合坐标信息

j＝1,2,…,k_2i-1，i＝1,2,…,n+1，完成奇数帧中空间碎片天文定位。

进一步的实施例中，步骤S11中，所述结合每幅偶数帧图像上空间碎片的坐标信息和相邻两幅奇数帧底片常数模型系数，完成偶数帧图像中空间碎片的天文定位包括以下步骤：

如果是观测模式为跟踪模式，利用第2m-1及2m+1奇数帧底片常数模型系数以及第2m偶数数帧中空间碎片的实测坐标信息

完成偶数帧图像中空间碎片的天文定位；

如果观测模式为搜索模式，利用第2m-1及2m+1奇数帧底片常数模型系数以及第2m偶数数帧中空间碎片多点平差后的拟合坐标信息

完成偶数帧图像中空间碎片的天文定位。

进一步的实施例中，所述方法还包括：

将图像背景的估计结果、计算得到每帧图像上所有星像的二维平面坐标(x,y)、图像中空间碎片的检测结果和/或天文定位结果发送至测量***。

本发明提及的基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法包括三个部分的内容。

第一、图像数据短长曝光交替采集

通过测量***采集若干帧包括空间碎片和背景恒星的图像，将采集到到图像按照时间顺序排列，为了便于说明，假设奇数帧图像由短曝光方式采集，偶数帧图像由长曝光方式采集。对采集到的若干帧图像的图像背景进行估计，根据图像背景的估计结果，对每帧图像进行全帧扫描，计算得到每帧图像上所有星像的二维平面坐标(x,y)；另外，结合奇数帧图像上所有星象的二维平面坐标(x,y)，计算得到(n+1)个奇数帧底片常数模型系数。由此得到后续空间碎片检测和天文定位所需的数据基础。

第二、各种轨道空间碎片检测

由前述可知，短曝光图像有利于探测低轨道空间碎片和确保其的天文精度，对中高轨空间碎片探测能力较差，长曝光图像的探测精度跟其工作模式相关，在跟踪模式下，长曝光图像适合全轨道空间碎片探测但天文定位精度差，在搜索模式下，长曝光图像有利于探测中高轨到空间碎片和确保其天文定位精度，而对低轨道空间碎片探测能力较差，也就是说，短曝光图像和长曝光图像上所拍摄到到可清晰识别的空间碎片有可能不相同，事实上，短曝光图像上的空间碎片结合长曝光图像上的空间碎片，才有可能构成完整的指定空间区域的空间碎片。因此，在该步骤，将奇数帧的短曝光图像、偶数帧的长曝光图像分为两个批次的图像，分别采用现有技术中提及的空间碎片探测方法，探测得到两批次图像中所包含的空间碎片，再结合两批次图像的探测结果，综合分析，结合给定的门限以删除重复的空间碎片，得到指定天域中所包含的所有空间碎片。

第三、各种轨道空间碎片天文定位

由于偶数帧和奇数帧的观测模式不相同，其采用的定位方式也不相同。偶数帧图像中主要包含低轨道空间碎片，可以利用前后相邻奇数帧图像的底片模型系数实现当前帧所检测中高轨碎片的天文定位，而不同工作模式的奇数帧图像所包括的空间碎片所处位置也不相同，但均可以通过多点平差的方法以及当前奇数帧的底片模型系数，实现所探测到的空间碎片的精密天文定位。对于不同工作模式的奇数帧图像和偶数帧图像，其采用的空间碎片的坐标不相同，例如，对于跟踪模式采用基于原始二维平面坐标的实测坐标信息，对于搜索模式采用多点平差后的拟合坐标信息等。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

(1)结合不同爆光时长、例如短曝光和长曝光各自的优势点，实现各种轨道空间碎片的同时探测和精确天文定位，提高暗弱目标探测的成功率，提高了观测设备的观测效率。

(2)观测效率和测量精度不受图像采集的工作模式影响，无论是跟踪模式还是搜索模式，均可以得到较佳的观测效率和测量精度。

(3)针对偶数帧和奇数帧分别采用现有技术中的空间碎片探测方法即可得到指定天域的所有可见空间碎片，普适性广，利于推广。

(4)图像采集、处理、空间碎片探测、空间碎片天文定位各个步骤以流水线的方式工作，空间碎片观测效率更高，用户可以实时掌握观测进度，及时调整观测参数。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分，比如短中长曝光图像交替采集。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法的流程图。

图2是本发明的具体实施例一的方法流程图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

具体实施例一

为了便于说明，下面以长短两种爆光时长为例对本发明所提及的观测方法进行说明。

结合图1，本发明提及一种基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法，所述观测方法包括以下步骤：

S1：采用CCD相机按照预先设置第一曝光时长和第二曝光时长交替采集(2n+1)帧指定区域的包括空间碎片和背景恒星的图像，其中，采用第一曝光时长采集奇数帧图像，采用第二曝光时长采集偶数帧图像，第一曝光时长小于第二曝光时长；所述n为大于等于3的正整数。

S2：对图像背景进行估计。

S3：根据图像背景的估计结果，对每帧图像进行全帧扫描，计算得到每帧图像上所有星像的二维平面坐标(x,y)，其中，设图像的左上角为坐标原点(0，0)，图像右侧为x轴增加方向，图像下侧为y轴增加方向，x为图像中星象所在位置在x轴方向上与坐标原点的距离，y为图像中星象所在位置在y轴方向上与坐标原点的距离。

S4：结合奇数帧图像上所有星象的二维平面坐标(x,y)，计算得到(n+1)个奇数帧底片常数模型系数。

S5：基于连续奇数帧图像，根据预设的检测方法以检测得到所有奇数帧图像所包含的低中高轨道空间碎片。

S6：基于连续偶数帧图像，根据预设的检测方法以检测得到所有偶数帧图像所包含的中高轨道空间碎片。

S7：基于奇数帧和偶数帧图像的空间碎片检测结果，结合预先设定的门限计算得到已检测到的所述指定区域上的所有空间碎片，判断观测模式是否为搜索模式，如果是搜索模式，进入步骤S8，否则进入步骤S10。

S8：在搜索模式下，利用多点平差方法，结合所有奇数帧图像的空间碎片检测结果获取奇数帧图像所包含的每个低中高轨道空间碎片在每张奇数帧图像上多点平差后的坐标信息。

S9：在搜索模式下，利用多点平差方法，结合所有偶数帧图像的空间碎片检测结果获取偶数帧图像所包含的每个中高轨道空间碎片在每张偶数帧图像上多点平差后的坐标信息。

S10：结合每幅奇数帧图像所包含的低中高轨道空间碎片的坐标信息和对应的奇数帧底片常数模型系数，完成奇数帧图像中空间碎片的天文定位。

S11：结合每幅偶数帧图像上空间碎片的坐标信息和相邻两幅奇数帧底片常数模型系数，完成偶数帧图像中空间碎片的天文定位。

对于任意一个空间碎片测量***，针对传统空间碎片观测方法的不足，本发明提供一种基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法。它通过控制CCD相机按照给定的曝光时间，连续进行短曝光和长曝光图像的交替采集，获得的图像序列中奇数帧为短曝光图像，偶数帧为长曝光图像。通过处理奇数帧短曝光图像，实现低中高轨道空间碎片的检测与天文定位；通过处理偶数帧长曝光图像，实现中高轨道空间碎片的检测，同时利用前后相邻奇数帧图像的底片模型系数实现当前帧所检测中高轨碎片的天文定位；而且在搜索观测模式下，通过多点平差的方法以及相邻奇数帧的底片模型系数，实现低中高轨道空间碎片的精密天文定位。经过测试，本发明替代了传统的中低轨空间碎片观测方法，弥补传统空间碎片观测方法的不足，实现低中高轨空间碎片同时观测，提高观测设备的观测效率和保证观测设备的测量精度，成为了空间碎片监视的有效手段之一。

下面对本发明提及的基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法所包含的各个步骤进行详细阐述。

步骤1、短长曝光图像交替采集

例如，设置CCD相机短曝光(通常小于100ms)以及CCD相机短长曝光(通常小于500ms)；按照短长曝光时间连续交替采集帧数2n+1帧；优选的，所述n为大于等于3的正整数。

步骤2、图像背景估计

对含有空间碎片及背景恒星的2n+1帧图像进行逐帧综合分析，建立图像背景估计的数学模型，用于每帧图像的背景估计，以加快处理速度。

创建图像背景估计模型的方法为：对若干帧含有空间碎片和背景恒星的图像进行综合分析，创建图像背景估计模型，用于图像的背景估计。优选的，可以采用机器学习等算法以创建图像背景估计模型。

步骤3、星象扫描及实测坐标归算

按照每帧图像背景的估计结果及原始的含有空间碎片及背景恒星的图像，按照给定的阈值，对含有空间碎片及背景恒星的图像进行全帧扫描，给出每帧图像上所有星像的二维平面坐标(x，y)归算结果。

步骤4、奇数帧底片模型计算

根据奇数帧图像上所有星像的二维平面实测坐标(x，y)扫描结果，通过给定的底片常数模型。

(1)如果底片常数模型为

结合奇数帧图像上所有星象的二维平面坐标(x,y)，计算得到(n+1)个奇数帧底片常数模型系数为

(2)如果底片常数模型为

结合奇数帧图像上所有星象的二维平面坐标(x,y)，计算得到(n+1)个奇数帧底片常数模型系数为

步骤5、连续奇数帧的低中高轨空间碎片检测

利用连续奇数帧图像，通过基于恒星快速检索的空间碎片检测方法、三维空间与二维平面相结合的空间碎片检测方法或者其他空间碎片检测方法，实现奇数帧中的低中高轨空间碎片的检测，获得n+1个奇数帧中空间碎片的检测结果。第i奇数帧中空间碎片个数k_2i-1，表示为

其中t_2i+1为第i奇数帧对应的观测时刻，j＝1,…,k_2i-1；i＝1,…,n+1。

步骤6、连续偶数帧的中高轨空间碎片检测

利用连续偶数帧图像，通过基于恒星快速检索的空间碎片检测方法、三维空间与二维平面相结合的空间碎片检测方法或者其他空间碎片检测方法，实现偶数数帧中的中高轨空间碎片的检测，获得n偶数帧空间碎片的检测结果。第i偶数帧中空间碎片个数k_2i，表示为

其中t_2i为第i偶数帧对应的观测时刻，j＝1,…,k_2i；i＝1,…,n。

步骤5和步骤6所采用的空间碎片检测方法并不局限于某一特定种类，即针对偶数帧和奇数帧分别采用现有技术中的空间碎片探测方法即可得到指定天域的所有空间碎片，普适性广，利于推广。以基于恒星快速检索的空间碎片检测方法为例，检测过程包括以下内容：

通过测量***采集若干帧包括空间碎片和背景恒星的图像，对采集到的若干图像的图像背景进行估计，计算每帧图像上所有星象的二维平面实测坐标(x,y)。结合每帧图像上所有星象的二维平面实测坐标(x,y)，通过天文定位的方式，获得每帧图像上所有星象的赤经α和赤纬δ，根据赤经α和赤纬δ推算出所有星象对应的惯性空间的三维向量，获取图像上每个恒星的二维切平面理论坐标(X,Y)。结合图像上每个星象的二维平面实测坐标(x,y)和图像上每个恒星的二维切平面理论坐标(X,Y)，通过恒星识别条件识别并剔除图像中的背景恒星。再结合多帧剔除掉背景恒星的图像，获取剩余星象的航迹特征，判断该航迹是否属于同一星象所有，避免了帧频不固定和运动特性不一致造成空间碎片的漏检、以及观测模式不同导致的空间碎片检测方法不同。

以连续三帧图像为例，实测步，对三帧图像中的图像背景进行估计，计算每帧图像上所有星象的二维平面实测坐标(x,y)，继而推算出每帧图像上所有星象的赤经α和赤纬δ，根据赤经α和赤纬δ推算出所有星象对应的惯性空间的三维向量；通过恒星检索以获取图像中每个恒星的二维切平面理论坐标(X,Y)，(X,Y)为每个恒星的理论灰度质心坐标。拟合步，将每一帧图像上所有星象的二维平面实测坐标(x，y)与通过恒星检索以获取的每个恒星的理论灰度质心坐标做比对，识别并剔除图像上的背景恒星，具体的，依次计算每帧图像上的星象的二维平面实测坐标(x,y)和图像上所有恒星的二维切平面理论坐标(X,Y)的差值绝对值，如果差值绝对值在匹配门限内，比如为1像素以内，判断该星象为背景恒星，将其剔除。第三步，结合实测帧、拟合帧、第三帧图像上的星象坐标，生成除背景恒星之外的剩余星象的运行航迹，获取航迹特征，根据航迹特征检测出空间碎片，具体的，将空间碎片的航迹通过相邻帧的三维空间向量，转换为视运动角速度，根据预先设定的目标判断条件判断该航迹是否属于同一目标，如果符合目标判断条件，判断该航迹属于同一目标，否则，判断该航迹不属于同一目标，避免了帧频不固定和运动特性不一致造成空间碎片的漏检、观测模式不同空间碎片检测方法不同。

步骤7、空间碎片检测更新

根据奇数帧及偶数帧的空间碎片检测结果，按照给定的门限进行空间碎片检测更新。

由前述可知，短曝光图像上的空间碎片结合长曝光图像上的空间碎片，才有可能构成完整的指定空间区域的空间碎片，因此，本发明提出，在获取每个图像上的空间碎片之后，结合给定的门限以删除重复的空间碎片，得到指定天域中所包含的所有空间碎片。例如，某两帧图像上各有一个空间碎片的坐标仅相差一个像素(假设门限为一个像素)，可将该两个空间碎片视为同一个空间碎片，以此类推，合并相同的空间碎片，最终得到指定天域中所包含的所有空间碎片。

步骤8、奇数帧空间碎片坐标的多点平差(搜索模式下)

在搜索模式下，利用n+1个奇数帧中空间碎片的检测结果和多点平差方法来获取奇数帧图像上每个空间碎片的坐标信息，具体的：

设第i奇数帧中空间碎片个数为k_2i-1，获取每个空间碎片的实测坐标信息

其中t_2i-1为第i奇数帧对应的观测时刻，j＝1,2,…,k_2i-1，i＝1,2,…,n+1。

根据公式

采用最小二乘法，获得公式右侧各个系数的值，从而获取奇数帧图像上每个空间碎片的拟合坐标信息

步骤9、偶数帧空间碎片坐标的多点平差(搜索模式下)

在搜索模式下，利用n个偶数帧中空间碎片的检测结果和多点平差方法获取偶数帧图像上每个空间碎片的坐标信息，具体的：

设第m偶数帧中空间碎片个数为k_2m，获取每个空间碎片的实测坐标信息

其中t_2m为第m偶数帧对应的观测时刻，h＝1,2,…,k_2m，m＝1,2,…,n。

根据公式

采用最小二乘法，获得公式右侧各个系数的值，从而获取偶数帧图像上每个空间碎片的拟合坐标信息

步骤10、奇数帧空间碎片天文定位

不同的观测模式，天文定位所采用的坐标信息不同。

(1)在跟踪模式下利用第i奇数帧底片常数模型系数(例如

或者

i＝1,…,n+1)，以及第i奇数帧中空间碎片个数k_2i-1的实测坐标信息

i＝1,…,n+1，完成奇数帧中空间碎片天文定位。

(2)在搜索模式下利用第i奇数帧底片常数模型系数(同前述)以及第i奇数帧中空间碎片个数k_2i-1的拟合坐标信息

i＝1,…,n+1，完成奇数帧中空间碎片天文定位。

步骤11、偶数帧空间碎片天文定位

同样的，天文定位采用的坐标信息受观测模式影响：

(1)在跟踪模式下利用第2m-1及2m+1奇数帧底片常数模型系数以及第2m偶数数帧中空间碎片的实测坐标信息

完成偶数帧图像中空间碎片的天文定位。

(2)在搜索模式下利用第2m-1及2m+1奇数帧底片常数模型系数以及第2m偶数数帧中空间碎片多点平差后的拟合坐标信息

完成偶数帧图像中空间碎片的天文定位。

在实际操作中，还可以采用流水作业的方式实时采集图像、执行空间碎片检测定位工作。

结合图2，观测装置实时采集图像，对图像进行背景估计、坐标归算、奇数帧底片模型处理，处理后判断当前图像属于奇数帧图像还是偶数帧图像，以及判断当前帧的排序是否满足空间碎片最低检测要求。例如前述提及的基于恒星检索的空间碎片探测方法中，需要三帧以上奇数帧/偶数帧图像，对于奇数帧图像，只有总帧数达到5时才有实测帧、第三帧、第五帧这三幅奇数帧图像用以空间碎片探测，对于偶数帧图像，只有总帧数达到6时才有拟合帧、第四帧、第六帧这三幅奇数帧图像用以空间碎片探测。如果已达到，结合新采集到的图像以检测是否发现了新的空间碎片，获取其二维平面坐标，其中，奇数帧和偶数帧分别归入不同的序列进行空间碎片识别。继而判断用户是否需要停止图像采集行为：

(1)如果用户选择停止图像采集行为，判断目前得到的总帧数是否已经达到设定采集帧数，如设定7个，对应的n＝3，事实上，n最小等于3，由前述可知，要进行偶数帧图像的空间检测，至少需要三帧偶数帧图像，即总帧数必须达到6，而第6帧图像(偶数帧)在进行天文定位时，需要借助第5和第7帧图像一起进行，因此在实际应用中，至少需要7幅图像才能执行空间碎片的天文定位的完整流程，基于同样的原因，采集的图像的总帧数为奇数时较佳。

如果目前得到的总帧数未达到设定的最低采集帧数，直接结束观测流程，否则，根据不同的观测装置的工作模式、结合所有已采集的图像进行空间碎片的天文定位，同样的，奇数帧和偶数帧分别归入不同的序列进行进行空间碎片的天文定位，以及，如果观测装置的工作模式是搜索模式，首先利用n+1个奇数帧中空间碎片的检测结果和多点平差方法来获取奇数帧图像上每个空间碎片多点平差后的拟合坐标信息、利用n个偶数帧中空间碎片的检测结果和多点平差方法获取偶数帧图像上每个空间碎片多点平差后的拟合坐标信息，再分别利用底片常数模型系数和空间碎片多点平差后的拟合坐标信息，完成空间碎片天文定位，否则，直接利用底片常数模型系数和空间碎片的实测坐标信息，完成空间碎片的天文定位。

(2)如果用户选择不停止图像采集行为，则判断指定天域的所有空间碎片是否已经检测结束，如果检测结束，执行前述天文定位流程，否则继续采集新的图像，继续收集新的空间碎片信息。

在图2所示例子中，图像采集、处理、空间碎片探测、空间碎片天文定位各个步骤以流水线的方式工作，空间碎片观测效率更高，用户可以实时掌握观测进度，及时调整观测参数。

具体实施例二

当CCD相机采用长短曝光交替曝光时，可以放弃第一帧图像，如此，新的第一帧图像仍为短爆光图像，采用如前所述的基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法对获取的图像进行处理。除了舍弃的第一帧图像，其他图像的获取数最好大于7张。

具体实施例三

在相机帧频高的前提下，还可以采用短中长交替或者长中短交替曝光，此时存在三种不同爆光时长的图像帧组，三组图像帧对不同轨道的空间碎片具有不一样的观测效率，采用前述基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法分别对获取的三组图像帧进行观测，以得到更加精确的观测结果。

在其他例子中，还可以进一步引申，通过设置多于三种的爆光时长，以获取多个图像帧组，逐一分析以获取更为精确的观测结果。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (4)

1.一种基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法，其特征在于，所述观测方法包括以下步骤：

S1：采用CCD相机按照预先设置第一曝光时长和第二曝光时长交替采集(2n+1)帧指定区域的包括空间碎片和背景恒星的图像，其中，采用第一曝光时长采集奇数帧图像，采用第二曝光时长采集偶数帧图像，第一曝光时长小于第二曝光时长；所述n为大于等于3的正整数；

S2：对图像背景进行估计；

S3：根据图像背景的估计结果，对每帧图像进行全帧扫描，计算得到每帧图像上所有星像的二维平面坐标(x,y)，其中，设图像的左上角为坐标原点(0，0)，图像右侧为x轴增加方向，图像下侧为y轴增加方向，x为图像中星象所在位置在x轴方向上与坐标原点的距离，y为图像中星象所在位置在y轴方向上与坐标原点的距离；

S4：结合奇数帧图像上所有星象的二维平面坐标(x,y)，计算得到(n+1)个奇数帧底片常数模型系数；

S5：基于连续(n+1)个奇数帧图像，根据预设的检测方法以检测得到所有奇数帧图像所包含的低中高轨道空间碎片；

S6：基于n个连续偶数帧图像，根据预设的检测方法以检测得到所有偶数帧图像所包含的中高轨道空间碎片；

S7：基于奇数帧和偶数帧图像的空间碎片检测结果，结合预先设定的门限计算得到已检测到的所述指定区域上的所有空间碎片，判断观测模式是否为搜索模式，如果是搜索模式，进入步骤S8，否则进入步骤S10；

S8：在搜索模式下，利用多点平差方法，结合所有奇数帧图像的空间碎片检测结果获取奇数帧图像所包含的每个低中高轨道空间碎片在每张奇数帧图像上多点平差后的坐标信息；

S9：在搜索模式下，利用多点平差方法，结合所有偶数帧图像的空间碎片检测结果获取偶数帧图像所包含的每个中高轨道空间碎片在每张偶数帧图像上多点平差后的坐标信息；

S10：结合每幅奇数帧图像所包含的低中高轨道空间碎片的坐标信息和对应的奇数帧底片常数模型系数，完成奇数帧图像中空间碎片的天文定位；

S11：结合每幅偶数帧图像上空间碎片的坐标信息和相邻两幅奇数帧底片常数模型系数，完成偶数帧图像中空间碎片的天文定位；

步骤S8中，所述在搜索模式下，利用多点平差方法，结合所有奇数帧图像的空间碎片检测结果获取奇数帧图像上每个空间碎片的坐标信息包括以下步骤：

设第i奇数帧中空间碎片个数为k_2i-1，获取每个空间碎片的实测坐标信息

其中t_2i-1为第i奇数帧对应的观测时刻，j＝1,2,…,k_2i-1，i＝1,2,…,n+1；

根据公式

采用最小二乘方法，计算得到系数a₀、b₀、a₁、b₁、a₂、b₂的值，继而获取奇数帧图像上每个空间碎片多点平差后的拟合坐标信息

步骤S9中，所述在搜索模式下，利用多点平差方法，结合所有偶数帧图像的空间碎片检测结果获取偶数帧图像上每个空间碎片的坐标信息包括以下步骤：

设第m偶数帧中空间碎片个数为k_2m，获取每个空间碎片的实测坐标信息

其中t_2m为第m偶数帧对应的观测时刻，h＝1,2,…,k_2m，m＝1,2,…,n；

根据公式

采用最小二乘方法，计算得到系数a₀、b₀、a₁、b₁、a₂、b₂的值，继而获取偶数帧图像上每个空间碎片多点平差后的拟合坐标信息

步骤S10中，所述结合每幅奇数帧图像所包含的低中高轨道空间碎片的坐标信息和对应的奇数帧底片常数模型系数，完成奇数帧图像中空间碎片的天文定位包括以下步骤：

如果是观测模式为跟踪模式，利用第i奇数帧底片常数模型系数以及第i奇数帧中空间碎片的实测坐标信息

完成奇数帧中空间碎片天文定位；

如果观测模式为搜索模式，利用第i奇数帧底片常数模型系数，以及第i奇数帧中空间碎片多点平差后的拟合坐标信息

完成奇数帧中空间碎片天文定位；

步骤S11中，所述结合每幅偶数帧图像上空间碎片的坐标信息和相邻两幅奇数帧底片常数模型系数，完成偶数帧图像中空间碎片的天文定位包括以下步骤：

如果是观测模式为跟踪模式，利用第2m-1及2m+1奇数帧底片常数模型系数以及第2m偶数数帧中空间碎片的实测坐标信息

完成偶数帧图像中空间碎片的天文定位；

如果观测模式为搜索模式，利用第2m-1及2m+1奇数帧底片常数模型系数以及第2m偶数数帧中空间碎片多点平差后的拟合坐标信息

完成偶数帧图像中空间碎片的天文定位。

2.根据权利要求1所述的基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法，其特征在于，步骤S4中，所述结合奇数帧图像上所有星象的二维平面坐标(x,y)，计算得到(n+1)个奇数帧底片常数模型系数包括：

如果底片常数模型为

结合奇数帧图像上所有星象的二维平面坐标(x,y)，计算得到(n+1)个奇数帧底片常数模型系数为

如果底片常数模型为

结合奇数帧图像上所有星象的二维平面坐标(x,y)，计算得到(n+1)个奇数帧底片常数模型系数为

3.根据权利要求1所述的基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法，其特征在于，步骤S5和S6中，所述预设的检测方法包括以下步骤：

识别并剔除所有图像中的背景恒星，结合所有剔除背景恒星的图像，获取剩余星象的航迹特征，检测出图像上的所有空间碎片。

4.根据权利要求1所述的基于CCD相机不同曝光时间交替的空间碎片观测方法，其特征在于，所述方法还包括：

将图像背景的估计结果、计算得到每帧图像上所有星像的二维平面坐标(x,y)、图像中空间碎片的检测结果、天文定位结果发送至测量***。

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