高分七號(hào)激光測(cè)高儀激光光斑特性初探

文｜中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、中國(guó)科學(xué)院空間主動(dòng)光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 劉智慧 黃庚華 廖陽(yáng)陽(yáng) 謝鋒

0 引言

高分七號(hào)衛(wèi)星（GF-7）于2019年11月3日在太原成功發(fā)射，它是我國(guó)首顆亞米級(jí)高分辨率光學(xué)傳輸型立體測(cè)繪衛(wèi)星，也是民用測(cè)圖精度最高的衛(wèi)星，主要載荷于11月5日在軌開(kāi)機(jī)工作并下傳數(shù)據(jù)。GF-7搭載了具有全波形記錄能力的對(duì)地觀測(cè)激光測(cè)高儀，該激光測(cè)高儀采用雙波束激光測(cè)高，并首次配備了足印相機(jī)分別對(duì)兩束激光光束成像，可輔助確定光斑位置；GF-7激光測(cè)高儀還配置了監(jiān)視相機(jī)對(duì)兩束發(fā)射激光成像，可輔助分析激光指向的穩(wěn)定性。美國(guó)地球科學(xué)激光高度計(jì)系統(tǒng)（GLAS）搭載的激光參考相機(jī)對(duì)發(fā)射脈沖成像得到激光參考陣列（LPA）影像，LPA記錄了GLAS發(fā)射激光脈沖的能量分布，監(jiān)視相機(jī)的作用與LPA有相似之處，可用于分析GF-7兩束發(fā)射激光光束的能量分布、指向穩(wěn)定性等，對(duì)分析激光測(cè)高儀在軌運(yùn)行狀態(tài)具有重要意義。本文對(duì)GF-7地面研制和初始在軌運(yùn)行時(shí)監(jiān)視相機(jī)圖像中發(fā)射激光光斑特性進(jìn)行初步探索分析，主要包括激光光斑質(zhì)心穩(wěn)定性、光斑分布范圍穩(wěn)定性，以期為激光測(cè)高儀在軌運(yùn)行狀態(tài)分析與數(shù)據(jù)應(yīng)用提供參考。

1 研究方法

監(jiān)視相機(jī)圖像中發(fā)射激光光斑特性分析流程圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)視相機(jī)圖像中發(fā)射激光光斑特性分析流程圖

1.1 監(jiān)視相機(jī)圖像光斑區(qū)域提取

監(jiān)視相機(jī)圖像大小為550×550像素，發(fā)射激光光斑在圖像中占比較小，以?xún)蓚€(gè)發(fā)射激光光斑的初始光斑中心最大值為基準(zhǔn)，在行列方向上分別擴(kuò)展20個(gè)像素形成40×40像素的圖像區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行光斑特性初步分析。

1.2 閾值分割

閾值分割的目的是提取出用于分析激光光斑特性的區(qū)域，閾值的確定采用迭代選取法。首先提取激光光斑圖像的最大值DNmax和最小值DNmin，設(shè)定初始閾值

以初始閾值將激光光斑圖像分為背景和目標(biāo)兩部分，再分別計(jì)算背景和目標(biāo)區(qū)域像素均值Pback和Pobj，重新計(jì)算閾值

以Tk+1為閾值進(jìn)行圖像分割，然后再重新計(jì)算Pback和Pobj，迭代進(jìn)行此過(guò)程直到Tk和Tk+1的差值小于某個(gè)設(shè)定值或達(dá)到最大迭代次數(shù)，根據(jù)此時(shí)的閾值對(duì)激光光斑圖像進(jìn)行分割得到光斑區(qū)域，該區(qū)域外的像素值賦值為0。

1.3 質(zhì)心提取

光斑質(zhì)心提取對(duì)于激光光軸穩(wěn)定性分析有重要意義。常用的中心定位方法可分為基于灰度和邊緣擬合兩大類(lèi)?；诨叶鹊某Ｒ?jiàn)方法是灰度質(zhì)心法，基于邊緣的方法包括圓和橢圓擬合法。本文利用灰度質(zhì)心法和橢圓擬合法分別計(jì)算激光光斑的質(zhì)心，對(duì)比不同方法得到的質(zhì)心穩(wěn)定性。

灰度質(zhì)心法主要是以灰度作為權(quán)重計(jì)算光斑的質(zhì)心，其計(jì)算公式如下：

橢圓擬合法根據(jù)激光光斑邊緣數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法對(duì)邊緣進(jìn)行橢圓擬合，橢圓中心為質(zhì)心位置。橢圓的參數(shù)方程可表示為公式（5）

其中，xc、yc表示中心位置，a、b表示長(zhǎng)短半軸，θ表示橢圓離心角，α表示橢圓旋轉(zhuǎn)角。利用非線性最小二乘優(yōu)化邊緣點(diǎn)與擬合曲線正交距離的平方和，得到參數(shù)方程的各參數(shù)，進(jìn)而確定光斑的質(zhì)心。

2 實(shí)驗(yàn)分析

本文中采用2019年9月27日地面研制階段和2019年11月5日衛(wèi)星初始在軌運(yùn)行測(cè)試階段的兩個(gè)數(shù)據(jù)包作為分析數(shù)據(jù)。衛(wèi)星在發(fā)射與在軌運(yùn)行過(guò)程中因受振動(dòng)、重力和熱環(huán)境變化等因素的影響，激光光軸可能發(fā)生變化，表現(xiàn)為激光光斑質(zhì)心位置的變化，而穩(wěn)定性是體現(xiàn)載荷運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)。GF-7激光測(cè)高儀采用雙波束模式，監(jiān)視相機(jī)對(duì)兩束發(fā)射激光光斑成像，本文中地面和在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)的發(fā)射激光光斑均未達(dá)到飽和狀態(tài)，圖像連續(xù)無(wú)異常。

2.1 激光光斑圖像

地面研制階段監(jiān)視相機(jī)圖像中波束1激光光斑區(qū)域和波束2激光光斑區(qū)域相對(duì)于整體監(jiān)視相機(jī)圖像左上角像素位置（1,1）的位置分別為（286,51）和（133,201）。衛(wèi)星初始在軌運(yùn)行測(cè)試階段監(jiān)視相機(jī)圖像中波束1激光光斑和波束2激光光斑圖像相對(duì)于整體監(jiān)視相機(jī)圖像左上角像素位置（1,1）的位置分別為（291,42）和（138,209）。圖2所示分別為地面研制階段和衛(wèi)星初始在軌運(yùn)行測(cè)試階段監(jiān)視相機(jī)圖像中激光光斑1和激光光斑2，從圖中可以看出，激光光斑的形態(tài)有微小變化。

2.2 質(zhì)心穩(wěn)定性

質(zhì)心穩(wěn)定性是激光光軸穩(wěn)定性的直觀表現(xiàn)，不同質(zhì)心提取方式得到的質(zhì)心位置稍有差別，但是通過(guò)對(duì)序列質(zhì)心位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析能夠反應(yīng)出質(zhì)心位置的總體穩(wěn)定情況。表1是用兩種質(zhì)心提取方式對(duì)539幀地面和242 幀在軌監(jiān)視相機(jī)圖像進(jìn)行質(zhì)心提取的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

從圖2和表1可以看出，（1）在軌運(yùn)行測(cè)試階段的質(zhì)心位置與地面測(cè)試階段相比發(fā)生了變化；（2）兩種質(zhì)心提取方法對(duì)同一數(shù)據(jù)包中監(jiān)視相機(jī)圖像提取的同一光斑質(zhì)心位置差異較小，一定程度上反應(yīng)了監(jiān)視相機(jī)圖像噪聲是比較小的；（3）衛(wèi)星在軌運(yùn)行后兩束激光x、y 方向的穩(wěn)定性在都在0.4個(gè)像素內(nèi)，質(zhì)心穩(wěn)定性良好，系統(tǒng)在軌運(yùn)行平穩(wěn)。

圖2 激光光斑（a）地面激光光斑1（b）地面激光光斑1（c）在軌激光光斑1（d）在軌激光光斑1

表1 光斑1和光斑2 質(zhì)心位置統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3 參與計(jì)算的像素?cái)?shù)

采用閾值分割確定參與光斑特性計(jì)算的圖像像素，該像素?cái)?shù)反應(yīng)光強(qiáng)分布范圍及足印的面積。對(duì)監(jiān)視相機(jī)圖像統(tǒng)計(jì)參與質(zhì)心計(jì)算的像素?cái)?shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 參與計(jì)算的激光光斑像素?cái)?shù)

從表2可見(jiàn)，兩個(gè)激光器參與計(jì)算的激光光斑像素?cái)?shù)比較穩(wěn)定。在地面研制階段，激光器1的光強(qiáng)集中且穩(wěn)定，初始在軌運(yùn)行時(shí)，激光器1具有更好的穩(wěn)定性，激光器2的光強(qiáng)分布更加集中。

3 結(jié)論

采用激光測(cè)高儀地面研制階段和初始在軌運(yùn)行測(cè)試階段監(jiān)視相機(jī)圖像數(shù)據(jù)，采用迭代選取法計(jì)算閾值確定光斑區(qū)域，通過(guò)灰度質(zhì)心法和橢圓擬合法分別提取激光光斑質(zhì)心，對(duì)同一數(shù)據(jù)同一光斑兩種方式提取的激光光斑質(zhì)心位置差異較??；初始在軌運(yùn)行時(shí)質(zhì)心穩(wěn)定性在0.4個(gè)像素內(nèi)；統(tǒng)計(jì)參與質(zhì)心計(jì)算的像素?cái)?shù)，該像素?cái)?shù)比較穩(wěn)定。綜上，衛(wèi)星受發(fā)射過(guò)程震動(dòng)、重力釋放、溫度變化的影響，光軸指向、分布范圍雖發(fā)生變化，但初期在軌運(yùn)行時(shí)激光光斑質(zhì)心、光斑面積穩(wěn)定性高，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好。本文分析采用的是地面研制階段和激光測(cè)高儀初始開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，其中地面研制階段數(shù)據(jù)與設(shè)備發(fā)射前狀態(tài)有可能存在差異，激光初始在軌運(yùn)行環(huán)境也可能未穩(wěn)定，激光測(cè)高儀的連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)需依據(jù)序列在軌數(shù)據(jù)展開(kāi)，也是后續(xù)研究工作的重點(diǎn)。