本文關鍵詞：復雜背景下的空間目標自動識別技術　出處：《中國科學院長春光學精密機械與物理研究所》2017年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 空間目標 光電探測系統(tǒng) 星圖去噪 目標檢測 質心提取

【摘要】：隨著人類對空間技術開發(fā)利用規(guī)模的不斷擴大,空間已經(jīng)成為獲取和傳遞信息的重要平臺,因此,對空間的控制尤為重要�？臻g控制的前提是對空間目標的監(jiān)視,包括空間目標探測識別和跟蹤�？臻g目標主要指空間碎片和人造衛(wèi)星,及進入地球外太空的各種飛行物�？臻g目標的精確識別與定位是空間目標監(jiān)視的主要目的,是空間態(tài)勢感知的重要組成部分,也是確保載人航天安全和空間預警的重要技術保障。所以對空間目標探測技術的研究非常具有現(xiàn)實意義和應用價值。本論文采用的是地基光電探測系統(tǒng)對空間目標進行探測和跟蹤。與雷達和天基平臺相比,這種探測方式的測量精度高,直觀性強,成本低,不受地面雜波干擾的影響,但容易受到天氣變化的影響。為兼顧目標搜索效率和探測能力,一般采用大視場光學望遠鏡對遠距離空間目標進行搜索測量,進而達到空間目標快速發(fā)現(xiàn)和識別的目的。地基探測存在幾個難點:一是大視場光學系統(tǒng)本身存在光學畸變,背景不均勻,同視場恒星過多,圖像處理實時性要求高;二是空間目標尺寸小、距離遠,亮度受太陽照射方向影響變化大,信噪比低;三是空間目標受軌道高度差異影響、目標速度和運動差異較大。這些問題,給自動識別和處理帶來很多挑戰(zhàn),因此如何在復雜背景條件下自動識別出更多,更暗,更弱目標是本論文的主要目標。本課題主要從空間目標測量光電望遠鏡系統(tǒng)、星圖圖像處理、空間目標檢測識別和空間目標定位幾個方面入手,研究提升空間目標識別與跟蹤能力,提高空間目標定位精度的方法。具體完成研究工作如下:(1)論文首先詳細介紹了對空間目標進行搜索測量的光電望遠鏡系統(tǒng)的基礎知識,包括望遠鏡的光學系統(tǒng)、機械結構以及CCD探測器等。(2)詳細介紹了星圖圖像的處理技術,包括星圖的去噪和閾值分割技術,以提高星圖信噪比。在分析了星圖成像和椒鹽噪聲特性的基礎上,提出了“基于能量函數(shù)的極值中值濾波星圖去噪算法”,該算法針對疑似噪聲點采用二次檢測的方式,并且結合改進的自適應中值濾波和能量函數(shù)模型進行灰度值恢復�？陀^評價中,圖像信噪比PSNR最高可提高3倍多,均方誤差MSE減小為含噪圖像的3.16×10-5。實驗結果表明,該方法可有效地降低傳統(tǒng)方法的噪聲誤檢問題,同時提高噪聲圖像的恢復精度,很適合去除星圖的椒鹽噪聲。(3)論文在分析空間目標運動特性的基礎上,針對空間目標和恒星背景之間存在的運動特性差異,充分利用空間目標在時域上的分布信息,同時結合其空域相關性,提出了“基于運動信息的星圖暗弱空間運動點目標檢測算法”,引入相關系數(shù)矩陣,成功提取目標運動軌跡,最后給出運動速度估計模型。試驗結果表明,所提方法能夠在保持較低的虛警概率下獲得較高的檢測概率,優(yōu)于其它比較方法,與單純擴大望遠鏡口徑相比,該方法為提高空間暗弱目標識別能力提供了具有更高性價比的有效途徑。針對傳統(tǒng)星圖空間運動目標檢測方法對星圖幀間圖像亮度,幀間配準以及成像模式等具有較高的敏感性的缺點,根據(jù)星點間拓撲結構的穩(wěn)定性,提出了“基于距離矩陣的星圖運動目標檢測方法”,該方法利用穩(wěn)定的星點幾何結構信息完成運動目標的檢測,對星圖幀間圖像亮度,觀測平臺抖動,幀間失配以及成像模式等具有高魯棒性。仿真試驗和真實數(shù)據(jù)試驗表明,該方法在幀間失配等情況下,能夠從背景恒星中有效地識別空間運動目標,并保持較低的虛警率。通過構建星圖時譜圖,在此基礎上,分析星圖中主要對象(目標、恒星和背景)的時域特征,并利用目標的時域信號的單脈沖特征實現(xiàn)運動目標的檢測,提出了“一種基于時域特征的空間運動目標檢測方法”。真實星圖目標檢測試驗表明,此方法能夠有效檢測星圖序列中運動目標軌跡,在虛警率為8×10-5時,檢測概率可達99%,優(yōu)于傳統(tǒng)空間目標檢測算法。(4)通過分析傳統(tǒng)質心提取算法的不足,論文提出了“基于各向異性的高斯曲面擬合的星點質心提取算法”,提出了各向異性的高斯曲面擬合模型,該模型通過使用兩個不同的高斯模糊參數(shù)和旋轉因子,可以捕捉空間目標不同方向的各向異性特征,適合衛(wèi)星由于運動造成的隨機方向模糊。仿真實驗和真實數(shù)據(jù)實驗表明,該方法的總體定位精度可分別達到0.008和0.04,能夠準確提取星圖目標的質心,較傳統(tǒng)方法有較大提高。
[Abstract]:As the development and utilization of space technology continues to expand the scale, space has become an important platform for acquiring and transmitting information, therefore, control of space is particularly important. The premise of space control is the space surveillance, including space target recognition and tracking. Space target mainly refers to the space debris and artificial satellites, and into the earth outer space flying objects. Accurate positioning and recognition of space targets is the main purpose of space surveillance, is an important part of space situational awareness, but also to ensure the important technical support of manned spaceflight and space warning. So research on space target detection technology has very realistic significance and application value. This paper uses is the foundation of the photoelectric detection system for space target detection and tracking. Compared with radar and space-based platforms, the accuracy of detection is high Intuitive, strong, low cost, not affected by ground clutter, but is easily affected by the change of the weather. In order to balance the target search efficiency and detection ability, generally adopts a large field optical telescope for space target search distance measurement, so as to achieve rapid discovery of space targets and identification purposes. There are several difficult foundation a: there is optical distortion of wide-angle optical system itself, the background is not uniform, the same star too much, real-time image processing; two is the space target size, distance, brightness by solar irradiation direction changes, the signal-to-noise ratio is low; the three is affected by the space target orbit height difference. The target speed and movement are different. These problems bring many challenges to the automatic recognition and processing, so how in the condition of complex background automatically identify more and more dark, more weak target is the main To the target. This topic mainly from the space target measurement of photoelectric telescope system, star image processing, several aspects of space target detection and target location of research to improve target recognition and tracking method to improve the ability of space, space target positioning accuracy. The finished research works are as follows: (1) this paper first introduced the basic knowledge search system measurement optoelectronic telescope for space target, including the telescope optical system, mechanical structure and CCD detector. (2) introduces the processing technology of star image, denoising and threshold segmentation technology including chart, chart in order to improve the signal-to-noise ratio. Based on the analysis of the star image and noise the characteristics of the proposed denoising algorithm, "star extremum median filtering based on the energy function, the algorithm uses the two detection methods for suspected noise, and Combining the adaptive median filter and energy function model of improved gray value recovery. The objective evaluation of image SNR PSNR maximum increase more than 3 times, the mean square error decreases to 3.16 MSE * 10-5. experimental results of noisy images show that the method can effectively reduce the noise of the traditional method of error detection, at the same time to improve the noise image restoration precision, is suitable for the removal of salt and pepper noise map. (3) based on the analysis of the target motion characteristics of space, according to the difference in motion between space target and the background of the stars, make full use of the space distribution information of target in the time domain, combined with the spatial correlation, put forward the "space motion the faint star point motion information of the target detection algorithm based on the correlation coefficient matrix, the successful extraction of target trajectory, velocity estimation model is given. The experimental results show that the proposed party Method to obtain high detection probability while maintaining low false alarm probability, is better than other methods, compared with the simple expansion of the telescope, the method provides an effective way to improve the cost-effective space faint target recognition abilities. Detection method for traditional star space moving target in terms of image brightness, the sensitivity of the interframe registration and imaging mode has higher shortcomings, according to the star topology structure stability, proposed the "star moving target detection method based on distance matrix, the detection method using star geometry information of steady motion target, in terms of image brightness, observation platform frame jitter. Mismatch between imaging mode and high robustness. Simulation results show that the test and real data, the method in the inter frame mismatch case, from the background star In the effective identification of space object, and maintain a low false alarm rate. By constructing the star spectrum diagram, on this basis, the main object of analysis chart (target, star and background) time domain characteristics, detect and use single pulse time domain signal characteristics of the target moving target, put forward "a moving target detection method based on time domain feature. Show the true star target detection test, this method can effectively detect the moving target trajectory map sequence, the false alarm rate is 8 * 10-5, the detection probability reaches 99%, is superior to the traditional space target detection algorithm. (4) through the analysis of the traditional centroid extraction algorithm insufficient, the paper proposes a" star centroid extraction algorithm of anisotropic Gauss surface fitting based on the proposed Gauss surface fitting model of anisotropy, the fuzzy parameters of the model by using two different Gauss And the rotation factor and anisotropy can capture the spatial objects in different directions, suitable for satellite due to random motion blurred direction. Simulation results and real data, the overall positioning precision of this method can reach 0.008 and 0.04, can accurately extract the target centroid chart, is greatly improved compared with traditional methods.

【學位授予單位】：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.41

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本文編號：1364243