[發(fā)明專利]一種基于星載可見光相機(jī)的空間碎片快速檢測定位方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610262261.X
• 申請日: 2016-04-25
• 公開（公告）號: CN105910583B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 翟光;趙琪;張景瑞;梁斌
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G01C11/00
• 分類號: G01C11/00;G01C11/04
• 代理公司: 北京理工正陽知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11639
• 代理人: 毛燕

1.一種基于星載可見光相機(jī)的空間碎片快速檢測定位方法，其特征在于：包括如下步驟，

步驟一：通過連通域檢測的方法，對星載可見光相機(jī)拍攝的圖片中碎片軌跡進(jìn)行編號；

采用8連通域檢測方法檢測出星載可見光相機(jī)拍攝的圖片中所有連通域；8連通域檢測方法是指遍歷灰度矩陣A中像素點(diǎn)A(i,j)周圍的8個像素點(diǎn)A(i-1,j-1)、A(i-1,j)、A(i-1,j+1)、A(i,j-1)、A(i,j+1)、A(i+1,j-1)、A(i+1,j)、A(i+1,j+1)，若周圍的8個像素點(diǎn)中存在滿足灰度閾值的像素點(diǎn)，則認(rèn)為該像素點(diǎn)與A(i,j)連通；遍歷圖像中每個像素，進(jìn)行8連通域檢測，并對每個連通區(qū)域進(jìn)行編號；

步驟二：計算碎片成像幾何特征；所述的碎片成像幾何特征包括：成像面積m₀₀、形心(u₀,v₀)、橢圓長半軸a、橢圓短半軸b、橢圓離心率e、橢圓長軸與橫軸正向夾角θ；

步驟三：制定幀間匹配準(zhǔn)則，進(jìn)行幀間匹配，使幀與幀之間碎片成像軌跡一一對應(yīng)；

步驟3.1：幀間匹配特征選取；

由于碎片與相機(jī)存在相對運(yùn)動，導(dǎo)致碎片成像在不同幀中的位置不同，所以在選擇匹配特征時，選擇在短時間內(nèi)幾乎不發(fā)生變化的特征作為匹配特征；

步驟二中得到的六個碎片圖像特征包括：成像面積m₀₀、形心(u₀,v₀)、橢圓長半軸a、橢圓短半軸b、橢圓離心率e、橢圓長軸與橫軸正向夾角θ，其中，短時間內(nèi)幾乎不變的特征包括：成像面積m₀₀、橢圓長半軸a、橢圓短半軸b、橢圓離心率e、橢圓長軸與橫軸正向夾角θ；上述五個特征中，選取成像面積m₀₀、橢圓長半軸a、橢圓長軸與橫軸正向夾角θ三個特征作為選取的幀間匹配特征；為了對碎片成像位置進(jìn)行約束，結(jié)合形心(u₀,v₀)、橢圓半長軸a、橢圓長軸與橫軸正向夾角θ三個特征計算相鄰幀同一碎片的形心偏移距離閾值；

步驟3.2：根據(jù)步驟3.1選取的特征設(shè)定用于步驟3.3幀間匹配的閾值；所述的閾值包括相鄰幀之間碎片成像形心偏移距離閾值l_thr、面積變化閾值s_thr、橢圓長軸與橫軸正向夾角變化閾值θ_thr、半長軸變化閾值a_thr；

記相機(jī)曝光時間為t_ep，拍照間隔時間為t_in，相鄰幀之間碎片成像形心偏移距離閾值為l_thr，面積變化閾值為s_thr，橢圓長軸與橫軸正向夾角變化閾值為θ_thr，半長軸變化閾值為a_thr；

碎片在曝光時間內(nèi)移動的距離近似等于橢圓長軸2a，所以相鄰幀碎片形心移動距離可近似表示為：

因此，設(shè)定相鄰幀之間碎片成像形心偏移距離閾值l_thr：

l_thr＝Δl+δ_l (2)

式(2)中，δ_l為形心偏移閾值冗余量；

對于面積變化閾值s_thr、橢圓長軸與橫軸正向夾角變化閾值θ_thr、橢圓半長軸變化閾值a_thr，由于在短時間內(nèi)碎片成像的幾何特征變化很小，所以，近似取相鄰兩幀s_thr、θ_thr、a_thr為：

s_str＝δ_s (3)

θ_thr＝δ_θ (4)

a_thr＝δ_a (5)

其中，δ_s、δ_θ、δ_a分別為面積、夾角、半長軸冗余量；

步驟3.3：進(jìn)行幀間匹配，使幀與幀之間碎片成像軌跡一一對應(yīng)；

對于步驟3.2設(shè)定的閾值，按影響程度進(jìn)行排序；首先，滿足形心偏移閾值l_thr是匹配的先決條件；對于滿足該條件的，根據(jù)面積閾值s_thr、橢圓半長軸閾值a_thr、橢圓長軸與橫軸夾角閾值θ_thr進(jìn)行匹配；

因不同的特征對匹配的影響程度不同，所以引入匹配度的概念，對各個特征分配不同的匹配權(quán)重k_i；在滿足特征閾值的前提下，根據(jù)當(dāng)前幀碎片成像特征與前一幀圖像特征的誤差，確定特征匹配度mch_i；最后，計算得到所有特征的匹配度Mch：

若匹配度Mch大于設(shè)定的閾值，則認(rèn)為相鄰兩幀中兩個像為同一目標(biāo)；

步驟四：解算目標(biāo)方位角α、β，完成碎片方位角定位；

因碎片在短時間內(nèi)的相對運(yùn)動可視為勻速直線運(yùn)動，所以根據(jù)相鄰幀圖像中同一碎片所成像的形心計算碎片在曝光結(jié)束時刻所在(u,v)坐標(biāo)；上一幀碎片形心為(u′_c,v′_c)，當(dāng)前幀碎片形心為(u_c,v_c)，相機(jī)曝光時間t_ep、拍照間隔t_in，得拍照結(jié)束時刻目標(biāo)坐標(biāo)(u_t,v_t)為：

結(jié)合針孔成像坐標(biāo)系，根據(jù)圖像坐標(biāo)系O_p-X_pY_p相機(jī)坐標(biāo)系O_c-X_cY_cZ_c、數(shù)字圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計算目標(biāo)方位角α、β；相機(jī)坐標(biāo)系O_c-X_cY_cZ_c中，O_c為相機(jī)光心，Z_c為光軸，X_c、Y_c與成像平面的X_p、Y_p軸平行；

由針孔成像模型各坐標(biāo)系間的比例關(guān)系：

式(8)中，f為相機(jī)的焦距， 記每個像素在X_p與Y_p方向上物理尺寸為dX、dY，CCD相機(jī)面陣為m×m像素，取圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)在數(shù)字圖像坐標(biāo)系(u,v)中的坐標(biāo)(u₀,v₀)為：

式(9)中，m一般為偶數(shù)，因此需加0.5后，圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)(u₀,v₀)位于圖像正中；根據(jù)圖像坐標(biāo)系O_p-X_pY_p與數(shù)字圖像坐標(biāo)系o-uv間的關(guān)系，得圖像坐標(biāo)系中的點(diǎn)(x_p,y_p)對應(yīng)的(u,v)坐標(biāo)為：

偏航角α、俯仰角β為：

由針孔成像模型，相機(jī)坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

結(jié)合式(10)、(11)、(12)，得：

解算出目標(biāo)方位角α、β后，即完成碎片方位角定位。