CN113483879B - 一种小卫星颤振高速视频测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小卫星颤振高速视频测量方法，包括以下步骤：1)构建高速视频测量***；2)通过高速相机对振动的小卫星进行拍摄，通过对粘贴在小卫星表面的目标点进行跟踪匹配和三维重建，获得目标点的时程位移曲线，根据位移量解算得到小卫星的颤振频率。与现有技术相比，本发明具有简单精确等优点。

Description

一种小卫星颤振高速视频测量方法
技术领域
本发明涉及卫星视频数据处理领域，尤其是涉及一种小卫星颤振高速视频测量方法。
背景技术
卫星颤振是指卫星在轨运行期间，受到星上动态结构和姿态控制等因素影响而产生的姿态抖动，卫星分辨率和敏捷性越高，平台颤振影响越显著。颤振是小卫星平台在轨运行普遍存在的复杂现象，影响了卫星成像质量和几何定位及测图精度，是小卫星发展亟需解决的关键问题，而目前还没有针对卫星颤振的在线检测方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种小卫星颤振高速视频测量方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种小卫星颤振高速视频测量方法，包括以下步骤：
1)构建高速视频测量***；
高速视频测量***包括上位机、高速相机、高速图像采集卡与存储卡、同步控制器和全站仪，所述的高速相机设有两台，构成双目测量网络，所述的高速相机通过高速图像采集卡与存储卡将采集到的小卫星振动序列图像发送给上位机，所述的同步控制器用以实现两台高速相机的同步拍摄；
小卫星悬挂于支架下方，用于模拟失重环境下卫星的颤振情况；在实验过程中，通过对安置于小卫星内部动量轮的转速控制，造成卫星一定程度的颤振；
2)通过高速相机对振动的小卫星进行拍摄，通过对粘贴在小卫星表面的目标点进行跟踪匹配和三维重建，获得目标点的时程位移曲线，根据位移量解算得到小卫星的颤振频率。
所述的高速相机为CameRecord CL600x2型高速相机。
所述的高速视频测量***采用8块SSD硬盘组成的磁盘阵列作为长期存储介质。
所述的高速视频测量***的网络构建包括以下步骤：
11)设计人工标志：
所述的人工标志由白色圆和黑色边界所组成，并将其粘贴在卫星表面；
12)控制网布设，用以进行立体标定。
所述的步骤2)具体包括以下步骤：
21)通过立体标定获取高速相机的内、外方位参数；
22)对于高速相机拍摄得到的小卫星图像上的同名影像点，根据目标点二维坐标以及内、外方位参数通过前方交会算法计算得到目标点的三维坐标，进而得到目标点的时程位移曲线；
23)获取目标点时程位移曲线的颤振频谱，解算得到小卫星的颤振频率。
所述的步骤21)中，采用平面标定板的标定方法获取高速相机的内方位参数，并通过高速相机与标定板之间的空间平移和旋转变换得到高速相机的外方位参数。
所述的步骤21)中，标定后的高速相机在拍摄过程中位置不变。
所述的步骤22)中，根据每台高速相机的内外方位参数，对于一对同名影像点，建立四个线性方程式求解三维坐标的三个未知数，在此计算过程中，通过线性最小二乘法获取三维重建中的最终坐标结果。
所述的步骤23)中，以时程位移曲线作为序列数据信号f(x)，获取时程位移曲线的颤振频谱的表达式为：
Figure GDA0003820383790000021
其中，a0/2为直流分量，an为余弦项的傅立叶系数，bn为正弦项的傅立叶系数，每个频率n对应的幅值为
Figure GDA0003820383790000022
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出了一种小卫星颤振高速视频测量方法，运用高速相机，对失重环境下小卫星的振动过程进行拍摄，并且基于高速视频测量方法解算出粘贴在小卫星表面目标点的位移，进而对卫星的颤振频率、幅度进行解算，简单精确。
附图说明
图1为高速视频测量***的布置示意图。
图2为人工标志点标注示意图。
图3为X方向位移。
图4为Y方向位移。
图5为Z方向位移。
图6为总位移。
图7为频谱分析结果，其中，图(7a)为时域分析结果，图(7b)为频域分析结果。
图8为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种小卫星颤振高速视频测量方法，包括以下步骤：
1)根据小卫星颤振地面实验场景构建高速视频测量***；
2)利用高速摄影测量技术获取小卫星表面标志点三方向(X、Y、Z)上的位移；
3)将解算出的目标点在时域下的位移信息经傅里叶变换在频域下表示，求解出其颤振主频率。
最后在本方法失重环境下小卫星的振动模拟试验中得到了验证，
各步骤的具体描述如下：
步骤1：高速视频测量***构建
在卫星振动的过程中，使用高速相机对卫星进行拍摄，通过对粘贴于小卫星表面的目标点进行跟踪匹配、三位重建，获得目标点的时程位移曲线，最后根据位移量解算出卫星的颤振频率。
本例中构建高速视频测量***，使用2台CameRecord CL600x2高速相机形成立体视觉组合进行拍摄，成像范围约为2m×2m，相机距离卫星约1.5m，相机具体的布设位置如图1所示。
1.1高速视频测量***的硬件构成
(1)高速相机
本实验所使用的相机参数如表1所示。
表1 CL600x2型相机参数
Figure GDA0003820383790000041
Optronis公司的CameRecord CL600x2型高速相机最大分辨率为1280×1024像素、帧频为500fps。
(2)高速图像采集卡与存储卡
计算机***采用8块SSD硬盘组成的磁盘阵列作为长期存储介质，其写速率在10000Mbps左右，支持高速影像的实时采集与存储。计算机***内存设置为1TB，则其单次采集最长运行时间为149s，且在最长工况下单次采集最长不超过605s。
(3)同步控制器
用以使得同步线路的同步精度不超过100ns。
(4)高精度全站仪
用以测量目标点的初始三维坐标，其点位测量精度优于0.5mm。
1.2高速视频测量***的网络构建
(1)人工标志设计
圆形标志由白色圆和黑色边界所组成，主要作用于精确点位的三维量测，可在卫星表面粘贴圆心标志点，标志点位置如图2所示。
(2)控制网布设
本例中提供两种定向方案：
无控相对定向，即使用标定板进行立体标定；
实验前测定控制点位置，需满足：控制点要均匀地分布在高速相机所拍到的图像中。(实验前需要全站仪测出空间点位坐标)
步骤二：小卫星平台颤振参数解析
2.1标志点三维坐标重建
在本实例中，基于平面标定板的标定方法被用来计算立体相机的内方位参数，该类标定方法具有灵活性、可靠性和低成本的优点。为了获得这些高精度的内方位参数，应当进一步考虑高阶次径向镜头畸变和切向镜头畸变参数。然而，不同于传统的单相机标定，立体相机标定还需要确定每个相机的外部方向参数。因此，联测的相机应同步采集标定板影像，通过各相机和标定板之间的空间平移和旋转变换，可以计算出立体相机的外方位参数。此外，应注意标定后的相机在实验过程中保持稳定不动。在随后的数据处理中，每当获得任何同名影像点的二维坐标之后，便可以通过前方交会算法计算该目标点的三维坐标，如下式所示，共线条件方程可以通过一系列数学变换得出：
Figure GDA0003820383790000051
在上述公式中，(x,y)表示相应点的校正影像坐标；f为相机像距；(XS,YS,ZS)作为外方位的线参数以表示透视中心的三维空间坐标；(a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3)均为旋转矩阵的元素，由三个外方位的角度元素组成；(XA,YA,ZA)未目标点的未知空间坐标。通过精确的立体标定，每台工业相机的内外方位参数已被视为已知值。对于一对同名点，可以建立四个线性方程式来求解三个未知数。在此计算过程中，可以通过线性最小二乘法直接计算三维重建中的最终坐标结果。
作为最基本的结构动力学参数，可以通过对初始坐标和后续坐标的坐标差来获得全场目标点的三维位移。
2.2颤振频谱分析
振动频谱参数同样是描述小卫星平台振动特性的参数之一，将单维序列数据进行傅立叶变换，可以获得该序列数据(或称信号)f(x)在不同频率下的简谐波分量。每一个分量的幅值代表了该分量的强弱，因而将所有频率分量的强弱展示出来，即可获得信号的频谱，则有：
Figure GDA0003820383790000052
在上述公式中，假设函数周期为2π，一般函数f(x)的傅立叶级数则既含有正弦项，又含有余弦项；a0/2为函数直流分量，an为余弦项的傅立叶系数，bn为正弦项的傅立叶系数，因此，每个频率的幅值为
Figure GDA0003820383790000061
实施例
试验分析
(1)实验场景
本次实验的小卫星悬挂于支架下方，用于模拟失重环境下卫星的颤振情况。
在实验过程中，通过对安置于小卫星内部动量轮的转速控制，造成卫星一定程度的颤振。
(2)实验结果
1、三维空间坐标解算结果
本次实验使用了光束法平差方法分别对该工况下所拍摄的序列影像进行处理。通过对贴在振动台面上的目标点进行匹配跟踪，获取其在每帧影像上的位置，并根据全站仪测量得到的控制点坐标，基于共线方程，解算出的目标点在每帧影像上XYZ三个方向的位移，如图3-4所示，从解算结果可以看出高速视频测量方法在X和Z方向测得约0.03mm左右的位移量，如图5所示在Y方向测得最大位移为0.08mm。
2、频谱分析结果
根据所解算出的目标点在时域下的位移信息经傅里叶变换在频域下表示，以求解出其颤振主频率，其解算结果如图7所示。
3、精度分析
为评估本次实验结果的解算精度，在解算过程中使用9个控制点带入光束法平差对目标点三维空间坐标进行求解，另外使用4个为参与解算的控制点坐标对解算精度进行检验。将该4点的三维空间解算结果与其全站仪测得的三维空间结果对比，如表2所示
表2三维空间解算结果与其全站仪测得的三维空间结果对比
Figure GDA0003820383790000062
Figure GDA0003820383790000071
从表2可以看出静态三维重建误差可达到亚毫米的精度，最大误差为0.357毫米。

Claims (6)

1.一种小卫星颤振高速视频测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建高速视频测量***；
所述高速视频测量***包括上位机、高速相机、高速图像采集卡与存储卡、同步控制器和全站仪，所述的高速相机设有两台，构成双目测量网络，所述的高速相机通过高速图像采集卡与存储卡将采集到的小卫星振动序列图像发送给上位机，所述的同步控制器用以实现两台高速相机的同步拍摄；
小卫星悬挂于支架下方，用于模拟失重环境下卫星的颤振情况；在实验过程中，通过对安置于小卫星内部动量轮的转速控制，造成卫星一定程度的颤振；
2)通过高速相机对振动的小卫星进行拍摄，通过对粘贴在小卫星表面的目标点进行跟踪匹配和三维重建，获得目标点的时程位移曲线，根据位移量解算得到小卫星的颤振频率，具体包括以下步骤：
21)通过立体标定获取高速相机的内、外方位参数；
22)对于高速相机拍摄得到的小卫星图像上的同名影像点，根据目标点二维坐标以及内、外方位参数通过前方交会算法计算得到目标点的三维坐标，进而得到目标点的时程位移曲线；
23)获取目标点时程位移曲线的颤振频谱，解算得到小卫星的颤振频率，具体为：以时程位移曲线作为序列数据信号f(x)，获取时程位移曲线的颤振频谱的表达式为：
Figure FDA0004146769020000011
其中，a0/2为直流分量，an为余弦项的傅立叶系数，bn为正弦项的傅立叶系数，每个频率n对应的幅值为
Figure FDA0004146769020000012
所述的高速相机为CameRecord CL600x2型高速相机。
2.根据权利要求1所述的一种小卫星颤振高速视频测量方法，其特征在于，所述的高速视频测量***采用8块SSD硬盘组成的磁盘阵列作为长期存储介质。
3.根据权利要求1所述的一种小卫星颤振高速视频测量方法，其特征在于，所述的高速视频测量***的网络构建包括以下步骤：
11)设计人工标志：
所述的人工标志由白色圆和黑色边界所组成，并将其粘贴在卫星表面；
12)控制网布设，用以进行立体标定。
4.根据权利要求1所述的一种小卫星颤振高速视频测量方法，其特征在于，所述的步骤21)中，采用平面标定板的标定方法获取高速相机的内方位参数，并通过高速相机与标定板之间的空间平移和旋转变换得到高速相机的外方位参数。
5.根据权利要求1所述的一种小卫星颤振高速视频测量方法，其特征在于，所述的步骤21)中，标定后的高速相机在拍摄过程中位置不变。
6.根据权利要求1所述的一种小卫星颤振高速视频测量方法，其特征在于，所述的步骤22)中，根据每台高速相机的内外方位参数，对于一对同名影像点，建立四个线性方程式求解三维坐标的三个未知数，在此计算过程中，通过线性最小二乘法获取三维重建中的最终坐标结果。
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