技术领域本发明涉及视觉测量技术，尤其涉及单目视觉和双目视觉相结合的三目视觉敏感器及其测量方法。
背景技术：
由于人类太空活动复杂性不断提高，不同自主程度的交会对接与飞抓技术已经广泛应用于航天器在轨维修、太空平台载荷升级等领域，并且逐渐成为太空军事系统后勤保障和太空虏星计划中的重要组成部分。交会对接与飞抓技术是将目标当前的方位、姿态等信息传送给卫星，并结合卫星自身的状态信息，合理安排交会对接和飞抓策略，并将事件执行指令传递给相应的子系统。敏感器作为交会对接与飞抓技术的核心部分，承担目标方位、姿态等信息的测量与跟踪。视频光学敏感器由于具有测量精度高、小型化、低成本等特点，在近距离交会与对接中具有一定的优势。现有技术中，采用近场双目视觉和远场双目视觉相结合的方式实现大测量范围内非合作目标方位、姿态等信息的测量与跟踪，对于大卫星平台而言，这种方式是适合的，但对于微纳卫星平台而言，这种方式不满足微纳卫星对载荷体积、质量的要求。若为减轻质量，仅采用双目视觉则会带来测量范围有限的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于微纳卫星的三目视觉敏感器及其测量方法，测量范围大、质量轻、体积小。为解决上述问题，本发明提供一种用于微纳卫星的三目视觉敏感器，包括两个远场镜头和一个近场镜头，对每个镜头均设置一个成像单元，三个镜头共享一个数据处理单元；所述两个远场镜头分别位于所述近场镜头的两侧，所述两个远场镜头采用相同镜头；所述两个远场镜头作为双目视觉的镜头，所述近场镜头作为单目视觉的镜头。上述用于微纳卫星的三目视觉敏感器，其中，所述远场镜头包括第一主镜筒，第一镜片、第一隔圈、第二镜片、第二隔圈、第三镜片、第三隔圈、第一光阑片和第四镜片依次设置在所述第一主镜筒内，所述第一主镜筒第一镜片的一端套设有压圈；所述压圈前端安装遮光罩。上述用于微纳卫星的三目视觉敏感器，其中，所述第一主镜筒、第一隔圈、第二隔圈和第三隔圈上均开有漏气槽；所述第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片的全部非成像面均涂黑漆，所述远场镜头的金属零件均经过发黑处理。上述用于微纳卫星的三目视觉敏感器，其中，所述近场镜头包括第二主镜筒，第五镜片、第四隔圈、第六镜片、第五隔圈、第七镜片、第二光阑片、第八镜片、第六隔圈、第九镜片依次设置在所述第二主镜筒内，所述第二主镜筒第五镜片的一端套设有前压圈，所述第二主镜筒第九镜片的一端套设有后压圈；所述前压圈前端安装遮光罩。上述用于微纳卫星的三目视觉敏感器，其中，所述第一主镜筒、第一隔圈、第二隔圈和第三隔圈上均开有漏气槽；第五镜片、第六镜片、第七镜片、第八镜片和第九镜片的全部非成像面均涂黑漆，所述近场镜头的金属零件均经过发黑处理。本发明提供的另一技术方案是三目视觉敏感器非合作目标测量方法，采用上述三目视觉敏感器，在远距离采用小视场远场双目视觉测量方式，当距离接近到目标无法同时进入双目视觉视场时，切换为大视场近场单目视觉测量方式；在大视场近场单目视觉测量方式中，单目视觉依据双目视觉获得的目标尺寸获取目标的相对位置。上述三目视觉敏感器非合作目标测量方法，其中，小视场远场双目视觉测量方式又包括两种情形，当目标在双目视觉视场内为点目标时，利用双目视觉测量目标的高低角和方位角，当目标在双目视觉视场内为非点目标时，利用双目视觉测量目标的相对位置和姿态。上述三目视觉敏感器非合作目标测量方法，其中，当目标在双目视觉视场内为非质点，利用双目视觉测量目标的相对位置和姿态，具体包括如下步骤：步骤S1：对图像进行预处理、边缘检测和边缘后处理；步骤S2：根据图像中提取的椭圆进行三维空间中目标上的圆的三维重建，估计空间圆的几何参数，并由此获得目标的相对位置；步骤S3：根据图像中提取的二维目标轮廓进行三维空间中目标轮廓的三维重建，并由此估计目标的相对姿态。上述三目视觉敏感器非合作目标测量方法，其中，所述步骤S1中，所述预处理包括图像对数变换和镜头畸变纠正；采用标准的canny边缘检测算子进行边缘检测；所述边缘后处理具体为：首先，去除交叉点以及弯曲比较大的点，从而将影像上的边缘分割成不同的边缘段；接着利用边缘跟踪算法，将跟踪得到的短的边缘去掉；然后利用直线段和圆拟合的方式，将误差比较大的直线段剔除；在利用直线段合并等方式，保留最有可能为直线段和椭圆的边缘，其他的边缘则直接剔除掉。上述三目视觉敏感器非合作目标测量方法，其中，所述步骤S2中，空间圆的三维重建具体包括：椭圆粗提取：利用经过步骤S1处理后剩下的边缘进行椭圆的拟合，剔除掉长短半轴之比充分接近一定比例的椭圆，并保留椭圆具有有效边缘点的部分占整个椭圆周长的一定比例以上的椭圆，然后取长短半轴平均值最大者作为计算所需要的椭圆；椭圆迭代精化提取：为了提高位置解算精度和稳定性，在椭圆粗提取的基础上进行迭代精化提取，具体如下：步骤S2.1：假设初始椭圆方程为，其中，a、b、c、d、e、f为椭圆参数，x、y分别为椭圆的x轴和y轴方向坐标；步骤S2.2：由椭圆方程进行离散化，得到若干离散的椭圆边界点，n为离散点个数；步骤S2.3：在椭圆中心O与的直线方向上，在前后一定范围内，按照一定步长，搜索局部梯度最大点，得到一圈新的椭圆边界点；步骤S2.4：排除新的边界点中局部梯度和大于三倍中误差的点，然后拟合新的椭圆；步骤S2.5：重复以上步骤，直到前后两次椭圆中心和长短半径小于一定阈值后结束迭代，最后得到的椭圆圆心位置则可以代表目标的相对位置。上述三目视觉敏感器非合作目标测量方法，其中，所述步骤S3中，目标轮廓三维重建的步骤如下：步骤S3.1：对于目标轮廓的角点按照顺时针方向排序，并以右下角的点作为起点，则左右影像上相同编号的轮廓角点即为同名点，通过前方交会可以得到四个轮廓角点的三维坐标，假定分别为；步骤S3.2：计算以上四个轮廓角点的重心，假定为；步骤S3.3：计算矩阵；步骤S3.4：对N进行奇异值分解，分解得到的最小的奇异值所对应的特征向量就是目标轮廓的法向量，假定为，其中；步骤S3.5：估计垂直于法向量的、与目标轮廓尽可能平行的两个单位向量和，和的方向选择必须保证与构成右手系，这两个单位向量与构成目标本体坐标系的三个轴向，确定了目标的姿态；假定目标的姿态用如下的矩阵表示：，若用三个角度来表示目标的姿态，即为；步骤S3.6：根据四个轮廓角点可以进一步地估计四个轮廓角点构成的四边形各边的半边长，该四边形为目标轮廓；步骤S3.7：估计出目标轮廓的所有参数，并对四个轮廓角点表示为：，其中，，，，为目标轮廓边长的一半；步骤S3.8：将以上的方程代入共线方程，得到如下的误差方程；步骤S3.9：分析以上的误差方程，该误差方程的位置量为、、、、、和，将该误差方程记为，对其进行线性化，即按照泰勒级数展开，得到；步骤S3.10：对四个轮廓角点，考虑左右影像，列出上述线性化的误差方程，得到如下矩阵形式的误差方程；步骤S3.11：采用最小二乘原则，求解上述矩阵形式的误差方程得到；步骤S3.12：由此修正目标轮廓的参数，如果发现修正量已经很小，那么就已经得到了目标轮廓参数的最优估计值，否则需要返回步骤S3.5进行下一次的迭代计算；根据以上提取的四边形轮廓，利用其提供的两个正交的方向进行局部坐标系的建立，这样就可以通过局部坐标系的坐标轴的方向分解出目标的三个姿态角。与现有技术相比，本发明的技术效果是：本发明采用三目视觉敏感器实现了大范围内非合作目标的测量和跟踪，克服传统采用近场双目视觉和远场双目视觉相结合而引起的重量、体积和功耗均较大的缺点，又克服了单独双目视觉测量范围有限的问题，实现了轻小型化设计，可以满足微纳卫星平台的轻小型化的需求。附图说明图1是本发明的用于微纳卫星的三目视觉敏感器的示意图。图2是本发明较佳实施例的远场镜头的结构示意图。图3是本发明较佳实施例的近场镜头的结构示意图。图4是本发明较佳实施例的非合作目标轮廓示意图。图5是本发明较佳实施例的双目视觉目标相对位姿测量方法的流程图。具体实施方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的用于微纳卫星的三目视觉敏感器包括光学单元、成像单元和数据处理单元，所述光学单元包括两个远场镜头1和一个近场镜头2，所述两个远场镜头作为双目视觉的镜头，所述近场镜头作为单目视觉的镜头，对每个镜头均设置一个成像单元，三个镜头共享一个数据处理单元。成像单元用于控制对应的镜头曝光成像，并将图像数据传输给数据处理单元，由数据处理单元对图像数据进行处理从而获得非合作目标（以下目标均指非合作目标）方位、姿态等信息。较佳地，所述两个远场镜头分别位于所述近场镜头的两侧，如图1所示，将两个远场镜头设置在近场镜头的两侧，既能保证两个远场镜头间隔一定距离（两个远场镜头之间距离越远，成像质量越好），又能有效节省三个镜头占用的空间，有利于三目视觉敏感器的小型化。较佳地，三个镜头对应的成像单元均采用相同的成像单元。本发明的用于微纳卫星的三目视觉敏感器采用单目视觉和双目视觉相结合的工作方式，在远距离（微纳卫星与目标之间的距离）采用小视场远场双目视觉测量方式，当距离接近到目标无法同时进入双目视觉视场时，切换为大视场近场单目视觉测量方式，从而可以保证大范围内的相对测量。其中，小视场远场双目视觉测量方式又包括两种情形，当目标在双目视觉视场内为点目标时，利用双目视觉测量目标的高低角和方位角，当目标在双目视觉视场内为非点目标（可看清目标外形轮廓）时，利用双目视觉测量目标的相对位置和姿态。在大视场近场单目视觉测量方式中，单目视觉依据双目视觉获得的目标尺寸获取目标的相对位置。现以一较佳实施例详细说明本发明的用于微纳卫星的三目视觉敏感器及其测量方法。本实施例中，两个远场镜头采用相同的镜头，图2所示为本实施例的远场镜头的结构示意图。所述远场镜头包括第一主镜筒100，第一镜片101、第一隔圈102、第二镜片103、第二隔圈104、第三镜片105、第三隔圈106、第一光阑片107和第四镜片108依次设置在所述第一主镜筒100内，所述第一主镜筒100第一镜片的一端套设有压圈109；所述压圈109前端（光学单元物方为前，像方为后）设有外螺纹，用于安装遮光罩；所述第一主镜筒100后端设有第一法兰盘，在第一法兰盘法兰面上φ16mm的圆上开有三个φ1.8的第一通孔，可以通过螺钉方便地固定到相机机身上，第一法兰盘圆柱外圆φ9为镜头与机身连接的定位孔。所述压圈109与所述第一主镜筒100采用螺纹固定，为了减小体积，所述压圈109设置在所述第一主镜筒100的外部。为了适应真空环境下的气压平衡，镜头设计有漏气结构，所述第一主镜筒100、第一隔圈102、第二隔圈104、第三隔圈106上均开有漏气槽。本实施例中，所述远场镜头的参数为：焦距15.28mm，视场角30°，F数10，畸变约0.1%，镜头的体积为φ19.4mm*14.7mm，采用钛合金作为镜头材料，总重量不超过10g，法兰面到像面的距离为7.5mm。为了尽量减少远场镜头的杂散光，远场镜头镜片的全部非成像面涂黑漆，镜头前面设有遮光罩，内侧加工消光螺纹，同时全部金属零件发黑处理，在合理的公差要求情况下均能满足成像要求，不需要特殊的加工和装调措施，在-40℃到60℃的温度范围内都保持良好的性能，受温度影响不大。图3所示为本实施例的近场镜头的结构示意图。所述近场镜头包括第二主镜筒200，第五镜片201、第四隔圈202、第六镜片203、第五隔圈204、第七镜片205、第二光阑片206、第八镜片207、第六隔圈208、第九镜片209依次设置在所述第二主镜筒200内，所述第二主镜筒200第五镜片的一端套设有前压圈210，所述第二主镜筒200第九镜片的一端套设有后压圈211。所述前压圈210前端设有外螺纹，用于安装遮光罩。为了减小体积，所述后压圈211亦用作法兰盘，在法兰面212上φ18的圆上开有三个φ1.8的第二通孔213，可以通过螺钉方便地固定到相机机身上，法兰盘圆柱外圆214φ14.5为镜头与机身连接的定位孔。所述前压圈210与所述第二主镜筒200以及所述后压圈211与所述第二主镜筒200均采用螺纹固定，为了减小体积，两个压圈均设置在第二主镜筒的外部。为了适应真空环境下的气压平衡，镜头设计有漏气结构，第二主镜筒200、第四隔圈202、第五隔圈204、第六隔圈208上均开有漏气槽。本实施例中，所述近场镜头的参数为：焦距6.815mm，视场角62°，F数10，畸变约0.5%，镜头的体积为φ21.4mm*8.8mm，采用钛合金作为镜头材料，总重量不超过15g，法兰面到像面的距离为5.0mm，最后金属面到像面3.0mm。为了尽量减少近场镜头的杂散光，近场镜头镜片的全部非成像面涂黑漆，镜头前面设有遮光罩，内侧加工消光螺纹，同时全部金属零件发黑处理，在合理的公差要求情况下均能满足成像要求，不需要特殊的加工和装调措施，在-40℃到60℃的温度范围内都保持良好的性能，受温度影响不大。本实施例中，三目视觉敏感器覆盖0.2m到35m的测量范围：在0.2m到5m范围内采用大视场单目视觉的测量方式测量目标的相对位置和姿态；在5m到35m范围内采用小视场双目视觉的测量方式，其中在5m到10m范围内利用双目视觉测量目标的相对位置和姿态，在10m到35m范围内利用双目视觉测量目标的高低角和方位角。在0.2m到5m范围内，单目视觉测量方式获取目标相对位置需依靠双目视觉测量方式获得的目标尺寸，测量中涉及的算法均可采用现有技术，本实施例对此不展开详细说明。在10m到35m范围内，目标在双目视觉视场内为质点，利用双目视觉测量目标的高低角和方位角，测量中涉及的算法均可采用现有技术，本实施例对此不展开详细说明。在5m到10m范围内，目标在双目视觉视场内不能视作点目标，即为非点目标，利用双目视觉测量目标的相对位置和姿态。本实施例以目标轮廓主要包括四边形、圆形为例，如图4所示，介绍一种双目视觉目标相对位姿测量方法，如图5所示，该方法包括以下步骤：步骤S1：对图像进行预处理、边缘检测和边缘后处理；较佳地，所述预处理包括图像对数变换和镜头畸变纠正，其中，镜头畸变纠正主要目的是方便后面的位置和姿态解算，而图像对数变换则是为了图像增强，方便稍后的图像边缘检测，使图像的边缘尽可能地得到检测，保证有用的边缘特征能够在后面的处理中得到充分的利用；较佳地，采用标准的canny边缘检测算子进行边缘检测；由于边缘检测得到的边缘很多，并且比较杂乱，干扰甚多，为了后面能够更方便地进行直线段、椭圆以及轮廓特征的提取，需要将杂乱的、不必要的边缘进行剔除，即进行边缘后处理，较佳地，边缘后处理具体为：首先，去除交叉点以及弯曲比较大的点，从而将影像上的边缘分割成不同的边缘段；接着利用边缘跟踪算法，将跟踪得到的短的边缘去掉；然后利用直线段和圆拟合的方式，将误差比较大的直线段剔除；在利用直线段合并等方式，保留最有可能为直线段和椭圆的边缘，其他的边缘则直接剔除掉；上述预处理、边缘检测和边缘后处理过程中用到的算法均可采用现有技术；步骤S2：根据图像中提取的椭圆进行三维空间中目标上的圆的三维重建，估计空间圆的几何参数，并由此获得目标的相对位置；较佳地，空间圆的三维重建具体包括：椭圆粗提取：利用经过步骤S1处理后剩下的边缘进行椭圆的拟合，剔除掉长短半轴之比充分接近一定比例（该比例值通常由经验确定，例如1.0）的椭圆，并保留椭圆具有有效边缘点的部分占整个椭圆周长的一定比例（该比例值通常由经验确定，例如40%）以上的椭圆，然后取长短半轴平均值最大者作为计算所需要的椭圆；椭圆迭代精化提取：为了提高位置解算精度和稳定性，在椭圆粗提取的基础上进行迭代精化提取，具体如下：步骤S2.1：假设初始椭圆方程为，其中，a、b、c、d、e、f为椭圆参数，x、y分别为椭圆的x轴和y轴方向坐标；步骤S2.2：由椭圆方程进行离散化，得到若干离散的椭圆边界点，n为离散点个数；步骤S2.3：在椭圆中心O与的直线方向上，在前后一定范围内，按照一定步长，搜索局部梯度最大点，得到一圈新的椭圆边界点；所述一定范围要权衡计算精度和实时性（计算量）确定，范围越大，精度越高，但计算量越大，实时性更差。当范围达到某个范围后，精度提高并不是很明显，但计算量明显增加。步骤S2.4：排除新的边界点中局部梯度和大于三倍中误差的点，然后拟合新的椭圆；步骤S2.5：重复以上步骤，直到前后两次椭圆中心和长短半径小于一定阈值后结束迭代，最后得到的椭圆圆心位置（相对微纳卫星的位置）则可以代表目标的相对位置；步骤S3：根据图像中提取的二维目标轮廓进行三维空间中目标轮廓的三维重建，并由此估计目标的相对姿态；较佳地，目标轮廓三维重建的步骤如下：步骤S3.1：对于目标轮廓的角点按照顺时针方向排序，并以右下角的点作为起点，则左右影像上（指两个远场镜头获得的影像）相同编号的轮廓角点即为同名点，通过前方交会可以得到四个轮廓角点的三维坐标，假定分别为，Xi、Yi和Zi为第i个轮廓角点在相机坐标系中的三维坐标；步骤S3.2：计算以上四个轮廓角点的重心，假定为，、和为轮廓角点重心在目标坐标系中的三维坐标；步骤S3.3：计算矩阵；步骤S3.4：对N进行奇异值分解，分解得到的最小的奇异值所对应的特征向量就是目标轮廓的法向量，假定为，其中；步骤S3.5：估计垂直于法向量的、与目标轮廓尽可能平行的两个单位向量和（和的方向选择必须保证与构成右手系），这两个单位向量与构成目标本体坐标系的三个轴向，从而也确定了目标的姿态；假定目标的姿态可以用如下的矩阵表示：，也可以用三个角度来表示目标的姿态，即，、和为三个姿态角度；步骤S3.6：根据四个轮廓角点可以进一步地估计四个轮廓角点构成的四边形各边的半边长（即边长的一半），该四边形为目标轮廓，本实施例中目标轮廓为正方形；步骤S3.7：进一步地估计出目标轮廓的所有参数，并对四个轮廓角点表示为：，其中、、和为目标的四个轮廓角点在目标坐标系中的坐标，，，，，为目标轮廓边长的一半，为相机坐标系相对于目标坐标系的位置坐标，即相对位置；步骤S3.8：将以上的方程代入共线方程，得到如下的误差方程，其中Xs、Ys和Zs为摄影中心坐标,a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2和c3为旋转矩阵中9个方向余弦,xi和yi为内方位元素,f为未知参数,vx和vy为像点的像平面坐标；步骤S3.9：分析以上的误差方程，可以看出，以上误差方程的位置量为、、、、、和，为此，可以将以上的误差方程记为，对其进行线性化，即按照泰勒级数展开，得到；步骤S3.10：对四个轮廓角点，考虑左右影像，列出以上线性化的误差方程（共8个），可以得到如下矩阵形式的误差方程；步骤S3.11：采用最小二乘原则，求解以上的方程可以得到；步骤S3.12：由此可以修正目标轮廓的参数，如果发现修正量已经很小，那么就已经得到了目标轮廓参数的最优估计值，否则需要返回步骤S3.5进行下一次的迭代计算；根据以上提取的四边形轮廓，利用其提供的两个正交的方向进行局部坐标系的建立，这样就可以通过局部坐标系的坐标轴的方向分解出目标的三个姿态角。