基于星敏感器的星图模拟与去噪技术研究

随着小卫星应用技术的日趋成熟,测量精度高的CCD星敏感器备受青睐,快速而可靠的星图识别算法成为卫星姿态确定系统中最为关键的部分.要进行恒星的识别,就需要从星敏感器获得原始的图像,并从中提取要识别的目标及其特征.由于航天实验费用昂贵,星敏感器的地面调试、软件算法的最初模拟,不可能都进行实时星空拍摄,因此为了调试和评价星图识别算法,有必要利用计算机在地面上模拟生成星敏感器实时拍摄到的星空图片.本文的研究工作主要是星图模拟与星图去噪.首先学习了解CCD星敏感器原理,在此基础上模拟得到原始导航星图,然后模拟得到加了运动噪声的退化星图,最后学习维纳滤波和Matlab算法,利用Matlab算法中的维纳滤波方法对退化图像进行图像去噪复原技术研究,通过星图模拟和图像复原得到的仿真星图可以做成一个星图模拟器为星图识别工作提供仿真基础.     

通过扩展编程模拟星敏感器光学系统成像方法的研究

星图是星敏感器技术研究中不可或缺的重要数据,利用计算机进行星图模拟成为一种获取星图的捷径。提出一种通过扩展编程,模拟星敏感器光学系统成像过程,获取星图的方法,建立星图模拟系统。首先,在分析光学系统成像模拟基本原理的基础上,讨论利用软件接口,通过扩展编程实现模拟成像的必要性。然后,详细介绍成像模拟、增加噪声和伪星、存储和输出星图等步骤的实现方法,以及扩展编程方法的具体运用。最后给出星图模拟系统的设计结果,并针对给定的光学系统,给出实例,验证模拟方法。结果表明模拟方法正确,操作简便,程序设计工作量少,星图模拟系统人机交互性强,功能多样,提供的数据丰富多样,对于促进星敏感器技术研究具有重要意义。     

L2范式距离的星图识别方法

在Hausdorff距离的基础上,提出一种不依赖于星敏感器的旋转方向和焦距等因素的星图识别方法。在构造Hausdorff距离的数据点集合时,采用基于L2范数对应的相对欧氏距离作为集合元素,解决星敏感器滚动对星图识别的影响;另一方面,由于受星敏感器焦距的影响,星敏感器图像与标准参考图也会存在误差。在构造标准数据点元素时,考虑到如果一个数据点集包含另一个数据点集,在这两个数据点集之间至少有两个数据点之间的L2范式距离是相同的。对L2范式Hausdorff距离进行比例化处理,每个集合中的相对空间距离除以本集合中最小的相对空间距离,构成一种新的数据点集。这种方法不需要对星敏感器图像由于焦距不同进行标定,避免了星敏感器焦距对星图识别的影响。给出了距离的计算公式和实现步骤,并给出了实验结果。结果表明:在星敏感器转动、尺度变换等情况下,该算法可以正确得到星图识别结果,从而获得星敏感器的姿态信息。     

红外星图预处理及星点定位精度分析

红外星图是白天观星获取的原始数据,图中含有单点噪声和条纹噪声等多种噪声,严重影响了后续的星点提取和质心定位。针对外场观星获取的红外星图,进行了星图预处理,并分析了星点定位精度。提出了单点噪声的检测与补偿算法和条纹噪声的列均值偏移校正（CMOC）算法,还采用Wiener2 和Top-hat 组合滤波方法对星图进行进一步滤波去噪,最后使用在观测星图中加入理想模拟星点的方法计算了星点定位精度。实验结果表明,预处理算法有效抑制了红外星图中的各种噪声,星点目标峰值信噪比最多由4.7 提高到了31.3,模拟的2 等星的星点定位标准偏差量级为1/30 pixel 水平,满足工程应用的精度要求。     

点结构光动态姿态角测量系统

设计出一个基于机器视觉中点结构光测量原理和以CMOS图像传感器局部感兴趣窗口(ROI)功能为基础的动态姿态角测量系统.介绍了系统测量原理、系统总体设计、以及软硬件算法的设计及实现.该系统硬件平台包括点结构光光源和姿态敏感器,实现了CMOS图像传感器的ROI功能,大大减少了图像数据量,提高了帧频.同时,采用FPGA实现了并行流水的图像预处理.基于序贯四连通域算法和一阶矩计算的实时光斑质心定位,将硬件处理结果实时传输给软件算法进行数据再处理,减少了软硬件平台间交互的数据量,提高了系统测量速度.软件平台实现了系统的标定和测试,并给出了结果.实验结果表明:该测量系统测量范围大,测角速度快,较好地实现了非接触式的动态测量.     

星敏感器的星点定位方法研究

介绍了星敏感器的基本工作原理,分析了星图的特点．并结合星图的特点对星图阈值的确定和内插细分算法进行了研究,从理论和实践两个方面对星点定位算法进行了分析,最后确定了适合星图使用的星点定位方法。并用星敏感器对该定位方法进行了试验检验,取得了较为满意的结果。     

适用于星敏感器的星跟踪算法研究

为了解决全天球识别中星像坐标提取速度慢的问题,提高空间飞行器姿态确定的实时性,提出了一种新的星跟踪算法.该算法根据星敏感器在一次全天球识别后能够获得一定先验信息的特点,利用星敏感器在上一时刻采集的星图中已识别观测星的信息来获取星敏感器下一时刻采集的星图中待识别观测星的信息.仿真结果表明该算法不但提高了星像坐标提取的速度.也由此提高了星敏感器的姿态更新率,从而避免了由于全天球识别导致的误匹配.     

空间目标运动轨迹提取算法研究

在深入分析恒星跟踪和目标跟踪两种模式下星敏感器成像特点的基础上,针对星图中空间目标运动轨迹提取算法进行了研究,提出了基于序列图像多帧累加背景掩模帧生成的目标提取算法.主要思路为多帧累加增强目标与恒星的对比度;设置阈值以凸显目标或恒星;交叉投影法生成掩模帧,确定星点区域;质心法精确求得目标点位置.仿真结果表明,所提出的算法能够有效检测序列星图中的弱小目标,精确提取目标运动轨迹.     

利用仿真星图的星敏感器地面功能测试方法

介绍了一种基于仿真星图的星敏感器地面功能测试方法.该方法对卫星(飞行器)运动轨道和姿态参数及星敏感器的姿态参数进行仿真计算、模拟生成星敏感器在轨状态下的仿真星图.星敏感器以此仿真星图作为测试信号源,通过对仿真星图的处理,实现对星点定位、星图识别、姿态计算等功能的全面测试.为简化电路设计,该方法选用星敏感器现有接口作为通讯接口.为满足功能测试的实时性需求,采取局部更新的手段来减少星图传输数据量.实验表明,该方法能对星敏感器电子部件的功能进行有效验证,在使用RS232接口、波特率设置为115 200 bps的情况下,可以实现20 Hz数据更新率的测试.该方法实现简单、通用性强且不依赖其他外部设备,可以满足航天环境试验和整星联调阶段的功能测试任务要求.     

一种基于星点特征不变原理的快速星图识别方法

星图识别算法是星敏感器输出姿态的关键技术。根据星图从天球坐标系转换到星敏感器坐标系过程中存在特征值不变的原理,结合视场和星等需求建立了导航星表。并根据星图识别要求设计了对应的快速识别算法。针对特征表维数多的特点,采用K向量法提高搜索效率,同时采用并行计算的思想进一步提高搜索速度。采用Matlab编程实现了算法,并进行了仿真。结果表明,算法的识别效率可达97.8%,平均搜索时间可达14.4ms,能够满足准确率高、识别速度快的要求。     

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。     

一种新的方法用于星敏感器近红外星图星点提取

分析了近红外星图小波分解系数的特点。依据小波分析的边缘检测特性、解相关性和多分辨率特性结合星点的灰度分布特征设计了不同尺度下的检测模板。在恒虚警概率条件下,提出利用局部阈值克服红外星图本身的背景不均匀性。通过在星图第二次分解的近似系数上检测星点最大灰度值的位置,削弱了单点噪声和条纹噪声的影响。实验结果显示,算法能有效得出视场中的星点最大灰度值坐标,误差在1 个像素位置左右,满足后续星点提取的需要。     

白天观星红外星图噪声抑制算法

单点噪声和条纹非均匀性噪声是白天观星红外星图中的两种典型噪声,严重影响了星图识别的后续处理。针对两种噪声产生的原因和特点,提出改进的单点噪声去噪算法,即用局部窗口遍历扫描全图检测出单点噪声,然后用全局均值进行补偿;又提出列直方图偏移校正算法去除条纹非均匀性噪声,即依据列偏移校正模型,对每列直方图相对于全局直方图的峰值位置偏移进行校正。实验结果表明:所提出的噪声抑制算法对红外星图去噪效果良好,星点目标峰值信噪比可从7.4提高到12.8,并且算法计算简单,可以在单帧时间内完成,满足星图实时预处理的应用要求。     

基于自适应邻域双边滤波的点目标检测预处理算法

该文通过分析点目标的成像原理,提出一种基于自适应邻域时空双边滤波的点目标检测预处理算法。算法针对每个像素建立自适应邻域,对不同类的邻域分别定义其定义域和值域势函数的乘积为滤波模板,并通过限制自适应邻域的大小加快了算法速度。与固定邻域的空域双边滤波算法和时空双边滤波算法相比,该文算法能够快速、有效去除噪声,同时增强点目标和背景的对比度。     

CMOS active pixel sensor star tracker with regional electronicshutter

A 64×64 element CMOS active pixel sensor (APS) for star tracker applications is reported. The chip features an innovative regional electronic shutter through the use of an individual pixel reset architecture. Using the regional electronic shutter, each star in the field of view can have its own integration period. This way, simultaneous capture of bright stars with dim stars is accommodated, enabling a large increase in tracker capability. The chip achieves 80 dB dynamic range, 50 e-rms read noise, low dark current, and excellent electronic shutter linearity     

基于FPGA的光纤光斑中心定位算法研究

为了解决传统数字图像处理算法中数据运算量大、复杂度高、耗时长的问题,提出一种基于可编程门阵列（FPGA）光纤光斑中心定位的方法。采用数字信号处理系统,利用开发工具（DSP builder）,设计了光斑图像预处理算法和边缘检测算法,用最小二乘法拟合光斑边界,采用流水线设计,增强了数据处理的并行能力,提高了处理速度。在Cyclone V平台上进行理论分析和实验验证,取得了光斑图像边界、中心坐标数据。结果表明,在保证对光斑中心定位的绝对误差小于0.1pixel的条件下,使用FPGA比计算机运算速度能提高21倍以上。该研究能够在FPGA平台上快速准确定位光斑中心。     

基于能量分布的星点提取方法

为提高星图预处理中质心提取的精度和实时性,提出了一种基于星点能量分布的星点提取方法.该方法将星点的能量分布概括为如下三个特点：一是当σ＜0.671时,星点的能量主要集中在其中心3×3像元的区域内;二是星点中心灰度最大;三是星点中心周围8个像元的灰度值大于平均灰度值.依据后两个特点可以确定星点中心像元,然后根据第一个特点就可以用传统的质心算法对星点中心3×3区域进行质心提取.仿真结果表明,该方法能够实时有效地进行星点提取,且实时性优于连通域法,在星等小于5时质心提取精度也要优于连通域法.     

星敏感器抗杂光的复合型背景估计星图处理算法

星敏感器在太空作业时，易受到太阳光、月光和地气光等杂光的干扰，导致拍摄的星图灰度整体升高，背景均匀性较差，难以准确提取到星点坐标。针对上述问题并结合现有算法提出了一种复合型背景估计的杂光干扰下星图处理算法。首先，星点具有经点扩散成像后尺寸为直径3×3至7×7的特征，设计相应的背景估计模板，最后为提高算法鲁棒性，提高局部信息的利用率，再设计一个像素估计模板，两个估计模板同时计算后处理数据实现阈值分割；最后进行星点质心计算。通过试验证明该方法可以较好地抵抗杂光干扰，提高杂光背景下星点提取的精度。