一种基于惯性空间的空间碎片检测方法

摘要

本发明公开了一种基于惯性空间的空间碎片检测方法，包括以下工作步骤：图像背景估计；星象扫描及二维平面坐标归算；三维空间向量归算；背景恒星剔除；空间碎片检测。本发明摒弃了依赖二维平面坐标满足给定门限剔除恒星星象的流程，只依赖背景恒星和空间碎片星象在惯性三维空间的运动规律不同（相邻帧恒星在惯性空间的向量基本重合或者其对应的赤经和赤纬基本不变）剔除背景恒星的星象，实现了望远镜不同观测模式下的空间碎片检测，特别适用空间碎片跟踪不稳定情形。本发明能够根据给定的检测门限，灵活地采用多帧CCD图像，对图像上比恒星视运动速度快的非恒星目标进行检测，降低亮恒星等因素产生的检测虚警，提高暗弱的空间碎片的检测成功率。

权利要求

1.一种基于惯性空间的空间碎片检测方法，其特征在于，空间碎片检测采用跟踪观测模式或搜索观测模式,包括如下步骤：步骤1：对含有空间碎片及背景恒星的图像进行综合分析，建立图像背景估计的数学模型，以用于图像背景估计；

步骤2：根据图像背景估计结果及原始的含有空间碎片及背景恒星的图像，按照给定的阈值，对图像进行全帧扫描，给出图像上所有星象的二维平面坐标扫描结果；

步骤3：根据二维平面坐标扫描结果，通过天文定位的方式，获得所有星象对应的惯性空间的三维向量；

步骤4：通过比较相邻帧星象惯性空间的三维向量，剔除图像上的背景恒星；满足以下条件的星象为背景恒星：其中， 和 分别表示第i帧图像上第j个星象在J2000惯性坐标系下对应的赤经和赤纬， 和 分别表示第i+1帧图像上第k个星象在J2000惯性坐标系下对应的赤经和赤纬；

ε表示判断相邻两帧某两个星象对应向量重合的门限，若两个星象对应的赤经之差和赤纬之差小于给定的门限，则表示该星象为恒星；

步骤5：根据多帧图像的背景恒星剔除结果，综合星象的判断特征，检测出图像上所有的空间碎片。

2.如权利要求1所述的一种基于惯性空间的空间碎片检测方法，其特征在于：步骤3中，根据二维平面坐标(x,y)扫描结果，通过天文定位的方式，获得所有星象的赤经α和赤纬δ，进而获得所有星象对应的惯性空间的三维向量。

3.如权利要求1所述的一种基于惯性空间的空间碎片检测方法，其特征在于：步骤5中，图像上满足以下条件的为空间碎片：其中， 和 分别表示第i+2帧图像上第l个星象在J2000惯性坐标系下对应的赤经和赤纬；ε1表示相邻两帧某两个星象在惯性空间中向量夹角的最小检测门限，ε2表示连续三帧中第i帧第j个星象和第i+1帧第k个星象在惯性空间中的向量夹角与第i+1帧第k个星象和第i+2帧第l个星象在惯性空间中的向量夹角之差的最大检测门限。

说明书

一种基于惯性空间的空间碎片检测方法

技术领域

[0001] 本发明属于空间碎片检测技术领域，具体涉及一种基于惯性空间的空间碎片检测方法。

背景技术

[0002] 在科研、军事等许多领域，都需要对空间碎片进行监视，给出空间碎片的每一个瞬间在天空中的位置及其变化，确定空间碎片的运行轨道，从而获取空间碎片精确的信息。

[0003] CCD的发明，替代了传统的照相观测，成为了空间碎片监视的有效手段之一，尤其对中高轨道的空间碎片。对于科学级CCD来说，通常有三种读出方式：全帧读出、行间转移读出及帧转移读出方式。采用帧转移和行间转移读出的CCD通常具有靶面小、读出速度快以及读出的图像上星象几乎没有脱尾现象的优点；采用全帧读出的CCD通常具有靶面大优点，同时具有读出速度慢以及在无快门配合时读出的图像上星象存在脱尾现象的缺点。随着sCMOS技术的发展，sCMOS具有靶面大、读出速度快以及读出的图像上星象几乎没有脱尾现象的优点。因此科学级CCD和sCMOS在空间碎片监视中得到了较为广泛的应用。

[0004] 望远镜通常采用跟踪恒星(恒动)、跟踪目标及静止等三种工作模式开展空间碎片观测。第一种工作模式：在跟踪稳定的前提下，恒星在图像上几乎为点状星像而且不同帧之间恒星星象灰度质心坐标基本相同，空间碎片为线状星象(在受到不同风速影响时不同帧之间恒星星象灰度质心坐标相差不同)。第二种工作模式：在跟踪稳定的前提下，恒星星像为线状星象，而空间碎片为点状星象(风速及跟踪不稳定等影响，可能都时线状星象，运动速度不同线状的长度不同)。第三种工作模式：在短曝光时，恒星星象几乎为点状星象而且不同帧之间恒星星象灰度质心坐标不相同，变化量较小；不同轨道高度空间碎片的星象可能是点状星象或者不同长度线状星象(在受到不同风速影响时不同帧之间恒星星象灰度质心坐标相差不同)。

[0005] 空间碎片观测过程中，由于图像的不同，检测方法有很多种，传统的空间碎片检测方法都是基于图像二维平面坐标(x，y)的单帧或者多帧帧差处理，不同观测模式处理流程不同。但是由于CCD在进行图像实时采集的过程中不仅有来自CCD自身读出电路误差因素，而且有CCD工作环境及云层的影响因素，会影响CCD图像的背景起伏，给空间碎片的检测带来影响，特别对暗弱的空间碎片的影响，从而增加了虚警概率，影响了检测成功率。

发明内容

[0006] 使用CCD或者sCMOS的空间碎片测量系统时，针对传统基于图像二维平面的单帧或者多帧帧差空间碎片检测方法的不足，本发明提供一种基于惯性空间的空间碎片检测方法，能够采用多帧CCD或者sCMOS图像，采用全帧扫描及天文定位方式，获得图像上所有星象的在图像上的二维平面坐标(x，y)和惯性空间的三维向量(赤经α和赤纬δ)，通过二维平面坐标和三维向量向量相结合，实现空间碎片的检测。

[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0008] 一种基于惯性空间的空间碎片检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

[0009] 步骤1：对含有空间碎片及背景恒星的图像进行综合分析，建立图像背景估计的数学模型，以用于图像背景估计；

[0010] 步骤2：根据图像背景估计结果及原始的含有空间碎片及背景恒星的图像，按照给定的阈值，对图像进行全帧扫描，给出图像上所有星象的二维平面坐标扫描结果；

[0011] 步骤3：根据二维平面坐标扫描结果，通过天文定位的方式，获得所有星象对应的惯性空间的三维向量；

[0012] 步骤4：通过比较相邻帧星象惯性空间的三维向量，剔除图像上的背景恒星；

[0013] 步骤5：根据多帧图像的背景恒星剔除结果，综合星象的判断特征，检测出图像上所有的空间碎片。

[0014] 为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

[0015] 进一步地，步骤3中，根据二维平面坐标(x，y)扫描结果，通过天文定位的方式，获得所有星象的赤经α和赤纬δ，进而推算出所有星象对应的惯性空间的三维向量。

[0016] 进一步地，空间碎片检测采用跟踪观测模式或搜索观测模式。

[0017] 进一步地，步骤4中，满足以下条件的星象为背景恒星：

[0018]

[0019] 其中，

[0020] 和 分别表示第i帧图像上第j个星象在J2000惯性坐标系下对应的赤经和赤纬， 和 分别表示第i+1帧图像上第k个星象在J2000惯性坐标系下对应的赤经和赤纬；表示第i帧图像上第j个星象在J2000惯性坐标系下对应的三维向量， 表示第i+1帧图像上第k个星象在J2000惯性坐标系下对应的三维向量；ε表示判断相邻两帧某两个星象对应向量重合的门限，若两个向量之间的夹角小于给定的门限，则表示该星象为恒星。

[0021] 进一步地，步骤4中，满足以下条件的星象为背景恒星：

[0022]

[0023]

[0024] 其中， 和 分别表示第i帧图像上第j个星象在J2000惯性坐标系下对应的赤经和赤纬， 和 分别表示第i+1帧图像上第k个星象在J2000惯性坐标系下对应的赤经和赤纬；ε表示判断相邻两帧某两个星象对应向量重合的门限，若两个星象对应的赤经之差和赤纬之差小于给定的门限，则表示该星象为恒星。

[0025] 进一步地，步骤5中，图像上满足以下条件的为空间碎片：

[0026]

[0027] 其中，

[0028] 和 分别表示第i+2帧图像上第l个星象在J2000惯性坐标系下对应的赤经和赤纬； 表示第i+2帧图像上第l个星象在J2000惯性坐标系下对应的三维向量；ε1表示相邻两帧某两个星象在惯性空间中向量夹角的最小检测门限，ε2表示连续三帧中第i帧第j个星象和第i+1帧第k个星象在惯性空间中的向量夹角与第i+1帧第k个星象和第i+2帧第l个星象在惯性空间中的向量夹角之差的最大检测门限。

[0029] 进一步地，步骤5中，图像上满足以下条件的为空间碎片：

[0030]

[0031]

[0032]

[0033]

[0034] 其中， 和 分别表示第i+2帧图像上第l个星象在J2000惯性坐标系下对应的赤经和赤纬；ε1表示相邻两帧某两个星象在惯性空间中向量夹角的最小检测门限，ε2表示连续三帧中第i帧第j个星象和第i+1帧第k个星象在惯性空间中的向量夹角与第i+1帧第k个星象和第i+2帧第l个星象在惯性空间中的向量夹角之差的最大检测门限。

[0035] 本发明的有益效果是：本发明的空间碎片检测方法摒弃依赖二维平面坐标剔除恒星星象的流程，只依赖背景恒星和空间碎片星象在惯性三维空间的运动规律不同，剔除背景恒星的星象后，完全不依赖星像在二维平面上的灰度质心坐标，实现了望远镜不同观测模式下的空间碎片检测，特别适用空间碎片跟踪不稳定情形(空间碎片星象在图像上大幅来回蹿动)。本发明能够根据给定的检测门限，灵活地采用多帧CCD图像，对图像上的运动星象进行检测，降低亮恒星等因素产生的检测虚警，提高暗弱的空间碎片的检测成功率，是一种的非常好的空间碎片检测方法。

附图说明

[0036] 图1为本发明提出的一种基于惯性空间的空间碎片检测方法的流程示意图。

具体实施方式

[0037] 现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

[0038] 如图1所示的一种基于惯性空间的空间碎片检测方法，包括以下几个工作步骤：图像背景估计；星象扫描及二维平面坐标归算；三维空间向量归算；背景恒星剔除；空间碎片检测。

[0039] 输入多帧帧转移CCD的图像，依次采用上述五个步骤，最后得到了图像中运动目标的检测结果，提供给测量系统中的伺服系统使用，从而实现测量系统对空间碎片的跟踪。以上各步骤更优化和更具体的描述如下：

[0040] 一、图像背景估计

[0041] 对含有空间碎片及背景恒星的图像进行综合分析，建立图像背景估计的数学模型，以用于图像的背景估计。

[0042] 二、星象扫描及其二维平面坐标

[0043] 按照图像背景的估计结果及原始的含有空间碎片及背景恒星的图像，按照给定的阈值，对含有空间碎片及背景恒星的图像进行全帧扫描，给出图像上所有星像的二维平面坐标(x，y)扫描结果。

[0044] 三、三维空间向量归算

[0045] 根据图像上所有星像的二维平面坐标(x，y)扫描结果，通过天文定位的方式，获得所有星像对应的惯性空间的三维向量(赤经α和赤纬δ)。

[0046] 四、背景恒星剔除

[0047] 对于背景恒星的剔除，通过比较相邻帧星象惯性空间的三维向量(赤经α和赤纬δ)，空间碎片无论采用跟踪或者搜索观测模式的情形，满足以下门限的星像为背景恒星：

[0048]

[0049] 其中

[0050]

[0051] 或者

[0052]

[0053]

[0054] 五、空间碎片检测

[0055] 空间碎片的检测过程就是，根据多帧图像恒星星象剔除结果，综合星象的多种判断特征，检测出图像上的所有空间碎片。空间碎片无论采用跟踪或者搜索观测模式的情形，都满足以下条件：

[0056]

[0057] 其中

[0058]

[0059] 或者

[0060]

[0061]

[0062]

[0063]

[0064] 前后两组公式都是基于判断两个向量在给定门限内是否重合，一个用两个向量之间的夹角判断，一个用角度判断。

[0065] 之后，计算机系统根据上述输入数据，给出了图像上的空间碎片的检测结果。检测结果可以提供给测量系统的跟踪系统使用，以实现对图像上空间碎片的跟踪。图像、图像背景估计结果、图像的全帧扫描结果及图像中运动星象的检测结果并可以通过显示系统显示出来，以及存储在计算机系统的存储介质中。

[0066] 现有技术中提出的“CN110345919A基于三维空间向量与二维平面坐标的空间碎片检测方法”，在实际使用过程中，由于它依赖二维平面坐标剔除满足给定条件的恒星星象，导致它不能适用通常望远镜开展空间碎片观测的三种工作模式(恒动、跟踪及静止)。该专利申请需要二维平面坐标的预判断(相邻帧二维平面坐标满足一定门限，用三维空间向量判断)，并且在使用过程中发现了缺陷，不能适用极端复杂情况。而本申请优化了处理流程，剔除二维平面坐标预判断，完全依赖惯性空间的三维向量。

[0067] 本发明的空间碎片检测方法摒弃依赖二维平面坐标剔除恒星星象的流程，只依赖背景恒星和空间碎片星象在惯性三维空间的运动规律不同，剔除背景恒星的星象后，完全不依赖星像在二维平面上的灰度质心坐标，实现了望远镜不同观测模式下的空间碎片检测，特别适用空间碎片跟踪不稳定情形(空间碎片星象在图像上大幅来回蹿动)。它能够根据给定的检测门限，灵活地采用多帧CCD图像，对图像上的运动星象进行检测，降低亮恒星等因素产生的检测虚警，提高暗弱的空间碎片的检测成功率，是一种的非常好的空间碎片检测方法。经过测试，对于信噪比大于3的空间碎片，本发明的检测成功率几乎可以达到100％，对于对于信噪比小于3，而大于2的空间碎片，本发明的检测成功率几乎可以达到
90％以上。该方法的实际处理效果好，能够广泛地应用到科研、及工程领域中。

[0068] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。