一種交會測量相機曝光時間的調(diào)整方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種交會測量相機曝光時間的調(diào)整方法，主要應(yīng)用于空間交會測量相機的曝光時間調(diào)整【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明的方法確定滯環(huán)轉(zhuǎn)捩距離后，引入滯環(huán)防抖技術(shù)，根據(jù)先驗測量距離變化關(guān)系，構(gòu)成防抖閉環(huán)系統(tǒng)，即根據(jù)先驗測量距離的變化特征判斷目標是接近還是撤離狀態(tài)，將當前幀距離減去前一幀距離獲得幀間移動量，如果連續(xù)5幀幀間移動量之和大于零即表示目標為撤離狀態(tài)否則即為接近狀態(tài)，設(shè)定對應(yīng)的滯環(huán)防抖波動余量，當連續(xù)5幀幀間移動量之和大于防抖波動余量時將進行對應(yīng)積分時間調(diào)整，以此狀態(tài)實現(xiàn)積分時間穩(wěn)定過渡避免積分時間抖動。
【專利說明】一種交會測量相機曝光時間的調(diào)整方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種交會測量相機曝光時間的調(diào)整方法，主要應(yīng)用于空間交會測量相機的曝光時間調(diào)整【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著航天任務(wù)數(shù)量和種類的日益增多，尤其是在軌抓捕、釋放以及修復(fù)技術(shù)等空間操作任務(wù)的迫切需求，使得航天器交會對接技術(shù)取得快速進步。交會測量相機是追蹤飛行器與目標飛行器交會對接的近距離光學(xué)測量設(shè)備。
[0003]交會測量相機安裝在追蹤飛行器上，由角反射器組成的目標標志器安裝在目標飛行器上。其功能是在追蹤飛行器與目標飛行器交會對接時規(guī)定測量范圍內(nèi)，通過交會測量相機對目標標志器成像，運用圖像處理算法可以得到相機坐標系相對于目標標志器坐標系的相對位置和相對姿態(tài)角。
[0004]交會測量相機研制難點之一是要求在Im到20m距離范圍內(nèi)具有較高的位置和姿態(tài)測量精度，同時要求具有較高的數(shù)據(jù)更新率和較短的數(shù)據(jù)延遲時間，需要通過照明光源對目標標志器照明獲得穩(wěn)定而快速的圖像數(shù)據(jù)。
[0005]因此如何獲得穩(wěn)定而快速的圖像數(shù)據(jù)以實現(xiàn)高精度、高數(shù)據(jù)更新率的測量目標，是交會測量相機研制過程中的技術(shù)難題。通常方法主要通過對全視場多目標點成像，利用圖像處理算法計算各個目標灰度水平，根據(jù)測量算法需求的灰度水平調(diào)整對應(yīng)的積分時間，但是這種方法只能保證目標回光輻射亮度均勻穩(wěn)定的主動發(fā)光目標獲得較好的圖像，而對于輻射亮度隨測量距離不斷變化的被動發(fā)光目標并不能保證獲得穩(wěn)定的目標圖像，本發(fā)明的方法提出解決了對于輻射亮度隨測量距離不斷變化的被動發(fā)光目標無法獲得穩(wěn)定測量圖像的技術(shù)難題。
[0006]文獻如下:
[0007][I]王銳，邵曉鵬，徐軍等，基于定標積分時間法提高紅外成像系統(tǒng)動態(tài)范圍的研究，紅外技術(shù)，2009年第31卷第7期
[0008][2]王茹，王翠亞，李金霞，基于CPLD的T⑶150ID型線陣CXD自適應(yīng)驅(qū)動電路設(shè)計，光學(xué)學(xué)報，2008年I期
[0009][3]Elizabeth Tanner, Stephen Granade, and Charles A, Whitehead,Autonomousrendezvous and docking sensor suite, Proceedings of SPIE Vol.5086(2003)
[0010]文獻情況:
[0011]文獻[I]通過把探測到的目標或場景的信息作為反饋量自適應(yīng)地調(diào)節(jié)曝光時間，實現(xiàn)對系統(tǒng)動態(tài)范圍的自動調(diào)整，從而獲得一個較寬的動態(tài)范圍；
[0012]文獻[2]將傳統(tǒng)的閾值分割和曝光時間自適應(yīng)技術(shù)結(jié)合，根據(jù)CCD應(yīng)用現(xiàn)場圖像二值圖評估光照強度浮動，調(diào)整積分時間；
[0013]文獻[3]通過分析圖像灰度水平，調(diào)整光源發(fā)光強度和積分時間，獲得穩(wěn)定的測量圖像。
[0014]文獻[1-3]中曝光時間調(diào)整方法需要經(jīng)過多次積分時間調(diào)節(jié)才能達到比較合適的狀態(tài)，而且對于不斷變化的目標，調(diào)節(jié)積分時間的次數(shù)不能確定，最終導(dǎo)致圖像輸出的幀頻也比較低。
[0015]交會測量相機為點光源成像，從最遠距離25m至最近距離Im由于測量距離跨度較大而導(dǎo)致目標圖像無法穩(wěn)定在一定的灰度水平范圍。目標亮度過強會導(dǎo)致目標圖像溢出甚至產(chǎn)生拖尾；目標亮度過弱會導(dǎo)致目標無法識別，從而影響后續(xù)目標標志器特征識別算法的正常工作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種交會測量相機曝光時間的調(diào)整方法。
[0017]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0018]本發(fā)明的一種交會測量相機曝光時間的調(diào)整方法，該方法的步驟為:
[0019]I)根據(jù)交會測量相機上的曝光時間等級N和測量距離范圍Lmin-Lmax,計算滯環(huán)轉(zhuǎn)淚距尚 Lm = (Lmax/Lmin)m/NXLmin ；m = 1,2U_1 ；
[0020]2)根據(jù)交會測量相機的最大運動速度Vmax和數(shù)據(jù)更新率K (赫茲)，計算滯環(huán)防抖波動余量AL，AL = aXVmax/K;a為整數(shù)，4彡a彡12 ；
[0021]3) 一檔曝光時間與二檔曝光時間切換策略如下:
[0022]i當交會測量相機的運動距離L滿足Lmin < L < L1，不進行曝光時間切換，維持I檔曝光時間；
[0023]?當交會測量相機的運動距離L滿足L1+ Λ L < L < L2,不進行曝光時間切換，維持2檔曝光時間；
[0024]iii當交會測量相機的運動距離L滿足L1彡L彡L1+ Δ L,交會測量相機開始記錄以后a巾貞數(shù)據(jù)并定義為Z1, z2, Z3,..., za,當z2+z3+“*+za-(a_l) Xz1X)時,確定當前工作狀態(tài)為后退，在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離za > L1+Λ ?曝光時間等級由I檔更改為2檔；
[0025]iv當交會測量相機的運動距離L滿足L1彡L彡L1+ Δ L時,交會測量相機開始記錄以后a巾貞數(shù)據(jù)并定義為Z1, z2, Z3,…，za,當z2+z3+“*+za-(a_l) Xz,O時確定當前工作狀態(tài)為前進，在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離ZaI1時，曝光時間等級由2檔更改為I檔；
[0026]V當交會測量相機的運動距離L滿足L1彡L彡L1+ Λ L時，交會測量相機開始記錄以后a巾貞數(shù)據(jù)并定義為Z1, z2, Z3,..., za,當z2+z3+“*+za-(a_l) Xz1X)時,確定當前工作狀態(tài)為后退，在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離za ( L1+Λ ?不進行曝光時間調(diào)整；
[0027]vi當交會測量相機的運動距離L滿足L1彡L彡L1+ Δ L時,交會測量相機開始記錄以后a巾貞數(shù)據(jù)并定義為Z1, z2, Z3,…，za,當z2+z3+“*+za-(a_l) Xz,O時確定當前工作狀態(tài)為前進，在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離Za ^ L1，不進行曝光時間調(diào)整；
[0028]4)m檔曝光時間與m+1檔曝光時間切換策略同步驟3)中一檔曝光時間與二檔曝光時間切換策略。
[0029]有益效果
[0030]本發(fā)明設(shè)計了以曝光時間等級變換和滯環(huán)防抖工作機理為基礎(chǔ)，通過考慮目標圖像在不同測量距離的能量差異即能量變化和距離平方成反比，從而有效地將密特觸發(fā)器原理和分段積分時間策略結(jié)合起來，有效地解決了目標圖像能量隨測量距離變化而影響交會測量子系統(tǒng)正常測量的問題，增強交會測量子系統(tǒng)在大范圍復(fù)雜環(huán)境下的工作能力。文獻[1-3]中曝光時間調(diào)整方法需要經(jīng)過多次積分時間調(diào)節(jié)才能達到比較合適的狀態(tài)，而且對于不斷變化的目標，調(diào)節(jié)積分時間的次數(shù)不能確定，最終導(dǎo)致圖像輸出的幀頻也比較低。因為本發(fā)明提出的曝光時間調(diào)整方法較文獻[1-3]中的曝光時間處理算法在復(fù)雜空間環(huán)境下的適應(yīng)能力上有明顯提高，并極大地降低了曝光時間調(diào)整周期和硬件系統(tǒng)復(fù)雜度。
[0031]本發(fā)明設(shè)計了基于滯環(huán)防抖原理的相機曝光時間調(diào)整方法，同時能夠降低復(fù)雜空間操作過程對積分時間的影響，增強交會測量相機在復(fù)雜操作工況下的工作能力。
[0032]本發(fā)明的方法可以有效降低發(fā)光系統(tǒng)的硬件設(shè)計和積分時間調(diào)整復(fù)雜度，使用于場景復(fù)雜的空間應(yīng)用，考慮了目標圖像在不同測量距離之間的物理特征差異，通過積分時間調(diào)整將目標圖像灰度水平穩(wěn)定在相機測量系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作的范圍之內(nèi)，有效地解決了目標能量過強或過弱的問題，從而為準確的光點提取奠定基礎(chǔ)。
[0033]本發(fā)明的方法為高魯棒性、高刷新率交會測量相機的研制具有重要工程使用價值。
[0034]本發(fā)明的方法充分考慮了目標圖像在不同測量距離之間的物理特征差異，通過積分時間調(diào)整將目標圖像灰度水平穩(wěn)定在相機測量系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作的范圍之內(nèi)，有效地解決了目標能量過強或過弱的問題，從而為準確的光點提取奠定基礎(chǔ)。
[0035]本發(fā)明的方法確定滯環(huán)轉(zhuǎn)捩距離后，引入滯環(huán)防抖技術(shù)，根據(jù)先驗測量距離變化關(guān)系，構(gòu)成防抖閉環(huán)系統(tǒng)，即根據(jù)先驗測量距離的變化特征判斷目標是接近還是撤離狀態(tài)，將當前幀距離減去前一幀距離獲得幀間移動量，如果連續(xù)5幀幀間移動量之和大于零即表示目標為撤離狀態(tài)否則即為接近狀態(tài)，設(shè)定對應(yīng)的滯環(huán)防抖波動余量，當連續(xù)5幀幀間移動量之和大于防抖波動余量時將進行對應(yīng)積分時間調(diào)整，以此狀態(tài)實現(xiàn)積分時間穩(wěn)定過渡避免積分時間抖動。
[0036]完成積分轉(zhuǎn)捩距離等比數(shù)列和滯環(huán)防抖技術(shù)應(yīng)用策略結(jié)合，在連續(xù)跟蹤過程中，完成積分時間動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)全測量距離內(nèi)積分時間穩(wěn)定調(diào)整。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1為實施例中曝光時間切換圖。

【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0039]實施例
[0040]如圖1所示，
[0041]I)根據(jù)交會測量相機上的曝光時間等級N = 3和測量距離范圍Lmin = lm, Lmax =20m,計算滯環(huán)轉(zhuǎn)捩距離L1 = 2.71m、L2 = 7.37m。
[0042]2)根據(jù)交會測量相機的最大運動速度Vmax = 0.3m/s和數(shù)據(jù)更新率K (赫茲)=5Hz，計算滯環(huán)防抖波動余量AL，AL = a XVmax/K = 0.36 (m);其中a取值為6 ；
[0043]3) 一檔曝光時間與二檔曝光時間切換策略如下:
[0044]i當交會測量相機的運動距離L滿足Im < L < 2.71m時，不進行曝光時間切換，維持I檔曝光時間；例如L=L 5m，不進行曝光時間切換，維持I檔曝光時間；
[0045]?當交會測量相機的運動距離L滿足3.07m < L < 7.37m時，不進行曝光時間切換，維持2檔曝光時間；例如L = 5.5m，不進行曝光時間切換，維持2檔曝光時間；
[0046]iii當交會測量相機的運動距離L滿足2.71 < L < 3.07時，交會測量相機開始記錄以后6巾貞數(shù)據(jù)并定義為Z1, z2, Z3,..., Z6,當ZdzfMz6-SXz1X)時,確定當前工作狀態(tài)為后退，在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離Z6 >3.07,曝光時間等級由
I檔更改為 2 檔；例如 L = 2.96m, Z1 = 2.98, Z2 = 3.00, Z3 = 3.01, Z4 = 3.02, Z5 = 3.05,Z6 = 3.08，滿足z2+z3+-+z6-5xzi>0且Z6 > 3.07，將曝光時間由I檔更改為2檔；
[0047]iv當交會測量相機的運動距離L滿足2.71 < L < 3.07時，交會測量相機開始記錄以后6巾貞數(shù)據(jù)并定義為Z1, z2, Z3,…^,當叾^一…+叾^父叾巧時確定當前工作狀態(tài)為前進，在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離Z6 < 2.71時，曝光時間等級由 2 檔更改為 I 檔；例如 L = 2.80，Z1 = 2.78，Z2 = 2.77，Z3 = 2.76，Z4 = 2.74，Z5 =
2.72，Z6 = 2.69，滿足z2+z3+-+z6-5xzi<0且Z6 < 2.71，將曝光時間由2檔更改為I檔；
[0048]V當運動距離2.71 < L < 3.07時，交會測量相機開始記錄以后6幀數(shù)據(jù)并定義為ZpZyZ3,..., Z6,當ZfZfMZ6-SXZ1X)時,確定當前工作狀態(tài)為后退,在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離Z6 ^3.07,不進行曝光時間調(diào)整；例如L = 2.94m, Z1=2.96，Z2 = 2.98，Z3 = 2.99，Z4 = 3.00，Z5 = 3.03，Z6 = 3.06，滿足 z2+z3+…+ζβ~5 X Z1X)且Z6 < 3.07，不進行曝光時間調(diào)整；
[0049]vi當運動距離2.71 < L < 3.07時，交會測量相機開始記錄以后6幀數(shù)據(jù)并定義為Z1, ζ2, Z3,..., Z6,當ZfzfMz6-SXzO時確定當前工作狀態(tài)為前進,在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離Z6 ^ 2.71，不進行曝光時間調(diào)整；例如L = 2.84，Z1=2.82, Z2 = 2.81，Z3 = 2.80，Z4 = 2.78，Z5 = 2.76，Z6 = 2.73，滿足 ζ2+ζ3+…+ζβ~5 X ζ,Ο且4 > 2.71，不進行曝光時間調(diào)整；
[0050]4) 二檔曝光時間與三檔曝光時間切換策略如下:
[0051]i當交會測量相機的運動距離L滿足3.07m < L < 7.37m時，不進行曝光時間切換，維持2檔曝光時間；例如L = 5.5m，不進行曝光時間切換，維持2檔曝光時間；
[0052]?當交會測量相機的運動距離L滿足7.73m < L < 20m時，不進行曝光時間切換，維持3檔曝光時間；例如L = 10m，不進行曝光時間切換，維持3檔曝光時間；
[0053]iii當交會測量相機的運動距離L滿足7.37m ^ L ^ 7.73m時，交會測量相機開始記錄以后6巾貞數(shù)據(jù)并定義為Z1, z2, Z3,..., Z6,當ZdzfMz6-SXz1X)時,確定當前工作狀態(tài)為后退，在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離26>7.73m，曝光時間等級由 2 檔更改為 3 檔；例如 L = 7.60m, Z1 = 7.62m, z2 = 7.65m, z3 = 7.68m, z4 = 7.70m,z5 = 7.72m，z6 = 7.75m，滿足 z2+z3+…+z6_5X Z1X)且 z6 > 7.73m，將曝光時間由 2 檔更改為3檔；
[0054]iv當交會測量相機的運動距離L滿足7.37m ^ L ^ 7.73m時，交會測量相機開始記錄以后6巾貞數(shù)據(jù)并定義為Z1, z2, Z3,..., Z6,當ZdzfMz6-SXzO時確定當前工作狀態(tài)為前進，在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離Z6 < 7.37m時，曝光時間等級由 3 檔更改為 2 檔；例如 L = 7.52m, Z1 = 7.51m, z2 = 7.49m, z3 = 7.46m, z4 = 7.43m,z5 = 7.39m, z6 = 7.35m，滿足 z2+z3+…+z6_5X Zl〈0 Kz6 <7.37m，將曝光時間由 3 檔更改為2檔；
[0055]V當運動距離7.37m彡L彡7.73m時，交會測量相機開始記錄以后6幀數(shù)據(jù)并定義為ZpZyZ3,..., Z6,當ZfZfMZ6-SXZ1X)時,確定當前工作狀態(tài)為后退,在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離z6 ( 7.73m，不進行曝光時間調(diào)整；例如L = 7.57m,Z1 = 7.59m, z2 = 7.62m, z3 = 7.65m, z4 = 7.67m, z5 = 7.69m, z6 = 7.72m,滿足 z2+z3+...+Z6-5XZ1>0且z6 < 7.73m，不進行曝光時間調(diào)整；
[0056]vi當運動距離7.37m彡L彡7.73m時，交會測量相機開始記錄以后6幀數(shù)據(jù)并定義為Z1, z2, Z3,..., Z6,當ZfzfMz6-SXzO時確定當前工作狀態(tài)為前進,在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離z6 ^ 7.37m，不進行曝光時間調(diào)整；例如L = 7.55m,Z1 = 7.54m, z2 = 7.52m, z3 = 7.49m, z4 = 7.46m, z5 = 7.42m, z6 = 7.38m,滿足 z2+z3+...+Z6-5XZ1<0且z6 > 7.37m，不進行曝光時間調(diào)整。
[0057]本發(fā)明以曝光時間等級變換和滯環(huán)防抖工作機理為基礎(chǔ)，通過考慮目標圖像在不同測量距離的能量差異，從而有效地將滯環(huán)防抖技術(shù)和分段積分時間策略結(jié)合起來，有效地解決了目標圖像能量隨測量距離變化而影響交會測量子系統(tǒng)正常測量的問題，增強交會測量子系統(tǒng)在大范圍復(fù)雜環(huán)境下的工作能力。相對傳統(tǒng)曝光時間調(diào)整方法需要經(jīng)過多次積分時間調(diào)節(jié)才能達到比較合適的狀態(tài)且普遍采用單點切換，圖像輸出的幀頻也比較低且存在因為單點駐停時測量數(shù)據(jù)抖動而導(dǎo)致曝光時間頻繁切換的問題。因為本發(fā)明通過設(shè)置滯環(huán)防抖切換區(qū)且多幀數(shù)據(jù)判斷運動狀態(tài)等技術(shù)有效地解決了系統(tǒng)駐停時測量數(shù)據(jù)抖動而導(dǎo)致曝光時間頻繁切換的問題。為交會測量系統(tǒng)高幀頻圖像輸出的提供了技術(shù)基礎(chǔ)，同時能夠降低了復(fù)雜空間操作過程對積分時間的影響，增強交會測量相機在復(fù)雜操作工況下的工作能力。
【權(quán)利要求】
1.一種交會測量相機曝光時間的調(diào)整方法其特征在于步驟為: 1)根據(jù)交會測量相機上的曝光時間等級N和測量距離范圍Lmin-Lmax，計算滯環(huán)轉(zhuǎn)捩距尚 Lm = (Lmax/Lmin)m/NXLmin ；m = I, 2, 3…N-1 ； 2)根據(jù)交會測量相機的最大運動速度Vmax和數(shù)據(jù)更新率K(赫茲)，計算滯環(huán)防抖波動余量AL，AL = aXVmax/K;a為整數(shù)，4彡a彡12 ； 3)一檔曝光時間與二檔曝光時間切換策略如下: i當交會測量相機的運動距離LminL1，不進行曝光時間切換，維持I檔曝光時間； ?當交會測量相機的運動距離L1+ Λ ^ < L < L2,不進行曝光時間切換，維持2檔曝光時間； iii當交會測量相機的運動距離L1 < L < U+Λρ交會測量相機開始記錄以后a幀數(shù)據(jù)并定義為ZpZyZ3,…，za,當z2+z3+*“+za-(a-l) Xz1X)時,確定當前工作狀態(tài)為后退,在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離za> U+Ay曝光時間等級由一檔更改為二檔； iv當運動距離L1 < L < L1+Λ L時，交會測量相機開始記錄以后a幀數(shù)據(jù)并定義為Z1,Z2, Z3,…，Za,當z2+z3+*“+za-(a-l) Xz,O時確定當前工作狀態(tài)為前進,在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離Za ( L1時，曝光時間等級由二檔更改為一檔； V當運動距離L1 < L < L1+Λ L時，交會測量相機開始記錄以后a幀數(shù)據(jù)并定義為Z1,z2, Z3,..., Za,當z2+z3+…+za-(a-l) Xz1X)時,確定當前工作狀態(tài)為后退,在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離ZaI1+不進行曝光時間調(diào)整； vi當運動距離L1 < L < L1+Λ L時，交會測量相機開始記錄以后a幀數(shù)據(jù)并定義為Z1,Z2, Z3,…，Za,當z2+z3+*“+za-(a-l) Xz,O時確定當前工作狀態(tài)為前進,在確定工作狀態(tài)后，判斷當前交會測量相機的運動距離Za > L1，不進行曝光時間調(diào)整； 4)m檔曝光時間與m+1檔曝光時間切換策略同步驟3)中一檔曝光時間與二檔曝光時間切換策略。
【文檔編號】H04N5/235GK104135625SQ201410354430
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】趙春暉, 郭紹剛, 劉魯, 劉啟海, 華寶成, 龔德鑄 申請人:北京控制工程研究所