星敏感器星点定位系统误差补偿

通过星点定位系统误差频域分析,寻找不同的点扩展函数下星点定位系统误差分布理论表达式形式上的共性。根据光学系统不同视场(FOV)的点扩展函数数据,运用蒙特卡罗法对星点定位系统误差分布进行了仿真,仿真结果与与频域分析结果相符。在实验中测量了弥散斑尺寸为5 pixel×5 pixel的星点目标的星点定位系统误差,采用误差补偿方程组对星点定位系统误差进行了补偿。补偿后中心视场星点定位精度提高了66.56%,边缘视场星点定位精度提高了57.21%,而传统正弦曲线拟合补偿方法仅使定位精度提高35.7%,提出的误差补偿方法效果总体上优于传统正弦拟合补偿方法。     

一种静态星模拟器的设计与星点位置修正方法

为了实现对高精度星敏感器的地面标定,设计了一种大视场静态星模拟器,其星间角距精度要求优于20(″).采用星点分划板作为核心显示器件来模拟星图,通过设计大视场小畸变光学系统使模拟星图成平行光出射,在星敏感器入瞳位置产生星图.为保证星点板的星图模拟精度,提出了一种星点位置的修正方法.实验结果表明,经过星点位置修正后的静态星...     

视场网状分区域建模的星敏感器标定方法

星敏感器标定是基于更高精度的测量基准对光学系统内方位元素进行建模与最优化解算的过程。针对大视场星敏感器光学系统误差分布非理想轴对称的实际情况,提出了一种采用视场网状分区域建模的内方位元素最优化解算方法。首先,在补偿了星敏感器与标定系统初始对准误差后,基于针孔模型计算主点和焦距;然后,在视场分区域建模思想的指导下,采用多项式拟合结合双线性插值的方法修正畸变;最后,提出了基于测角误差的标定精度评价准则。经实验室标定与外场观星验证,x轴与y轴标定残差较全局建模法分别降低了35%和20%,证明了该方法的有效性。     

点扩散函数对星点提取误差分析的影响

星点提取系统误差又称作像元频率误差,它的分布呈现以像元为周期的规律性,分析它的分布规律对补偿这种误差有指导作用。光学系统点扩散函数类型是影响星点提取系统误差分布的主要因素,选取合理的点扩散函数模型对星点提取系统误差进行频域分析,可以减小分析结果与实际的偏离,提高误差补偿效果。传统方法采用Gauss分布点扩散函数模型进行频域分析,但没有考察它的合理性。文中结合星敏感器拍摄的星点像,将一种Giancarlo点扩散函数模型与Gauss点扩散函数模型进行了比较。并在星点提取系统误差频域分析中采用Giancarlo点扩散函数模型,推得星点坐标提取误差理论解析式。与传统频域分析结果相比,文中频域分析结果中引入了对S曲线振幅起调制作用的项,使得星点横坐标系统误差沿x轴呈现S曲线分布的同时,其振幅沿y轴方向发生改变。随后在噪声条件下对星点提取系统误差进行了仿真,仿真结果与频域分析结果相符。最后进行了实验验证,根据理论解析式对结果进行了误差补偿,星点提取精度提高了54.42%,优于传统正弦拟合补偿方法。     

一种甚高精度星敏感器精度测试方法

根据星敏感器的误差来源和组成,提出了对甚高精度星敏感器的瞬时误差(TE)、高频误差(HSFE)、低频误差(LSFE)三项误差的测试方法。针对星敏感器TE的测试,利用统计高精度静态光星模和基于高精度单星模拟器的星点质心定位误差的方法,得到星敏感器TE的误差;针对星敏感器HSFE的测试,利用高精度转台和单星模拟器,以微步距采集星点弥散斑在不同成像位置时的能量变化,计算星敏感器高频误差;针对星敏感器LSFE误差的测试,利用双轴转台,并且分别旋转转台的两轴,计算星敏感器星像坐标在像面上的变化来获得LSFE的误差。最后文中以某甚高精度星敏感器为例进行试验,结果表明测试方法有效。     

基于星像位置误差估计星敏感器姿态角偏差的方法

利用传统的反正切法估算星敏感器测量姿态角偏差时,存在因计算量大干扰算法实时性等问题。针对上述问题,文中提出了根据星像位置误差直接估算星敏感器姿态角偏差的方法。通过分析星敏感器姿态测量原理,推导出星敏感器姿态角变化量对星像位置影响的数学关系式,进而在小视场条件下,得到星像位置误差与星敏感器姿态角测量偏差的公式。该公式计算过程简单,避免了大量的反正切计算。仿真结果表明,在相同的仿真实验条件下,该方法的计算时间比传统方法缩短了近四分之一,且该方法的计算精度也优于传统的反正切法。理论推导和仿真实验说明该方法具有计算量小、实时性好且精度较高的优点,具有一定的工程应用价值。     

大视场高精度静态星模拟器的光学系统设计

针对星敏感器系统的地面测试要求,设计一种大视场高精度静态星模拟器。根据静态星模拟器的工作原理,确定模拟器具有出瞳外置的准直光学系统。结合技术指标,在Zemax平台上优化设计了具有良好成像质量的光学系统,设计结果为:系统焦距99.988 mm,视场达到Φ39°,畸变小于0.1%,实现高精度静态星模拟器精确模拟星点。提出了依照光学系统像差确定星点板上各星点刻划位置的方法,避免多次刻划星点板的过程。对设计的系统进行测试,从测试结果看:设计的大视场星模拟器的成像精度达到15″,可以满足对星敏感器地面标定的使用需要。     

高精度星敏感器测试设备的设计

针对现有动态星模拟器在高精度星敏感器测试中无法满足星点位置和照度均匀性的高精度模拟等实际问题,设计了一种高精度动态星模拟器。分析了星模拟器光学系统与调整机构的任务需求。为保证星点的投射精度,提出了LCOS 的光学拼接方法,优化设计了大视场、大相对孔径的准直光学系统并进行了像质评价;为满足显示器件照明条件和星点照度均匀性的要求,对照明光学系统进行了仿真设计并给出了照度分布;为减小对接误差提高对模拟器的测试精度,确定了高分辨力五维调整架的机械结构,应用CATIA 软件对调整机构的设计进行了三维建模,理论计算结果显示调整机构位移分辨力为18 nm,角度分辨力为0.05。通过实际检测,微调整机构稳定性好,出射星点照度不均匀性优于10%,模拟星点的单星位置误差小于7,星间角距误差优于12,满足当前对高精度星敏感器测试的技术指标要求。     

高精度LCOS动态星模拟器的光学系统设计

针对高精度星敏感器对其功能测试设备精确模拟星点位置和星等的实际要求,设计了一种硅基液晶(LCOS)型高精度动态星模拟器的光学系统。分析星模拟器准直与照明光学系统的任务需求并给出了设计方案。为提高模拟器的成像精度,提出了LCOS的光学拼接方法,详细设计了大视场、大相对孔径、大出瞳距离的准直光学系统并进行了像质评价;为同时满足显示器件的照明条件和-1~7等星的准确模拟,对照明光学系统进行了详细设计并给出了仿真结果。提出了一种动态星模拟器星点位置修正方法,通过实验测试,动态星模拟器的星间角距误差优于12″,精确模拟-1~7等星,满足当前对高精度星敏感器的检测需要。     

基于光斑高斯拟合的大视场星相机定焦方法

针对高精度立体测绘任务对星相机的使用要求,提出了一种基于光斑高斯拟合的星相机焦面定焦方法。首先,搭建了基于星点靶标和平行光管的定焦系统,通过移动靶标在中心和边缘视场获取多幅不同程度的离焦图像;其次,采用基于平方加权的质心定位算法计算各视场靶标点像的精确位置用于像面拟合;然后,采用Gibbs采样/马尔可夫蒙特卡洛法对每个光斑进行高斯曲面拟合,获取星点的高斯半径,通过对各视场的最佳焦面位置进行最小二乘拟合,得到最佳像面。对上述定焦方法进行了试验验证,结果表明星相机在各视场的能量集中度测量值与设计值符合,星相机在轨拍摄的星点图像满足要求。     

精细导星仪星点定位系统误差的高精度补偿方法

针对精细导星仪（Fine Guidance Sensor,FGS）姿态测量精度受星点提取系统误差影响的问题,提出了一种基于梯度提升决策树（Gradient Boosting Decision Tree,GBDT）拟合法的高精度星点定位系统误差补偿方法。为了解决拟合样本少、输入特征差别大等问题,采用对输入范围不敏感、易于训练的决策树作为基模型,并根据当前模型拟合残差梯度,结合集成学习中的提升方法生成新的基模型得到系统误差与探测器填充率、采样窗口尺寸、星斑束腰半径以及星点质心坐标计算值之间的函数关系,以此函数关系为基础对星点质心坐标估计值进行系统误差校正。实验结果表明:与支持向量回归机（Support Vector Regression,SVR）相比,基于GBDT的高精度星点定位算法的误差减小了60.6%,经该算法补偿后的质心误差为0.014 5 pixel,相比于质心法误差减小了61.5%。     

像素位置偏差对质心定位精度的影响

为提高微型星敏感器的质心定位精度,提出了一种利用外差式激光干涉装置标定图像传感器像素位置偏差的方法,并就像素位置偏差对星点像质心定位精度的影响进行了仿真研究。在噪声忽略不计的情况下,当像素位置偏差服从（-0.02,0.02）上的均匀分布时,补偿系统误差能够使星点定位精度从0.008 pixel提高到0.002 pixel。而如果加入服从N（0,5.52）的高斯白噪声,当像素位置偏差服从（-0.02,0.02）上的均匀分布时,补偿像素位置偏差能使定位精度从0.020 pixel提高到0.018 pixel;当像素位置偏差服从（-0.04,0.04）上的均匀分布时,补偿像素位置偏差能使定位精度从0.026 pixel提高到0.018 pixel,提高了31%。这说明标定像素位置偏差对提升质心定位精度有显著作用,为发展高精度微型星敏感器提供了一种新的技术手段。     

脉冲飞行时间激光测距系统中周期误差补偿

在以正弦波为测量基准信号的激光脉冲飞行时间测距系统中,由于高频信号之间的串扰或器件非线性等因素的影响,将产生脉冲飞行时间周期误差,导致测距精度降低。为此提出了一种利用测距仪在一定距离条件下的测量数据计算定时误差的方法,通过最小二乘法拟合构造出一条含误差补偿功能曲线,并将该曲线进行离散化处理,将离散化数据存入单片机内,在距离测量时以含误差补偿功能曲线作为测量基准,实现对脉冲飞行时间周期误差的补偿。该方法具有原理简单、数据可靠、操作方便等优点。所研制的激光脉冲测距仪经过误差补偿后,测距误差小于3 mm。     

星点亚像元定位中系统误差的改进补偿方法

为提高星点图像的质心提取精度,针对星点亚像元定位的系统误差和随机误差提出了一种改进补偿方法。采用三次样条插值函数表示质心位置与系统误差之间的关系,利用该函数进行系统误差补偿,极大地减小了误差采样点的数量和计算量。为了进一步抑制随机误差的影响,在系统误差补偿的基础上,采用非线性加权算法计算星点质心位置,并通过仿真实验确定了该算法的最优加权系数。在没有加入噪声的情况下,改进算法可以将质心法的精度从1/50 pixel 提高到10-4 pixel;加入服从N（0,22）分布的高斯白噪声后,改进算法可以达到0.0054pixel的精度,远小于质心法的0.0184pixel。实验结果表明:文中提出的改进补偿算法计算简单,精度高于质心法,满足了高精度星敏感器质心提取的要求。     

工业相机自热引起像点漂移模型与补偿方法

In order to reduce the influence of temperature on the image point coordinates of industrial cameras in visual measurement, the image point drift caused by the self-heating of the camera was studied, and a compensation method for the thermal image point drift of industrial cameras was proposed. The finite element simulation analysis of the industrial camera model through Ansys Workbench shows that the self-heating of the industrial camera will cause the imaging optical path change and sensor expansion change, quantitatively the influence of the optical path change and sensor expansion on the image point coordinates was analyzed, and the image point drift compensation model was established. A large number of experiments have shown that the image point drift error compensated by the model is reduced from 0.4-0.6 pixel to 0.1-0.2 pixel, which is equivalent to the image point drift suppression effect achieved by hardware thermal control. However, compared with the thermal control device, the method of using the model for compensation has obvious advantages of simple structure and low cost. The temperature compensation model proposed in this research provides a theoretical basis for reducing the image point drift error caused by the self-heating of the camera in the visual measurement.     

基于星点法的小视场镜头畸变测量研究

为了研究采用星点法的小视场镜头畸变测量,选择星点像中心判读和星点选择两方面作为切入点.针对星点像中心判读,在对比了传统的质心算法的基础上,采用将最大类间方差算法与重心计算相结合的方法以提高星点定位的准确性.针对星点选择,为保证星点定位的稳定性以及畸变计算的精准度,用实验方法分析了星点大小的不同对于畸变测量中星点像定位稳...     

CCD噪声对星敏感器星点定位精度的影响

星点测量精度是表征星敏感器精度的一个重要指标，影响该精度的主要因素有：光学系统误差、图像传感器的噪声、电路噪声及软件算法等。图像传感器的噪声对星点定位精度的影响是不容忽视的，但很少对此进行研究。针对某给定参数的星敏感器，对TH7890M CCD图像传感器的各项噪声进行了定量计算；基于亚像素细分质心算法，针对各噪声的分布特点及规律，分别推导出各自的均方根误差，综合各项误差得到CCD噪声的星点定位精度模型。计算结果表明TH7890M CCD的主要噪声有读出噪声、光子散粒噪声和光响应不均匀性引起的随机噪声；影响星敏感器星点定位精度的主要噪声是读出噪声和光子散粒噪声；对6等星进行星点位置的估计，CCD噪声达到了1/40像素的精度水平。