交会对接成像敏感器成像参数设计

魏高乐，朱小溪

交会对接成像敏感器成像参数设计

魏高乐1，朱小溪2

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.北京卫星制造厂，北京100180）

基于交会对接成像敏感器在轨成像目标相对距离变化较大的特性，分析了敏感器嵌入式软件对曝光积分时间、激光发光功率等各项成像参数配置的方法。针对有先验数据、无先验数据初始捕获、跟踪模式等三个不同的工作模式特性与模式切换逻辑，设计了一种初始捕获参数试配方法，并将其与跟踪模式下的最优化参数实时计算相结合，形成了完整的交会对接成像敏感器成像参数设计方案，并进行了仿真测试，结果表明该方法能够有效确保在轨实时图像清晰度满足位姿测算要求，可为交会对接末段制导相对位姿测算提供保障。该方法拟应用于我国后续交会对接任务中。

参数配置；嵌入式软件；交会对接；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

随着载人航天技术逐步成熟，空间交会对接（RVD）技术正发挥着越来越重要的作用［1-2］。中国在交会对接特别是自主交会对接技术上的发展突飞猛进，不仅完全掌握了交会对接技术，而且完成了所有交会对接测量设备的自主研发与应用［3］。在对接过程中的接近靠拢段，追踪飞行器利用相对位置、角度测量敏感器精确测量两个飞行器的距离、相对速度和姿态，同时启动小发动机进行机动，使之沿对接走廊向目标最后逼近［4-5］。其中所使用的测量敏感器即为交会对接光学成像敏感器，作为在此阶段测量两个飞行器相对位置、姿态的唯一敏感器，它是任务成功的关键。

光学成像敏感器对目标飞行器若干目标灯拍照成像，并通过嵌入式软件对图像进行实时处理。软件将图像中的光点进行提取、识别，并基于已知的目标光点构造布局进行迭代运算，最终计算得出两舱的相对位置和姿态。随着交会对接技术的发展以及相关型号的增加，系统对成像敏感器的性能要求日益提升。提高图像处理速度、提升敏感器输出数据更新频率成为交会对接任务可靠性、安全性的发展重点［6］。

在交会对接过程中，成像距离变化较大，相机成像的积分时间以及主动式敏感器的激光器功率参数应当适当调整，才能保证图像效果，确保对接走廊全区间的位姿测量。本文系统介绍了嵌入式软件流程，比对分析了固定和动态的成像参数确定方案，引入试配法设计了初始捕获的参数算法，并将其与参数动态算法结合，形成了交会对接成像敏感器成像参数设计算法。

2 交会对接图像处理流程

2.1 嵌入式软件设计流程

交会对接成像敏感器软件流程如图1所示。

图1 交会对接成像敏感器软件流程［7］Fig.1 Flowchart of RVD image sensor［7］

成像敏感器嵌入式软件每个工作周期从相机完成一副新的图像开始，包含如下几个过程：

1）获取图像，完成光点搜索后，软件根据标志灯的原始安装位置参数对光点进行位置匹配，逐个识别出每个标志灯在图像上的显示光点；

2）通过迭代算法，计算相对位置、姿态数据，并基于相机安装参数等信息对计算结果进行修正获得目标标志器与相机坐标系的相对位置姿态；

3）基于本周期图像计算结果，对硬件各接口配置下一个周期的拍图曝光积分时间、激光器功率等成像参数；

4）将计算的位姿结果、光点信息等关键计算过程量以及硬件相关状态进行打包发送遥测，转而等待下一个周期的图像。

2.2 工作模式切换控制

软件根据图像处理算法不同，分为无先验数据初始捕获、有先验数据初始捕获、跟踪捕获三个工作模式［8］。

无先验数据初始捕获在所拍摄的全图范围内搜索光点，针对所有光点开展识别操作，该算法计算处理时间较长，用于敏感器对目标航天器所处位置完全未知的工况。有先验数据初始捕获方法中，软件依据航天器的制导导航控制计算机（GNCC）提供的目标航天器位置、姿态先验数据反推目标光点在图像中的理论位置，并在理论位置附近搜索光点开展图像处理操作。由于GNCC提供的先验数据精度不确定，造成理论位置可信度和准确性不高，因而光点搜索邻域较大。跟踪捕获方法中，软件在敏感器上一个周期成功计算所使用的有效光点位置附近搜索本周期光点成像，光点搜索速度快。但由于目标航天器相对相机本体做无规律运动，如未做到每周期连续测算成功，光点理论位置可信度和准确性将随时间逐步减小。三个工作模式下图像处理效果的对比见表1。

由表1可见，跟踪捕获测量效果最佳，但必须此前较短时间内有正确计算结果；有先验初始捕获次之，条件是有可信的先验数据。三个工作模式分别适用于不同工况。交会对接过程中，每个周期运算完成后，软件基于当前计算状态，确定下一周期的工作模式。嵌入式软件的工作模式切换原则如图2所示，三个模式满足不同的条件下可直接两两切换，其中的6个切换条件如下：

表1 三类工作模式图像处理效果对比Table 1 Comparison of three different work modes of image processing

条件1：无先验初始捕获模式运算失败，且接收到可信的先验数据；

条件2：有先验初始捕获模式失败或连续若干周期运算失败，则认为先验数据不可信；

条件3：无先验初始捕获模式运算成功，将本周期搜索光点作为理论光点进行跟踪；

条件4：跟踪捕获模式失败或连续若干周期运算失败，则认为目标光点已经偏移最后一次搜索成功的理论光点位置，且未收到先验数据，需重新启动全图搜索；

条件5：有先验初始捕获运算成功，将本周期搜索光点作为理论光点进行跟踪；

条件6：跟踪捕获模式连续若干周期运算失败，且收到先验数据。

图2 工作模式切换逻辑Fig.2 Switching strategy of work modes

软件在正常运算时长期保持工作在高速的跟踪模式下，只有在上电初始化后或未成功运算的时候工作在初始捕获模式。

3 交会对接成像参数控制设计

3.1 成像参数固定设置

成像敏感器需要配置合理的成像曝光时长、激光器发光功率等重要成像参数，确保成像清晰度能够实现嵌入式软件的实时处理。

以曝光时长为例进行仿真测试，参数固定取值测算曲线如图3所示。交会对接成像敏感器拍摄的目标航天器相对相机本体的位置变化较大，固定参数取值仅能在相对距离的一定区间内有效。成像参数必须在交会对接过程中实时调整。

3.2 成像参数动态设置

嵌入式软件每个周期计算后，依据最新测量结果，调用专用计算函数，调整成像参数，优化下一周期相机成像。动态参数测量曲线如图4所示。相对距离大于参数初始值所对应区间时，敏感器无法测算；相对距离进入参数有效区间后，敏感器能输出有效测算结果并且实时调整成像参数取值。敏感器跟踪异常退回到初始捕获模式时，成像参数重新回到初始值，敏感器无法重新跟踪。

图3 固定参数测量曲线Fig.3 Fixed parameter measurement

图4 动态参数测量曲线Fig.4 Dynamic parameter measurement

初始捕获模式软件未知目标航天器的相对距离，无法给相机配置适当的成像参数，制约了动态参数的功能有效区间。必须设计合理的参数配置流程，在未知测量结果的初始捕获模式也能配置出适当的成像参数。

4 引入试配法的参数设计及仿真测试

4.1 无先验数据初始捕获参数设计

在未知目标航天器相对位置的情况下，引入试配法寻找适当的成像参数取值。将曝光积分时间和激光功率等在跟踪模式下可依据输出结果进行微调的参数在无先验数据的初始捕获模式下固定设计为高、中、低三个数值的档位。分别适用于远距离、中等距离以及近距离的目标拍摄。三套参数取值合理，保证能够覆盖完整的交会对接走廊距离区间，如图5所示。

图5 高中低三个成像档位的有效区间Fig.5 Effective section of three different imaging gears

依次对三个档位的参数进行试配，由前文所知，一旦运算成功后则转入跟踪捕获模式，改由计算结果精确调整成像参数。如果运算未成功，则说明参数配置不合理，转而适用下一组参数。为防止近距离高功率激光器对目标航天器造成损害，采用由低到高的顺序试配原则。无先验初始捕获参数试配流程如图6所示。

图6 无先验数据初始捕获参数试配流程Fig.6 Adaption flowchart of initial capture without priori data

4.2 有先验数据初始捕获参数设计

有先验数据初始捕获工作模式原理与跟踪捕获模式类似，利用GNCC提供的目标航天器相对位姿先验数据推算成像参数的合理取值，对各硬件接口进行实时配置。如果本模式未识别成功，则认为本拍先验数据不可信。

4.3 试配法参数设计

引入无先验数据初始捕获模式的成像参数试配法，将其与有先验数据初始捕获和跟踪捕获模式的成像参数最优算法相结合。基于既定模式切换原则，形成完整的交会对接成像敏感器参数设计方案。具体方案流程如图7所示。

图7 参数配置总流程Fig.7 General flowchart of parameter processing

软件上电或复位后，缺省进入无先验数据初始捕获模式，将硬件初始化为低档位成像参数状态，在每个周期图像计算完成后，进行参数处理操作。

在无先验数据初始捕获模式，如计算成功则使用测量结果优化参数，并进入跟踪模式。如失败，则继续为期三个周期的参数试配操作。连续失败三个周期后，如有先验数据则转入先验数据初始捕获模式，否则重新开始本模式试配流程。

在有先验数据初始捕获模式中，如果运算成功则用运算结果优化参数后转入跟踪模式，否则认为当前先验数据不可信，进入无先验数据模式进行参数试配。

在跟踪模式中，始终在每个周期计算成功后不断微调优化参数；如果计算失败，则保持原有参数值不更新；连续失败3个周期则退回初始捕获重新搜索。如果有先验数据则进入先验数据初始捕获模式，否则进入无先验数据初始捕获模式。

4.4 仿真测试

以积分时间参数取值为例，交会对接过程仿真测试的取值曲线如图8所示。由图可见，在远距离开机后短时间内成功建立跟踪，并实时优化积分时间，实现整个对接过程的测算，如遇突发异常跟踪失败，试配法可短时间内重新建立跟踪，且相对距离越近，重新跟踪所需时间越短。

图8 积分时间参数和测量结果输出曲线Fig.8 Curve of integral exposure time and the output data

该算法可在对接走廊中任何位置实现参数优化，确保光点捕获成功。由于参数试配过程中先试配近距离参数，再试配远距离参数，对接过程中，相对距离越近，异常跟踪失败后重新捕获建立跟踪的耗时越短，确保了对接过程的安全性。

5 结论

本文针对交会对接成像敏感器在轨目标相对距离变化较大的特性，对比成像参数多种确定方式的优缺点，将初始捕获试配、先验数据使用与跟踪测算结果反推三种方式相结合，设计了一种高可靠的交会对接成像参数确定方案，并进行了仿真测试，结果表明：该方法能实现任何相对距离下的初始捕获，并能在跟踪状态下每周期实时优化成像参数，确保在轨实时图像满足敏感器测算要求。

（References）

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（责任编辑：康金兰）

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

国防基础科研资助项目（JCKY2016203B006）

魏高乐，男，硕士，高级工程师，研究方向为图像处理、模式识别。E-mail：stgaole＠163.com