交會對接成像敏感器成像參數設計

魏高樂，朱小溪

交會對接成像敏感器成像參數設計

魏高樂1，朱小溪2

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.北京衛星制造廠，北京100180）

基于交會對接成像敏感器在軌成像目標相對距離變化較大的特性，分析了敏感器嵌入式軟件對曝光積分時間、激光發光功率等各項成像參數配置的方法。針對有先驗數據、無先驗數據初始捕獲、跟蹤模式等三個不同的工作模式特性與模式切換邏輯，設計了一種初始捕獲參數試配方法，并將其與跟蹤模式下的最優化參數實時計算相結合，形成了完整的交會對接成像敏感器成像參數設計方案，并進行了仿真測試，結果表明該方法能夠有效確保在軌實時圖像清晰度滿足位姿測算要求，可為交會對接末段制導相對位姿測算提供保障。該方法擬應用于我國后續交會對接任務中。

參數配置；嵌入式軟件；交會對接；成像敏感器

Abstract：Based on the dramatic changes of interact distance between the two spacecrafts during the process of Rendezvous and Docking（RVD）， the software strategy to determine the imaging parameters such as the integral exposure time and the laser power was analyzed.There were 3 different work modes including the initial capture with or without priori data modes and the trace mode.A new adaption method was proposed targeting the different characteristics of the 3 work modes of the embedded software and the switching strategy.A method for designating the imaging parameters of RVD image sensor was given and it was combined with the real-time algorithm of the parameters for the track mode.The numerical simulation results showed that the new method could ensure the clarity of the real-time RVD terminal guidance image on-orbit.The method may be used in future RVD tasks in China.

Key words：parameter configuration； embedded software； RVD； image sensor

1 引言

隨著載人航天技術逐步成熟，空間交會對接（RVD）技術正發揮著越來越重要的作用［1-2］。中國在交會對接特別是自主交會對接技術上的發展突飛猛進，不僅完全掌握了交會對接技術，而且完成了所有交會對接測量設備的自主研發與應用［3］。在對接過程中的接近靠攏段，追蹤飛行器利用相對位置、角度測量敏感器精確測量兩個飛行器的距離、相對速度和姿態，同時啟動小發動機進行機動，使之沿對接走廊向目標最后逼近［4-5］。其中所使用的測量敏感器即為交會對接光學成像敏感器，作為在此階段測量兩個飛行器相對位置、姿態的唯一敏感器，它是任務成功的關鍵。

光學成像敏感器對目標飛行器若干目標燈拍照成像，并通過嵌入式軟件對圖像進行實時處理。軟件將圖像中的光點進行提取、識別，并基于已知的目標光點構造布局進行迭代運算，最終計算得出兩艙的相對位置和姿態。隨著交會對接技術的發展以及相關型號的增加，系統對成像敏感器的性能要求日益提升。提高圖像處理速度、提升敏感器輸出數據更新頻率成為交會對接任務可靠性、安全性的發展重點［6］。

在交會對接過程中，成像距離變化較大，相機成像的積分時間以及主動式敏感器的激光器功率參數應當適當調整，才能保證圖像效果，確保對接走廊全區間的位姿測量。本文系統介紹了嵌入式軟件流程，比對分析了固定和動態的成像參數確定方案，引入試配法設計了初始捕獲的參數算法，并將其與參數動態算法結合，形成了交會對接成像敏感器成像參數設計算法。

2 交會對接圖像處理流程

2.1 嵌入式軟件設計流程

交會對接成像敏感器軟件流程如圖1所示。

圖1 交會對接成像敏感器軟件流程［7］Fig.1 Flowchart of RVD image sensor［7］

成像敏感器嵌入式軟件每個工作周期從相機完成一副新的圖像開始，包含如下幾個過程：

1）獲取圖像，完成光點搜索后，軟件根據標志燈的原始安裝位置參數對光點進行位置匹配，逐個識別出每個標志燈在圖像上的顯示光點；

2）通過迭代算法，計算相對位置、姿態數據，并基于相機安裝參數等信息對計算結果進行修正獲得目標標志器與相機坐標系的相對位置姿態；

3）基于本周期圖像計算結果，對硬件各接口配置下一個周期的拍圖曝光積分時間、激光器功率等成像參數；

4）將計算的位姿結果、光點信息等關鍵計算過程量以及硬件相關狀態進行打包發送遙測，轉而等待下一個周期的圖像。

2.2 工作模式切換控制

軟件根據圖像處理算法不同，分為無先驗數據初始捕獲、有先驗數據初始捕獲、跟蹤捕獲三個工作模式［8］。

無先驗數據初始捕獲在所拍攝的全圖范圍內搜索光點，針對所有光點開展識別操作，該算法計算處理時間較長，用于敏感器對目標航天器所處位置完全未知的工況。有先驗數據初始捕獲方法中，軟件依據航天器的制導導航控制計算機（GNCC）提供的目標航天器位置、姿態先驗數據反推目標光點在圖像中的理論位置，并在理論位置附近搜索光點開展圖像處理操作。由于GNCC提供的先驗數據精度不確定，造成理論位置可信度和準確性不高，因而光點搜索鄰域較大。跟蹤捕獲方法中，軟件在敏感器上一個周期成功計算所使用的有效光點位置附近搜索本周期光點成像，光點搜索速度快。但由于目標航天器相對相機本體做無規律運動，如未做到每周期連續測算成功，光點理論位置可信度和準確性將隨時間逐步減小。三個工作模式下圖像處理效果的對比見表1。

由表1可見，跟蹤捕獲測量效果最佳，但必須此前較短時間內有正確計算結果；有先驗初始捕獲次之，條件是有可信的先驗數據。三個工作模式分別適用于不同工況。交會對接過程中，每個周期運算完成后，軟件基于當前計算狀態，確定下一周期的工作模式。嵌入式軟件的工作模式切換原則如圖2所示，三個模式滿足不同的條件下可直接兩兩切換，其中的6個切換條件如下：

表1 三類工作模式圖像處理效果對比Table 1 Comparison of three different work modes of image processing

條件1：無先驗初始捕獲模式運算失敗，且接收到可信的先驗數據；

條件2：有先驗初始捕獲模式失敗或連續若干周期運算失敗，則認為先驗數據不可信；

條件3：無先驗初始捕獲模式運算成功，將本周期搜索光點作為理論光點進行跟蹤；

條件4：跟蹤捕獲模式失敗或連續若干周期運算失敗，則認為目標光點已經偏移最后一次搜索成功的理論光點位置，且未收到先驗數據，需重新啟動全圖搜索；

條件5：有先驗初始捕獲運算成功，將本周期搜索光點作為理論光點進行跟蹤；

條件6：跟蹤捕獲模式連續若干周期運算失敗，且收到先驗數據。

圖2 工作模式切換邏輯Fig.2 Switching strategy of work modes

軟件在正常運算時長期保持工作在高速的跟蹤模式下，只有在上電初始化后或未成功運算的時候工作在初始捕獲模式。

3 交會對接成像參數控制設計

3.1 成像參數固定設置

成像敏感器需要配置合理的成像曝光時長、激光器發光功率等重要成像參數，確保成像清晰度能夠實現嵌入式軟件的實時處理。

以曝光時長為例進行仿真測試，參數固定取值測算曲線如圖3所示。交會對接成像敏感器拍攝的目標航天器相對相機本體的位置變化較大，固定參數取值僅能在相對距離的一定區間內有效。成像參數必須在交會對接過程中實時調整。

3.2 成像參數動態設置

嵌入式軟件每個周期計算后，依據最新測量結果，調用專用計算函數，調整成像參數，優化下一周期相機成像。動態參數測量曲線如圖4所示。相對距離大于參數初始值所對應區間時，敏感器無法測算；相對距離進入參數有效區間后，敏感器能輸出有效測算結果并且實時調整成像參數取值。敏感器跟蹤異常退回到初始捕獲模式時，成像參數重新回到初始值，敏感器無法重新跟蹤。

圖3 固定參數測量曲線Fig.3 Fixed parameter measurement

圖4 動態參數測量曲線Fig.4 Dynamic parameter measurement

初始捕獲模式軟件未知目標航天器的相對距離，無法給相機配置適當的成像參數，制約了動態參數的功能有效區間。必須設計合理的參數配置流程，在未知測量結果的初始捕獲模式也能配置出適當的成像參數。

4 引入試配法的參數設計及仿真測試

4.1 無先驗數據初始捕獲參數設計

在未知目標航天器相對位置的情況下，引入試配法尋找適當的成像參數取值。將曝光積分時間和激光功率等在跟蹤模式下可依據輸出結果進行微調的參數在無先驗數據的初始捕獲模式下固定設計為高、中、低三個數值的檔位。分別適用于遠距離、中等距離以及近距離的目標拍攝。三套參數取值合理，保證能夠覆蓋完整的交會對接走廊距離區間，如圖5所示。

圖5 高中低三個成像檔位的有效區間Fig.5 Effective section of three different imaging gears

依次對三個檔位的參數進行試配，由前文所知，一旦運算成功后則轉入跟蹤捕獲模式，改由計算結果精確調整成像參數。如果運算未成功，則說明參數配置不合理，轉而適用下一組參數。為防止近距離高功率激光器對目標航天器造成損害，采用由低到高的順序試配原則。無先驗初始捕獲參數試配流程如圖6所示。

圖6 無先驗數據初始捕獲參數試配流程Fig.6 Adaption flowchart of initial capture without priori data

4.2 有先驗數據初始捕獲參數設計

有先驗數據初始捕獲工作模式原理與跟蹤捕獲模式類似，利用GNCC提供的目標航天器相對位姿先驗數據推算成像參數的合理取值，對各硬件接口進行實時配置。如果本模式未識別成功，則認為本拍先驗數據不可信。

4.3 試配法參數設計

引入無先驗數據初始捕獲模式的成像參數試配法，將其與有先驗數據初始捕獲和跟蹤捕獲模式的成像參數最優算法相結合?；诩榷Ｊ角袚Q原則，形成完整的交會對接成像敏感器參數設計方案。具體方案流程如圖7所示。

圖7 參數配置總流程Fig.7 General flowchart of parameter processing

軟件上電或復位后，缺省進入無先驗數據初始捕獲模式，將硬件初始化為低檔位成像參數狀態，在每個周期圖像計算完成后，進行參數處理操作。

在無先驗數據初始捕獲模式，如計算成功則使用測量結果優化參數，并進入跟蹤模式。如失敗，則繼續為期三個周期的參數試配操作。連續失敗三個周期后，如有先驗數據則轉入先驗數據初始捕獲模式，否則重新開始本模式試配流程。

在有先驗數據初始捕獲模式中，如果運算成功則用運算結果優化參數后轉入跟蹤模式，否則認為當前先驗數據不可信，進入無先驗數據模式進行參數試配。

在跟蹤模式中，始終在每個周期計算成功后不斷微調優化參數；如果計算失敗，則保持原有參數值不更新；連續失敗3個周期則退回初始捕獲重新搜索。如果有先驗數據則進入先驗數據初始捕獲模式，否則進入無先驗數據初始捕獲模式。

4.4 仿真測試

以積分時間參數取值為例，交會對接過程仿真測試的取值曲線如圖8所示。由圖可見，在遠距離開機后短時間內成功建立跟蹤，并實時優化積分時間，實現整個對接過程的測算，如遇突發異常跟蹤失敗，試配法可短時間內重新建立跟蹤，且相對距離越近，重新跟蹤所需時間越短。

圖8 積分時間參數和測量結果輸出曲線Fig.8 Curve of integral exposure time and the output data

該算法可在對接走廊中任何位置實現參數優化，確保光點捕獲成功。由于參數試配過程中先試配近距離參數，再試配遠距離參數，對接過程中，相對距離越近，異常跟蹤失敗后重新捕獲建立跟蹤的耗時越短，確保了對接過程的安全性。

5 結論

本文針對交會對接成像敏感器在軌目標相對距離變化較大的特性，對比成像參數多種確定方式的優缺點，將初始捕獲試配、先驗數據使用與跟蹤測算結果反推三種方式相結合，設計了一種高可靠的交會對接成像參數確定方案，并進行了仿真測試，結果表明：該方法能實現任何相對距離下的初始捕獲，并能在跟蹤狀態下每周期實時優化成像參數，確保在軌實時圖像滿足敏感器測算要求。

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（責任編輯：康金蘭）

Design of Imaging Parameters for RVD Image Sensor

WEI Gaole1，ZHU Xiaoxi2
（1.Beijing Institute of Control Engineering， Beijing 100190， China； 2.Beijing Spacecrafts， Beijing 100180， China）

V445.8；TP391.41

A

1674-5825（2017）05-0631-05

2017-02-13；

2017-08-03

國防基礎科研資助項目（JCKY2016203B006）

魏高樂，男，碩士，高級工程師，研究方向為圖像處理、模式識別。E-mail：stgaole＠163.com