空间目标天基成像自动多级曝光控制方法及系统与流程

1.本发明涉及太空态势感知领域，具体地，涉及一种空间目标天基成像自动多级曝光控制方法及系统。


背景技术：

2.曝光时间是相机成像的重要参数，曝光时间越长相机焦面获得的能量越多，反之则焦面获得的能量越少。一般来说，在光学成像过程中，目标亮度越大，为了避免相机焦面探测元过饱和，积分时间应当减小；当目标亮度较小时，则可适当增加光学相机的积分时间。
3.在空间目标成像天基成像过程中，目标的成像条件复杂：太阳光照的照射相位与时间相关、监视星与成像对象的相位位置也是变化的。当前空间目标天基成像主要采用的是固定曝光时间的方法，成像结果往往存在过曝光或者欠曝光的情况，成像效果不佳，而已有应用的自动曝光方法均是基于图像信息的方式，在轨应用对图像处理的要求高，不容易实现。因此，本发明提出了一种空间目标天基成像自动多级曝光控制方法，通过在轨成像光照及位置关系，计算最优曝光时间序列，可以有效地进行空间目标天基成像系统的曝光时间控制，实现空间目标的清晰成像。方法简单有效，在轨实现复杂度低。
4.针对相机的成像曝光时间控制问题，文献1(.杨海涛，《一种基于亮度直方图的自动曝光控制方法》，光学学报，2007)、文献2(王雷斌，《一种自适应快速曝光控制方法》，测绘科学，2009)、文献3(陈绕青《一种空间面阵ccd成像的曝光时间计算方法》)均是通过拍摄图像信息，获取目标直方图等质量评价参数后进行曝光时间计算；文献4(赵晓琳《一种自适应精确调节ccd曝光时间的方法》，传感器技术学报，2011年)为曝光时间的控制电路设计方法。
5.专利文献cn104301622a(申请号：201410522278.5)公开了一种天基空间目标成像曝光时间自适应控制方法及装置，方法包括1)计算根据预设的最长、中间以及最短曝光时间所获取的对应图像的信息熵；2)根据所有所述信息熵通过加权平均方式获取理论最优曝光时间，进而在预设曝光时间档中选取最接近的一档曝光时间作为当前最优曝光时间，并记录所述当前最优曝光时间的获取次数；3)判断所述获取次数是否小于等于预设阈值，若是，则执行步骤4)，否则执行步骤6)；4)计算根据当前最优曝光时间所获取的对应图像的信息熵；5)根据当前最优曝光时间更新最长、中间档以及最短曝光时间，以及更新对应的信息熵，并返回执行步骤2)；6)控制成像相机以当前最优曝光时间作为最优曝光时间对空间目标进行持续成像。
6.专利文献cn104184957b(申请号：201410476250.2)公开了一种适用于空间探测成像的基于自适应预期图像平均亮度的自动曝光控制方法，首先对当前帧拍摄图像采用自适应阈值分割，识别出当前帧拍摄主体图像，由当前帧拍摄主体图像平均亮度得到当前帧拍摄图像平均亮度，然后将识别出的当前帧拍摄主体图像进行直方图均衡化处理，得到直方图均衡化后的预期图像平均亮度，再根据当前帧拍摄图像平均亮度与预期图像平均亮度的
差值的正负和大小来选取曝光时间，采用连续帧不断循环迭代使当前帧拍摄图像平均亮度达到直方图均衡化后的自适应预期图像平均亮度。
7.目前网上可查询的文件均是以获取先验图像后根据图像参数进行曝光时间设置，与本发明提出的基于光照条件及空间观测相位的方法不同，本发明无需先验图像进行即可合理地设置在轨多级曝光时间。


技术实现要素：

8.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种空间目标天基成像自动多级曝光控制方法及系统。
9.根据本发明提供的一种空间目标天基成像自动多级曝光控制方法，包括：
10.步骤s1：根据目标星轨道、监视星轨道以及成像时刻计算在惯性坐标系下的目标星指向太阳的单位矢量目标星指向监视星的单位矢量以及垂直于目标星的被观测面且沿着太阳方向的单位矢量
11.步骤s2：预估观测目标面的典型材料的反射率，并将占比面积最大材料的反射率参数作为反射率基准值ρ0；
12.步骤s3：根据惯性坐标系下的目标星指向太阳的单位矢量目标星指向监视星的单位矢量垂直于目标星的被观测面且沿着太阳方向的单位矢量以及目标反射率计算得到目标在相机入瞳处的辐照度；
13.步骤s4：根据目标在相机入瞳处的辐照度以及设定预存的定标结果设置最优曝光时间t0；
14.步骤s5：在最优曝光时间t0的基础上，根据不同表面反射率参数确定多级曝光时间，最终通过多幅不同曝光图像融合达到动态范围扩展的目的。
15.优选地，所述步骤s3采用：
[0016][0017]
其中，ec表示目标在相机入瞳处的辐照度；e
sun
(λ)表示光谱为λ值的太阳辐照强度；r表示目标卫星与监视卫星的距离；λ1、λ2分别表示天基成像平台的传感器的探测光谱范围的上下限；ρ(λ)为光谱为λ值的反射率。
[0018]
优选地，所述设定预存的定标结果是根据卫星发射前或在轨对已知参数进行标定，得到目标亮度与最佳曝光时间的映射表。
[0019]
优选地，所述步骤s5采用：根据目标表面材料的反射率估计值设置多级曝光时间；
[0020][0021]
其中，ρi表示预估的不同目标材料的表面反射率；ρ0表示反射率基准值；t0表示最优曝光时间。
[0022]
优选地，所述步骤s5采用：采用离散小波变换将每张图像分解为高频子图和低频子图，并将高频子图和低频子图分别进行融合。
[0023]
根据本发明提供的一种空间目标天基成像自动多级曝光控制系统，包括：
[0024]
模块m1：根据目标星轨道、监视星轨道以及成像时刻计算在惯性坐标系下的目标星指向太阳的单位矢量目标星指向监视星的单位矢量以及垂直于目标星的被观测面且沿着太阳方向的单位矢量
[0025]
模块m2：预估观测目标面的典型材料的反射率，并将占比面积最大材料的反射率参数作为反射率基准值ρ0；
[0026]
模块m3：根据惯性坐标系下的目标星指向太阳的单位矢量目标星指向监视星的单位矢量垂直于目标星的被观测面且沿着太阳方向的单位矢量以及目标反射率计算得到目标在相机入瞳处的辐照度；
[0027]
模块m4：根据目标在相机入瞳处的辐照度以及设定预存的定标结果设置最优曝光时间t0；
[0028]
模块m5：在最优曝光时间t0的基础上，根据不同表面反射率参数确定多级曝光时间，最终通过多幅不同曝光图像融合达到动态范围扩展的目的。
[0029]
优选地，在所述模块m3中：
[0030][0031]
其中，ec表示目标在相机入瞳处的辐照度；e
sun
(λ)表示光谱为λ值的太阳辐照强度；r表示目标卫星与监视卫星的距离；λ1、λ2分别表示天基成像平台的传感器的探测光谱范围的上下限；ρ(λ)为光谱为λ值的反射率。
[0032]
优选地，所述设定预存的定标结果是根据卫星发射前或在轨对已知参数进行标定，得到目标亮度与最佳曝光时间的映射表。
[0033]
优选地，在所述模块m5中：根据目标表面材料的反射率估计值设置多级曝光时间；
[0034][0035]
其中，ρi表示预估的不同目标材料的表面反射率；ρ0表示反射率基准值；t0表示最优曝光时间。
[0036]
优选地，在所述模块m5中：采用离散小波变换将每张图像分解为高频子图和低频子图，并将高频子图和低频子图分别进行融合。
[0037]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0038]
1、本发明通过计算最优曝光时间序列，可以有效地进行空间目标天基成像系统的曝光时间控制，实现空间目标的清晰成像；
[0039]
2、相对传统基于图像直方图的自动曝光方法，本发明基于空间几何关系及光照条件，计算方案简单有效，在轨实现复杂度低。
附图说明
[0040]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0041]
图1为空间目标天基成像自动多级曝光示意图。
[0042]
图2为空间目标成像示意图。
具体实施方式
[0043]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0044]
本发明提供了一种空间目标天基成像自动多级曝光控制方法及系统，通过在轨成像光照及位置关系，计算最优曝光时间序列，可以有效地进行空间目标天基成像系统的曝光时间控制，实现空间目标的清晰成像。本发明解决现有天基空间目标成像曝光时间设置不合适导致的目标过曝光或者欠曝光引起的成像质量下降问题。方法简单有效，在轨实现复杂度低。
[0045]
实施例1
[0046]
根据本发明提供的一种空间目标天基成像自动多级曝光控制方法，如图1至2所示，包括：
[0047]
步骤s1：根据目标星轨道、监视星轨道以及成像时刻计算在惯性坐标系下的目标星指向太阳的单位矢量目标星指向监视星的单位矢量以及垂直于目标星的被观测面且沿着太阳方向的单位矢量其中，单位尺量的定义在惯性坐标系中，单位矢量来源被观测目标的本体坐标系下单位尺量可根据其与惯性坐标系的转换关系进行变换。
[0048]
步骤s2：预估观测目标面的典型材料的反射率，并将占比面积最大材料的反射率参数作为反射率基准值ρ0；其中，目标的反射率针对合作目标可根据已知的目标表面参数，针对未知非合作目标其参数采用常见的卫星表面热控包覆材料表面发射参数，材料0：ρ0、材料1：ρ1、材料2：ρ2…
[0049]
步骤s3：根据惯性坐标系下的目标星指向太阳的单位矢量目标星指向监视星的单位矢量垂直于目标星的被观测面且沿着太阳方向的单位矢量以及目标反射率计算得到目标在相机入瞳处的辐照度；
[0050]
具体地，所述步骤s3采用：
[0051][0052]
其中，ec表示目标在相机入瞳处的辐照度；e
sun
(λ)表示光谱为λ值的太阳辐照强度；r表示目标卫星与监视卫星的距离；λ1、λ2分别表示天基成像平台的传感器的探测光谱范围的上下限；ρ(λ)为光谱为λ值的反射率；一般可设置为常数，公式可简化为：
[0053]
[0054]
步骤s4：根据目标在相机入瞳处的辐照度以及设定预存的定标结果设置最优曝光时间t0；
[0055]
具体地，所述设定预存的定标结果是根据卫星发射前或在轨对已知参数进行标定，得到目标亮度与最佳曝光时间的映射表；目标亮度与最佳曝光时间的映射表可在轨期间根据情况进行定期地调整。
[0056]
步骤s5：在最优曝光时间t0的基础上，根据不同表面反射率参数确定多级曝光时间，最终通过多幅不同曝光图像融合达到动态范围扩展的目的。本发明能够准确设置对空间目标的曝光时间设置，实现目标的清晰成像。
[0057]
具体地，所述步骤s5采用：根据目标表面材料的反射率估计值设置多级曝光时间；
[0058][0059]
其中，ρi表示预估的不同目标材料的表面反射率；ρ0表示反射率基准值；t0表示最优曝光时间。
[0060]
更为具体地，所述步骤s5采用：采用离散小波变换将每张图像分解为高频子图和低频子图，并将高频子图和低频子图分别进行融合。即将多积分图像序列分别进行离散小波变换，对于每张图像将被分解为三个高频子图和一个低频子图，对序列中的各低频子带之间进行融合，各高频子带之间进行融合。
[0061]
进一步地，针对不同反射率的曝光时间计算结果可进行必要的合并，单个目标某一时刻下的曝光分级数一般不大于5次。
[0062]
根据本发明提供的一种空间目标天基成像自动多级曝光控制系统，包括：
[0063]
模块m1：根据目标星轨道、监视星轨道以及成像时刻计算在惯性坐标系下的目标星指向太阳的单位矢量目标星指向监视星的单位矢量以及垂直于目标星的被观测面且沿着太阳方向的单位矢量其中，单位尺量的定义在惯性坐标系中，单位矢量来源被观测目标的本体坐标系下单位尺量可根据其与惯性坐标系的转换关系进行变换。
[0064]
模块m2：预估观测目标面的典型材料的反射率，并将占比面积最大材料的反射率参数作为反射率基准值ρ0；其中，目标的反射率针对合作目标可根据已知的目标表面参数，针对未知非合作目标其参数采用常见的卫星表面热控包覆材料表面发射参数，材料0：ρ0、材料1：ρ1、材料2：ρ2…
[0065]
模块m3：根据惯性坐标系下的目标星指向太阳的单位矢量目标星指向监视星的单位矢量垂直于目标星的被观测面且沿着太阳方向的单位矢量以及目标反射率计算得到目标在相机入瞳处的辐照度；
[0066]
具体地，在所述模块m3中：
[0067][0068]
其中，ec表示目标在相机入瞳处的辐照度；e
sun
(λ)表示光谱为λ值的太阳辐照强度；r表示目标卫星与监视卫星的距离；λ1、λ2分别表示天基成像平台的传感器的探测光谱范
围的上下限；ρ(λ)为光谱为λ值的反射率；一般可设置为常数，公式可简化为：
[0069][0070]
模块m4：根据目标在相机入瞳处的辐照度以及设定预存的定标结果设置最优曝光时间t0；
[0071]
具体地，所述设定预存的定标结果是根据卫星发射前或在轨对已知参数进行标定，得到目标亮度与最佳曝光时间的映射表；目标亮度与最佳曝光时间的映射表可在轨期间根据情况进行定期地调整。
[0072]
模块m5：在最优曝光时间t0的基础上，根据不同表面反射率参数确定多级曝光时间，最终通过多幅不同曝光图像融合达到动态范围扩展的目的。本发明能够准确设置对空间目标的曝光时间设置，实现目标的清晰成像。
[0073]
具体地，在所述模块m5中：根据目标表面材料的反射率估计值设置多级曝光时间；
[0074][0075]
其中，ρi表示预估的不同目标材料的表面反射率；ρ0表示反射率基准值；t0表示最优曝光时间。
[0076]
更为具体地，在所述模块m5中：采用离散小波变换将每张图像分解为高频子图和低频子图，并将高频子图和低频子图分别进行融合。即将多积分图像序列分别进行离散小波变换，对于每张图像将被分解为三个高频子图和一个低频子图，对序列中的各低频子带之间进行融合，各高频子带之间进行融合。
[0077]
进一步地，针对不同反射率的曝光时间计算结果可进行必要的合并，单个目标某一时刻下的曝光分级数一般不大于5次。
[0078]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0079]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。