星空背景下空间碎片的检测与跟踪技术

发布时间：2020-06-17 07:26

【摘要】：随着人类在太空探索中加快脚步,空间碎片问题也愈发严重。空间碎片对于各类飞行器系统损害巨大,对于空间碎片进行检测跟踪亟待解决。空间碎片在图像中呈弱小目标,其占据像素值少、信噪比低,纹理和形状特征不显著,因而难以检测和跟踪。本课题从实际应用出发,利用图像处理技术并基于采用ARM核的树莓派开发板,设计了一个完整的星空背景弱小目标检测系统。本文从以下几个方向展开:(1)对星空图像背景和噪声进行了分析,研究了星空序列图像的预处理问题。具体改进了热像元噪声的检测和消除算法,对图像背景非均匀性进行了校正,研究了具有高定位精度的质心提取细分定位方法。(2)针对星空图像的背景移动,研究了联合相关算法和基于最大公共子序列算法优劣,引入并改进了基于排队算法的图像配准方法,算法在图像旋转鲁棒性和计算速度有明显优势。改进了配准后的背景差分方法,使之满足低信噪比条件下高检测率和低虚警率的应用需求。在信噪比低至约3.3(2.32SNR5.24)时,检测率能够达到96.5%,虚警率低于4%。(3)提出一种基于主星轮状编码的星图识别算法,并基于该算法研究了星背景抑制目标检测算法。星图识别算法在降低误匹配概率的同时提高算法效率,鲁棒性明显优于传统栅格算法与金字塔算法。算法具有识别时间短,数据库容量小的特点,其识别率优于98%。(4)研究了Kalman滤波和粒子滤波的弱小目标跟踪算法,采用真实星空图像仿真验证了优化后的算法性能,跟踪均方根误差优于1 pixel。基于树莓派硬件平台和OpenCV视觉库设计了星空背景空间碎片检测与跟踪系统,验证了算法实时性要求。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V528;TP391.41
【图文】：

（b）图 1.1a （北极上空）地球同步轨道目标图编目标每月数量分类统计图（NASA 下属美国太空Figure 1.1 a GEO Polar imagesnthly number of objects in earth orbit by object type[大于 1mm 的碎片超过 1 亿件, 直径超过一颗弹件，就连大于垒球（＞10cm）大小的碎片都的尺寸大小定义碎片，直观地讲小碎片约有玻，大碎片则是超过了中等碎片大小。目前太空：

小于 1 大于 3000 次卫星利用的环绕地球轨道上运行着数量非常庞大的各种大小碎片，5%是正在工作的航天器，航天器生。空间碎片对航天器高速撞击带来的灾难性结果远美国好莱坞 2015 年拍摄的电影《地心引力》中就预星，导致碎片撞击航天飞机、宇宙飞船和国际空间难的场景。在现实中，太空垃圾会运行在多种轨道片在地球静止轨道（约 36000km）上的运行速度能近（约 300km-450km）的碎片速度可以达到 7-8km，碎片与航天器碰撞时的相对速度甚至可以高达 1所述的一块大碎片就完全足够摧毁航天器，中等表面穿孔、产生撞击孔洞，进而危及宇航员的生命安 1.2 所示：

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本文编号：2717280