Developement and test of an algorithm for detection and post-processing for LUMIO mission

The LUMIO mission, presented as response to the fourth edition of the SysNova competition organized by ESA, proposes to insert a CubeSat in a halo orbit near the L2 Lagrangian Point of the Earth-Moon system. The purpose of this mission is to observe, quantify and characterizes the impacts of meteoroids that collide with the Moon Far-Side. The process is performed through an optical instrument, thanks to which it is possible the detect flashes generated by the impacts. For this reason it is necessary to develop a methodology able to detect and quantify the impacts that are captured by the optical instrument and process the images in order to obtain scientific information about the phenomenon. The methodology developed for this work is divided into an algorithm able to find the flashes within the acquired image and to produce as output data about the intensity and position, and by an algorithm that acquires these information previously produced, returning physical data about the impact; those are developed according to the most recent model concerning the LUMIO optical camera, called LUMIO-Cam. To guarantee the consistency of the detection with the environment captured by the optical camera e to improve the reliability of the information produced, some check have been inserted inside the algorithm used to detect the flash; the number of check is however limited due to the constraints about the execution time (less than 66 ms). A further restriction imposed by LUMIO team concerns the amount of information to save; for this reason data referred to impact detected consecutively are merged, if they are classified as consistent, improving the post-processing analysis. This, putting together data coming from the detection together with the ones from the telemetry, evaluates the temperature, the area of the impact and the magnitude of the flash. The development, validation and simulation of the performances of the methodology are conducted through MATLAB, using synthetic images generated through POV-Ray that faithfully reproduce the images that will be acquired by LUMIO. The simulation environment uses models of asteroids and impacts of those with other celestial bodies, so that it is coherent with the one LUMIO will be subjected to during its operational life. The success rate for the only part of the detection found during the validation phase is just below the 98%, which can be considered as a positive result, since many non-detection are due to non-feasible flash intensity. Furthermore the execution time in within the constraints imposed bu LUMIO-Cam. Regarding the result produced by the simulation, the correct detection is close to 100% an the information produces are coherent with the data used as input, meeting the expectations.

La missione LUMIO, presentata come risposta alla quarta edizione della competizione SysNova organizzata dall’ESA, propone di inserire un CubeSat in un’orbita halo in prossimità del Punto Lagrangiano L2 del sistema Terra-Luna. Il fine di questa missione è di osservare, quantificare e caratterizzare gli impatti di meteoroidi che colpiscono il lato nascosto della Luna. Il processo è eseguito attraverso uno strumento ottico, grazie al quale è possibile il rilevamento di bagliori luminosi generati dagli impatti. Per questo motivo si rende necessario lo sviluppo di una metodologia capace di rilevare e quantificare gli impatti che vengono catturati dallo strumento ottico e processare le immagini al fine di ottenere informazioni scientifiche sul fenomeno La metodologia sviluppata per questo lavoro è suddivisa in un algoritmo capace di trovare il bagliore luminoso all’interno dell’immagine acquisita e di produrre dati riguardo l’intensità e la posizione e in un algoritmo che acquisisce le informazioni prodotte precedentemente, restituendo i dati fisici relativi all’impatto; questi sono sviluppati in accordo con il più recente modello riguardante la camera ottica di LUMIO, chiamata LUMIO-Cam. Per garantire la consistenza della rilevazione con l’ambiente catturato dalla camera ottica e per aumentare l’affidabilità delle informazioni prodotte, sono stati inseriti dei controlli all’interno dell’algoritmo per rilevare il bagliore luminoso; il numero di controlli è però limitato in quanto vi sono vincoli riguardo il tempo di esecuzione (inferiore a 66 ms). Un’ulteriore restrizione imposta dal team di LUMIO riguarda la quantità di informazioni da salvare; per questa ragione i dati riferiti a impatti rilevati consecutivamente sono uniti, se classificati come consistenti, migliorando così l’analisi durante la post produzione. Quest’ultima unendo i dati dalla rilevazione con quelli della telemetria valuta la temperatura, l'area dell'impatto e la magnitudine del bagliore luminoso. Lo sviluppo, la validazione e la simulazione delle prestazioni della metodologia sono eseguiti attraverso MATLAB, utilizzando immagini sintetiche generate attraverso POV-Ray che riproducono fedelmente le immagini che saranno acquisite da LUMIO. L’ambiente di simulazione comprende modelli riguardanti gli asteroidi e gli impatti di essi con altri corpi celesti, in modo da essere coerente con quello a cui sarà sottoposto LUMIO durante la sua vita operativa. Il tasso di successo riscontrato durante la fase di validazione per la sola parte di rilevamento si attesta poco al di sotto del 98%, il quale si può considerare un risultato positivo, in quanto molte non rilevazioni sono riconducibili a intensità di bagliori non fisiche. Inoltre il tempo di esecuzione è all'interno dei limiti imposti da LUMIO-Cam. Per quanto riguarda il risultato prodotto della simulazione, la corretta rilevazione si avvicina al 100% e le informazioni prodotte sono coerenti con i dati inseriti, rispecchiando le aspettative.