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一種深空探測兩器互拍成像系統.pdf

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一種 探測 兩器互拍 成像 系統
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摘要
申請專利號:

CN201410106494.1

申請日:

2014.03.21

公開號:

CN103983253A

公開日:

2014.08.13

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01C 11/02申請日:20140321|||公開
IPC分類號: G01C11/02 主分類號: G01C11/02
申請人: 北京空間飛行器總體設計部
發明人: 鄒昕; 陳麗平; 鄧湘金; 張熇; 吳學英; 顧征
地址: 100094 北京市海淀區友誼路104號
優先權:
專利代理機構: 北京理工大學專利中心 11120 代理人: 李愛英;楊志兵
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410106494.1

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2015.06.10|||2014.09.10|||2014.08.13

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供一種深空探測兩器互拍成像系統,該系統由地形地貌相機、相機指向機構云臺、全景相機及桅桿云臺組成;其中所述地形地貌相機安裝于相機指向機構云臺上,所述全景相機安裝于桅桿云臺上;所述相機指向機構云臺安裝于著陸器上,且其偏航角的范圍為-175°~+175°,俯仰角范圍為-60°~+60°;所述桅桿云臺安裝于巡視器上,且其偏航角范圍為-178.5°~+178.5°,俯仰角范圍為-60°~+90°。本發明在兩器上各安裝1臺相機與其機構運動部件配合工作,分別對兩器進行靜態拍照,還對巡視器在月面移動狀態進行跟拍,減少了成像系統配置相機的數量。

權利要求書

權利要求書
1.  一種深空探測兩器互拍成像系統,其特征在于,該系統由地形地貌相機、相機指向機構云臺、全景相機及桅桿云臺組成;其中
所述地形地貌相機安裝于相機指向機構云臺上,所述全景相機安裝于桅桿云臺上;所述相機指向機構云臺安裝于著陸器頂板上,且其偏航角的范圍為-175°~+175°,俯仰角范圍為-60°~+60°;所述桅桿云臺安裝于巡視器頂板上,且其偏航角范圍為-178.5°~+178.5°,俯仰角范圍為-60°~+90°;
所述地形地貌相機對巡視器進行靜態拍照和對巡視器在月面移動過程進行動態攝像,其成像距離為5m~∞,有效像元數量為2352×1728,視場角為22.9o×16.9o且偏差不超過5%,量化值為8bit;
所述全景相機對著陸器進行靜態拍照,其成像距離為3m~∞,彩色成像時對應的有效像元數量為2352×1728,全色成像時對應的有效像元數為1176×864,視場角為19.7×14.5且偏差不超過5%,量化值為10bit。

2.  根據權利要求1所述深空探測兩器互拍成像系統,其特征在于,所述地形地貌相機為彩色相機,能夠自動和遙控調節且可以防塵和消減雜散光,能夠對圖像和視頻進行壓縮。

3.  根據權利要求1或2所述深空探測兩器互拍成像系統,其特征在于,所述地形地貌相機動態攝像的幀頻為5fps。

4.  根據權利要求1所述深空探測兩器互拍成像系統,其特征在于,所述全景相機可以實現彩色成像和全色成像,且能夠自動和遙控調節,可以防塵和消減雜散光。

說明書

說明書一種深空探測兩器互拍成像系統
技術領域
本發明屬于航天光學載荷技術領域,具體涉及一種深空探測兩器(著陸器與巡視器,以下簡稱兩器)互拍成像系統。
背景技術
相機是衛星或探測器的眼睛,是幾乎所有衛星或探測器都要搭載的主要載荷。美國、歐洲及日本等國家在進行深空探測活動中,在他們的著陸器或月球車上都搭載了多臺相機,承擔照相、監視、輔助導航等任務,或通過配置多種類型的相機來實現更多功能。
目前國外深空探測器中含著陸器和巡視器的工程任務中,尚無兩器互拍任務。
我國深空探測兩器互拍任務對成像系統的需求主要包含兩個方面:
一是需要能夠兼顧兩器近距離和遠距離互拍,具有較好的觀測距離適應能力。目前實現此需求最好的成像系統就是采用變焦相機。但是,變焦相機的實現,將在溫控、重量、功耗、安裝尺寸、防塵、控制等方面產生一定的影響,對于深空探測工程帶來較大難度,可靠性低。目前國內外深空探測領域尚無變焦相機。
二是需要跟拍巡視器月面移動狀態。目前實現此需求最好的成像系統就是采用攝像機,其幀頻較高,視頻圖像很連貫,但由于深空數傳碼速率的限制和實時下傳的需求,必會要求攝像機的探測器像元數少或圖像壓縮比高,導致攝像機圖像的分辨率較低。
為了克服變焦相機在深空探測中的低可靠性,攝像機的圖像低分辨率等缺點,針對兩器互拍的任務需求,提出了一種深空探測兩器互拍成像系統。
發明內容
本發明的目的是為了克服變焦相機在深空探測中的低可靠性,攝像機的圖像低分辨率等缺點,針對兩器互拍的任務需求,提出了一種深空探測兩器互拍成像系統。
本發明的技術解決方案是:
一種深空探測兩器互拍成像系統,該系統由地形地貌相機、相機指向機構云臺、全景相機及桅桿云臺組成;其中
所述地形地貌相機安裝于相機指向機構云臺上,所述全景相機安裝于桅桿云臺上;所述相機指向機構云臺安裝于著陸器頂板上,且其偏航角的范圍為-175°~+175°,俯仰角范圍為-60°~+60°;所述桅桿云臺安裝于巡視器頂板上,且其偏航角范圍為-178.5°~+178.5°,俯仰角范圍為-60°~+90°;
所述地形地貌相機對巡視器進行靜態拍照和對巡視器在月面移動過程進行動態攝像,其成像距離為5m~∞,有效像元數量為2352×1728,視場角為22.9o×16.9o且偏差不超過5%,量化值為8bit;
所述全景相機對著陸器進行靜態拍照,其成像距離為3m~∞,彩色成像時對應的有效像元數量為2352×1728,全色成像時對應的有效像元數為1176×864,視場角為19.7×14.5且偏差不超過5%,量化值為10bit。
進一步地,本發明所述地形地貌相機動態攝像的幀頻為5fps。
進一步地,本發明所述地形地貌相機為彩色相機,能夠自動和遙控調節且可以防塵和消減雜散光,能夠對圖像和視頻進行壓縮。
進一步地,本發明所述全景相機可以實現彩色成像和全色成像,且能夠自動和遙控調節,可以防塵和消減雜散光。
有益效果:
(1)在兩器上各安裝1臺相機與其機構運動部件配合工作,分別對兩器進行靜態拍照,還對巡視器在月面移動狀態進行跟拍,減少了成像系統配置相機的數量。
(2)由于有機構運動附件的配合,采用具有高分辨率、寬景深特點的小視場角定焦相機,來代替變焦相機,進行近距離和遠距離的成像,提高了成像系統的分辨率,降低了變焦相機帶來的風險,提高了系統的可靠性。
(3)采用滿足巡視器運動速度匹配性的低幀頻相機,來代替攝像機,進行對巡視器在月面移動狀態跟拍,提高了成像系統的分辨率,同時數據下傳具有實時性,滿足深空探測的數傳碼速率的限制要求。
附圖說明
圖1為深空探測兩器互拍成像系統安裝布局示意圖。
圖2為兩器距離8m時巡視器和國旗在地形地貌相機所拍攝圖像的比例示意圖。
圖3為兩器距離18m時著陸器和國旗在全景相機所拍攝圖像的比例示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。
本發明一種深空探測兩器互拍成像系統,該系統由地形地貌相機、相機指向機構云臺、全景相機及桅桿云臺組成;其中所述相機指向機構云臺安裝于著 陸器頂板上,地形地貌相機安裝于相機指向機構云臺上;所述桅桿云臺安裝于巡視器頂板上,全景相機安裝于桅桿云臺上;地形地貌相機在相機指向機構的配合下,全景相機在桅桿的配合下,共同實現兩器互拍,以及巡視器月面移動狀態跟拍。
兩器互拍成像系統的功能、觀測任務及安裝位置如表1表所示,其安裝布局如圖1所示。
表1兩器釋放分離監視系統的功能、觀測任務及安裝位置

從觀測任務角度出發,地形地貌相機觀測巡視器,全景相機觀測著陸器,著陸器著陸到月上后位置不變,巡視器在月面運動,其運動軌跡將會在著陸器周圍和距離著陸器遠近方向都會涉及。因此,這兩個相機的可視范圍需要覆蓋360°,結合相機視場角的大小,可設小于相機視場角(偏航方向)的角度范圍進行電子和機械限位,以便相機在軌需要的時候進行云臺角度歸零設置,因此,確定相機指向機構云臺的偏航角范圍為-175°~+175°,桅桿云臺的偏航角范 圍為-178.5°~+178.5°。此外,考慮著陸器和巡視器的構型布局條件,地形地貌相機和全景相機盡量安裝在高處,以便相機視場被著陸器或巡視器本體所遮擋的范圍盡可能小,因此確定相機指向機構安裝在著陸器頂板上,桅桿安裝在巡視器頂板上,兩臺相機分別安裝其對應機構的云臺上,這樣兩臺相機位于最佳的觀測位置,再結合具體觀測目標并留有一定視場余量,分析計算得出地形地貌相機的偏航角范圍為-60°~+60°,全景相機的偏航角范圍為-60°~+90°。
為了完成上述探測任務,地形地貌相機和全景相機具有一定的波段范圍、視場角、成像范圍、信噪比、系統傳遞函數等性能指標。通過構建探測器系統、月面環境系統、動態光照系統、相機可視化系統這四個系統,具體如下:
(1)構建探測器系統。導入著陸器和巡視器三維模型;設置探測器材質屬性,具體為材質的色彩、紋理、平滑度、透明度、反射率、折射率、發光度等參數;設置機構部件運動屬性,具體為巡視器的運動軌跡、運動速度,相機指向機構云臺的運動角度、運動軌跡、運動速度,桅桿云臺的運動角度、運動軌跡、運動速度,著陸器和巡視器太陽翼的運動角度、運動軌跡等參數。
(2)構建月面環境系統。月面地形隨機生成;月面典型地貌特征附加,設定月球坑、石塊、平地、斜坡、山包、凹地等典型月面形貌環境的尺寸、坡度等參數。
(3)構建動態光照環境系統。設置太陽高度角、方位角屬性。
(4)基于上述構建的三個系統建立相機可視化系統。
月面場景選取,包含探測器(著陸器和巡視器)、月面地形、光照環境;設置相機成像屬性,具體為相機的位置、視場角、焦距、有效像元素、成像距離、 MTF、幀頻等性能參數;進行相機視場遮擋分析和觀測目標陰影狀態分析。
通過上述仿真分析和計算,在多種工況下(不同著陸姿態、不同月面狀態和不同太陽光照情況下),地形地貌相機或全景相機在靜態拍照或動態攝像模式時的可視化效果(靜態圖像或視頻)可輸出和直觀顯示。通過預覽相機成像效果,綜合迭代調整相機成像屬性,經過相機視場遮擋分析和觀測目標陰影狀態分析,直到獲得的相機靜態圖像或視頻滿足要求為止。此外,綜合考慮任務需求、資源條件、安裝位置、接口關系等多方面因素后,優化迭代,確定地形地貌相機和全景相機的性能指標分別如表2和表4所示。
表2地形地貌相機的主要性能指標

依據表2,計算得出地形地貌相機靜態成像時的分辨能力的結果如表3所示。
表3地形地貌相機分辨能力(靜態成像模式)
距離視場大小(m2)像元分辨率(mm)5m2×1.50.8510m4×31.730m12×95.1
距離視場大小(m2)像元分辨率(mm)50m20×158.5100m40×3017
全景相機的主要技術指標見表4。
表4全景相機主要技術指標

依據表4,計算得出全景相機彩色成像時的分辨能力的結果見表5。
表5全景相機分辨能力(彩色成像模式)
距離視場大小(m2)像元分辨率(mm)3m1.04×0.770.445m1.74×1.280.748m2.78×2.051.1810m3.48×2.561.4818m6.26×4.612.6650m17.4×12.87.4100m34.8×25.614.8
(1)巡視器月面靜態拍照
著陸器的地形地貌相機在相機指向機構的配合下,實現對巡視器月面靜態拍照。地形地貌相機可拍攝巡視器在月面5m距離以外狀態的觀測和可視性。。
巡視器大小:1.1m×1m(本體尺寸),2.41m×1.66m(太陽翼、桅桿展開狀態);巡視器器表國旗尺寸為192mm(W)×128mm(H),則國旗中小五角星的 外接圓直徑為12.8mm,大五角星外接圓直徑為38.4mm。
a)當兩器距離5m時,地形地貌相機的視場大小約為2m×1.5m,像元分辨率為0.85mm,此時:巡視器本體在圖像中占1294pixel×1176pixel,輪廓清晰,能看到各主要部件,能夠清晰的分辨各部分的細節狀態,此時國旗在圖像中占225pixel×150pixel,輪廓可見。小五角星的直徑在圖像中占15pixel,能夠清晰分辨國旗上的小五角星。
b)當兩器距離8m時,地形地貌相機的視場大小為2.78m×2.05m,像元分辨率1.18mm,此時:單幅圖像中能看到2.41m×1.66m(太陽翼、桅桿展開狀態)的巡視器整體圖像,此時國旗在圖像中占162pixel×108pixel,小五角星直徑在圖像中占10pixel,輪廓可見。巡視器和國旗在地形地貌相機所拍攝圖像的比例示意圖如圖2所示。
c)當兩器距離10m時,地形地貌相機的視場大小為4m×3m,像元分辨率1.7mm,此時:單幅圖像中能看到2.41m×1.66m(太陽翼、桅桿展開狀態)的巡視器整體圖像,此時國旗在圖像中占112pixel×75pixel,小五角星直徑在圖像中占7pixel,輪廓可見。
d)當兩器距離30m時,地形地貌相機的視場大小為12m×9m,像元分辨率5.1mm,此時:巡視器展開狀態在圖像中占472pixel×325pixel,,能較清楚看到各主要部件,如車輪、桅桿。國旗在圖像中占37pixel×25pixel,國旗中小五角星的直徑在圖像中占2pixel。
e)當兩器距離50m時,巡視器展開狀態在圖像中占325pixel×224pixel,輪廓清晰。國旗在圖像中占25pixel×17pixel,國旗輪廓可見。
f)當兩器距離100m時,巡視器展開狀態在圖像中占325pixel×224pixel, 輪廓可見。
(2)巡視器月面移動狀態跟拍
著陸器的地形地貌相機在相機指向機構的配合下,實現對巡視器月面移動狀態跟拍。地形地貌相機動態攝像時數據率為800kbps,著陸器通過定向天線下行數傳碼速率為1Mbps,可實現實時對地傳輸月面圖像。
相機視頻圖像的連貫性主要取決于相鄰兩幅圖像場景的重疊率。場景重疊率越高,圖像越連貫。巡視器按最高運行速度200m/h運動,經分析,對巡視器移動的拍攝過程,如下:
a)當圖像幀頻為1fps時,能較清晰判斷巡視器的移動路徑和移動狀態,有比較明顯的圖像停頓感。
b)當圖像幀頻為5fps時,能清晰判斷巡視器的移動路徑和移動狀態,圖像停頓感不明顯,視覺效果較好。
c)當圖像幀頻為10fps時,能清晰判斷巡視器的移動路徑和移動狀態,幾乎沒有圖像停頓感。
結合需要實時下傳的需求約束,地形地貌相機的最大數據率不能超過800kbps。經過分析和計算,地形地貌相機需要采取開窗口等方式減小像素,且壓縮比為24:1時,動態攝像時的幀頻為5fps時,能夠滿足實時傳輸的要求,且能清晰判斷巡視器的移動路徑和移動狀態,視覺效果較好。如果選取地形地貌相機的幀頻為10fps,且要保證實時下傳,可帶來的視頻連貫性效果會稍好一些,但其付出的代價為圖像質量下降(相機5幀頻時,壓縮比為24:1,此壓縮比已較大,若采用10fps,還需增加一倍,壓縮比需為48:1,圖像質量較差),可視性效果變差。若保持24:1壓縮比,則無法保證數據實時下傳。因此,綜 合考慮確定地形地貌相機在動態攝像時的幀頻為5fps,可以較好實現巡視器月面移動過程實時展現要求。
(3)著陸器月面靜態拍照
巡視器的全景相機在桅桿的配合下,實現對著陸器月面靜態拍照。全景相機可拍攝巡視器在月面10m距離以外狀態的觀測和可視性。
著陸器大小:5.68m×2.58m(太陽翼展開狀態);著陸器器表國旗尺寸:480mm×320mm;則國旗中小五角星的外接圓直徑:32mm。
a)當兩器距離10m時,全景相機視場大小3.48m×2.561m,像元分辨率為1.48mm,此時:單幅圖像不能完整覆蓋著陸器,可以進行多幅圖像拼接實現。考慮圖像拼接需視場重疊率為20%,計算需要經過6幅圖像拼接才能拍攝出完整的著陸器。
b)當兩器距離18m時,全景相機視場大小6.26m×4.61m,像元分辨率為2.66mm,此時:單幅圖像就能夠拍攝著陸器整體,著陸器在圖像中占2135pixel×970pixel,輪廓清晰。能看到氣瓶等主要部件,能夠清晰的分辨其細節狀態;國旗在圖像中占180pixel×120pixel,小五角星直徑在圖像中占12pixel,輪廓可見。著陸器和國旗在全景相機所拍攝圖像的比例示意圖如圖3所示。
c)當兩器距離50m時,全景相機視場大小17.4m×12.8m,像元分辨率為7.4mm,此時:單幅圖像能夠拍攝著陸器整體,著陸器在圖像中占768pixel×349pixel,輪廓清晰。能看到氣瓶等主要部件;國旗在圖像中占64pixel×43pixel,輪廓可見。小五角星直徑在圖像中占4pixel,輪廓可見。
d)當兩器距離100m時,著陸器在圖像中占384pixel×175pixel,像元分辨率為14.8mm,輪廓清晰,國旗在圖像中占32pixel×21pixel,輪廓可見。
地形地貌相機在相機指向機構的配合下,全景相機在桅桿的配合下,共同實現兩器互拍,以及巡視器月面移動狀態跟拍,且地形地貌相機動態攝像的數據率為800kbps,著陸器著陸后通過定向天線下行碼速率為1Mbps,可實時對地形地貌相機動態攝像數據進行實時下傳。
綜上所述,以上僅為本發明的較佳實施例而已,并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發明的保護范圍之內。   內容來自專利網www.wwszu.club轉載請標明出處

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