为了实现对失稳、快旋空间非合作目标运动状态的测量, 提出一种基于单目相机序列图像的测量方法。根据目标与探测器的投影几何关系, 推导和证明了测量方法的可行性。根据空间光照环境的特点, 给出一种基于MSER特征的图像处理方法, 用于稳定提取目标在图像中的投影角。根据获得的多帧序列投影角值, 通过设定合理的多项式拟合模型, 计算非合作目标的自旋速率。最后通过在轨图像数据, 进一步验证了方法的有效性和测量精度。实验结果表明: 对于某60°/s的快旋非合作目标, 用1 Hz帧频的单目相机观测150 s, 该方法对目标的测量均值为6007°, 测量标准偏差为0.05°/s, 实现了稳定可靠、高精度的空间非合作目标运动状态测量。

针对激光位姿敏感器获得的原始点云有噪声和直接参与解算消耗星上计算资源过大问题, 给出一种适用于空间非合作目标位姿测量的点云滤波和特征提取算法。应用仿真的方法分别验证了算法滤除空间随机噪声和点云降采样的有效性, 验证了特征点对目标位姿变化和高斯测量噪声的鲁棒性。在非合作目标绕飞、抵近、捕获全物理试验平台上, 以扫描激光位姿敏感器获得的原始点云数据为输入, 验证了算法在实际空间目标位姿测量中的性能。试验结果表明, 该算法实现了原始点云93.1%的降采样, 节省了92.9%的位姿解算时间, 可有效提升星上数据处理的效率和姿态解算的实时性。

基于图像对的立体重建是用于获取人脸三维信息的通用方法, 但根据图像数据和重建算法所得到的三维重建结果存在各种误差, 本文对通用形变模型进行改进并与三维立体重建融合以得到更精确的重建结果。首先使用Max-Margin对象检测算法来获取面部边界框, 其中回归树集合法能直接从像素强度的稀疏子集识别面部特征点。然后通过PCA颜色模型生成形状和颜色的三维面部统计模型, 利用ISOMAP算法将三维网格转换为二维表面并提取纹理信息, 得到面部模型。最后在源网格上进行两步非刚性表面配准的变形过程: 先通过对源网格进行二次采样来选择少量网格点来表示源的全局变化, 并选取径向基函数(RBF)进行非刚性全局变形; 再对源顶点进行Procrustes分析获得非刚性变换, 再通过加权方案来进行k-近邻变换, 得到平滑的局部变形。将单图像重建的面部模型, 立体重建的面部模型和本文的面部变形模型与高质量扫描云图进行对齐比较, 得到面部变形模型的3个RMS值分别为2.795 2, 2.102 8和2.153 4, 相比于其他模型, 面部变形模型更接近高质量扫描云图, 即与原图像一致性更高, 误差更小。面部变形模型的定性和定量分析表明, 立体重建与人脸一般形状信息的组合在几何信息的表达上优于基于通用模型的单个图像重建以及未考虑通用模型的立体重建。

为了通过视觉测量的方法实现小型空间机器人协同位姿的求解, 设计了基于单目视觉的协同位姿测量系统。针对复杂的太空工作条件, 设计了作用范围广、精度高且稳健性强的合作靶标; 设计了利用图像梯度法提取单像素边缘的算法, 并通过中心匹配等约束完成了靶标识别; 推导了特征点距离与位姿测量精度的关系, 在此基础上提出了基于分区处理的特征点提取策略, 实现了复杂条件下特征点的分区提取和准确编号, 并扩展了工作距离, 改善了位姿求解精度。实验结果表明, 针对640 pixel×480 pixel图片, 在Matlab环境下处理速度约为84.3 ms/frame, 在2.2 m距离范围内位姿测量误差在5 mm、1°以内。设计的单目视觉位姿测量系统满足小型空间机器人协同工作的任务需求。

为了实现气浮实验台位姿的实时确定, 提出了一种基于单目视觉的位姿测量方法。首先, 设计了一种具有旋转、平移、缩放不变性且易于探测的圆形合作靶标; 其次, 结合靶标尺寸、形状以及安装位置, 基于Blob分析快速识别合作靶标, 保证了定位点提取的准确性; 然后, 提出一种在待识别区域内进行“行、列”扫描统计的靶标圆心测量算法, 实现靶标圆心的快速、鲁棒提取; 最后, 结合计算机坐标系下的圆心位置以及视觉测量系统中坐标变换关系, 解算气浮实验台的实际位姿。实验结果表明: 该方法测量位姿精度较高, 抗噪能力强, 在处理1 600 pixel×1 600 pixel图片的情况下, 平均测量周期为53.086 ms(约19帧/s), 能够实现对气浮实验台位姿实时、精确、鲁棒的测量。

为了精确地反映相机的几何成像关系, 本文基于简化的Brown模型和改进的BFGS （Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno）算法提出了一种相机自标定方法。该方法首先将线性模型 和畸变模型拟合为非线性模型, 通过线性模型的基本矩阵约束非线性模型参数得到约束方 程; 然后, 提出了适用于非线性内参数约束方程的基于新拟牛顿方程的改进 BFGS 算法并求解了方程内参数。利用提出的模型和算法, 该标定方法能够在较少的迭代次数和有噪声条件下保证标定结果的精度和鲁棒性。有、无噪声情况下的收敛性分析和鲁棒性分析显示: 在噪声不大于±3 pixel 的情况下, 迭代10次即能保证重投影误差小于0.4 pixel。通过标定相机内参数并计算重投影误差进行了真实图像实验, 结果表明: 标定精度误差小于0.06%, 重投影误差为0.35 pixel, 验证了提出方法的有效性。 该方法适用于计算机视觉领域中的图像处理, 模式分类和场景分析等。

考虑空间卫星平台微振动环境对高分辨率空间光学遥感器成像质量的制约, 提出了在地面测试光学遥感器耐受空间微振动环境裕度的六自由度激振平台的设计方案。建立了平台的运动学与动力学模型, 推导出促动器音圈电机的传递函数并建立了Simulink模型。基于设计的模型研制了六自由度平台。对振动平台样机进行了振动加速度控制精度的验证实验, 实验以典型的卫星平台微振动频率点为测试输入。实验结果表明平台振动频率为7~40 Hz时, 其加速度输出相对误差可控制在7%以内。该平台借鉴了Stewart平台的并联构型, 其结构简单、刚度大, 振源输出精确可控, 满足地面试验应用要求。

设计了一种基于Stewart构型的隔振系统用于空间光学载荷的在轨隔振并研究了Stewart构型的特点。首先, 使用牛顿-欧拉公式建立了隔振系统的理论模型, 根据该模型计算得到了隔振系统刚度、阻尼矩阵及各阶固有频率与主模态的数学解析式。然后, 以缩小隔振系统前六阶固有频率的分布范围为目标, 利用寻优方法优化了隔振系统的几何结构参数, 得到了用于六维被动隔振的最佳构型。最后, 分别使用有限元单元法及解析方法对隔振系统进行了模态分析, 得到隔振系统前六阶固有频率, 其理论分析值与有限单元法计算结果的最大误差为1.51%。为了论证所设计的隔振系统的有效性, 对隔振系统及光学载荷的耦合模型进行了复频响应分析, 得到3个平动及3个转动方向的复频响应曲线, 结果表明隔振系统能够将各个方向上高于10 Hz的振动衰减90%以上, 满足隔振要求。

介绍了空间相机成像参数配置的基本组成和作用，讨论了成像参数配置功能缺陷对相机成像质量的影响，应用数学方法分析了成像参数配置功能抽样检验的测试风险。基于自动测试系统，提出了一种空间相机成像参数配置功能全面检验的方法来解决测试覆盖性和测试效率之间的矛盾。应用本文提出的测试系统和检验方法对空间相机成像参数配置功能进行了全面检验。结果表明：本方法实现了成像参数配置功能的100%覆盖检验；每条参数测试判读时间缩短为40 ms；完成相机成像参数全面检验的测试时间大约为50 min。该方法能够有效测试出成像参数配置功能故障，满足了空间相机高效测试、零质量缺陷的要求。

低对比度动态目标捕获能力是衡量光电跟踪设备总体性能的重要内容之一。针对光电跟踪设备低对比度动态目标捕获能力室内检验方法欠缺、低对比度动态目标捕获原理尚不完善等问题，提出了实验室内光电跟踪设备对低对比度动态目标捕获能力的检验。检验采用可调对比度无穷远目标源装置和可调速转台，为被检仪器提供可准确度量对比度的光学基准目标和可准确测量速度的动态环境，根据被检设备对该动态目标的提取情况，验证光电跟踪设备的捕获能力。通过分析目标移动速度、目标大小对目标对比度的影响，评价光电跟踪设备在不同目标对比度和不同速度下的捕获性能。检验结果表明，在背景辐亮度为38 W/(sr·m2)的情况下，当直径为4 mm目标以7.45°/s以上速度从无穷远处进入某光电跟踪设备的视场时，该光电跟踪设备不能进行有效地捕获。检验结果通过光电跟踪设备对给定对比度动态目标的捕获情况来评价其整机捕获能力。