高精度星敏感器噪声与定位精度研究

星敏感器定位精度是星敏感器最重要的性能指标.噪声是影响星敏感器定位精度的重要因素.文章基于矩心算法建立了星敏感器的定位精度模型,对星敏感器主要噪声所带来精度误差进行了推导,结果显示,开窗、积分时间、温度直接影响噪声大小,进而影响星敏感器的定位精度.利用基于CCD TC237的星敏感器,通过实验,定量地分析出了三种因素对于星敏感器定位精度的影响,实验结果显示,三种因素中,温度和积分时间对星敏感器定位精度的影响最大.     

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。     

CMOS APS 器件及其在星敏感器中的应用

介绍了CMOS有源像元图像传感器(APS)的原理与结构特点,阐述了CMOS APS与CCD比较应用于星敏感器的潜在优势,详细介绍了CMOS图像传感器在星敏感器中的应用现状,并对基于CMOS APS与基于CCD的星敏感器的测量精度结果进行对比,展望了CMOS APS星敏感器的发展前景.     

采用最大背景估计的星敏感器图像处理方法

星图处理是星敏感器运行的基础,而杂光干扰是影响星敏感器图像处理的主要因素之一,是算法设计需要重点考虑的干扰源。为消除杂光干扰的影响,通过分析星图中目标及背景的特征,根据星点二维高斯分布模型构造了权值参考函数,改进了最大化背景估计模型,设计了欧几里德四象限旋转对称的掩模,辅以图像分割、去噪,构成采用最大背景估计的星敏感器图像处理算法。另外采用了星点提取率、虚警率、极限探测星等、单星定位精度和仿真时序综合评价星图处理算法性能。实验证明该图像处理算法星点提取率高、虚警率低、单星定位精度高、抗杂光干扰性能优异且具有通用性。     

高精度星敏感器的标定

星敏感器是一种高精度的空间姿态敏感器,精度标定是保证其高精度测量效果中的重要一环。针对传统星敏感器标定的弊端,提出了将光学畸变、CCD倾斜角度、CCD旋转角度等作为一个整体进行参数拟合。该方法根据CCD不同区域的光学畸变、像等因素差别较大的原理,采用了先在全视场内建立一个星点的模型,然后对模型进行分区,对每一个区采用最小二乘法计算拟合参数,这样在进行星点精度计算时先带入拟合参数进行修正,最后得出单星的测量精度。该方法简单、方便、标定精度高。为了提高星点质心的提取精度,利用十字丝图像束代替星点图像,求出十字丝交点的质心。实验结果表明,A角标准差1.624″,E角标准差1.597″,完全满足系统要求的2″的高精度。     

混合域实现图像块矩阵变换的CIS像素读出噪声分析

为了研究双存储像素的读出噪声对混合域实现图像块矩阵变换的CMOS图像传感器(CIS)产生的误差影响,对其进行噪声分析。结合双存储像素的工作时序,对实现图像块矩阵变换过程中由于多次采样和双路存储而增加的kTC噪声、源跟随器的1/f噪声和热噪声进行分析并建立数学模型,总结出双存储像素读出噪声对一次块矩阵变换的误差影响。以二维离散余弦变换为例,通过CHRT 0.35 m标准CMOS工艺电路仿真并结合matlab/simulink对比验证,得出增大存储电容、减小源跟随器宽长比可以降低由于像素读出噪声引起的误差。结果证明,此方法可以有效降低噪声,指导电路设计。     

基于双星敏感器的船体姿态测量系统设计

提出了一种基于双星敏感器的船体姿态测量系统。本系统采用两台大视场高精度CCD星敏感器,一台指向船艉,一台指向左舷,组合定姿达到提高横摇角测量精度的目的。选用TH7888A作为CCD传感器,成像后经实时图像处理器提取星点目标位置、灰度信息传给数据处理计算机,通过星图识别、姿态确定获取地心惯性坐标系下视轴指向,经岁差、章动、极移、船位、蒙气差等修正,获得惯导地平系下姿态矩阵。依据标定的星敏感器与甲板坐标系安装矩阵,解算船体姿态角,将两台星敏感器解算的姿态角进行融合,达到获取三个高精度船体姿态角的目的。实验表明,该系统航向、纵摇及横摇测角精度分别达到8.46″、7.16″及5.11″,测量精度高、自主性强且能不随时间漂移。     

夏克—哈特曼波前传感器的探测误差

夏克—哈特曼（S－H）传感器的探测误差是自适应光学系统的一个主要误差源。本文主要分析了S-H传感器的系统误差和随机误差，其误差源包括：CCD相机的读出噪声和背景电平，探测的像素数以及光子噪声。通过在计算哈特曼传感器子光斑质心时设定一个阈值可以大大提高传感器的探测精度。本文同时列举了实验数据和理论分析结果。     

光学像差对星点质心定位误差的影响分析

星点质心定位精度直接决定了星敏感器姿态测量精度的极限,其误差源之一是弥散斑模型的选取。星敏感器光学系统像差无法完全消除,必然影响弥散斑分布,研究光学像差对星点质心定位误差的影响对工程应用具有重要意义。文中以Gauss弥散斑模型为比较,研究了离焦等4种光学像差对星点质心定位的影响机理和分布规律,结合质心定位的物理过程推得光学像差影响下的误差解析式,并实现数值仿真,结果表明:光学像差形成不同的弥散斑模型,导致不同的星点质心定位误差分布;星点弥散斑边缘能量减弱趋势对质心定位误差影响较大,若控制光学像差使相应弥散斑边缘能量呈缓慢趋势减弱,则有利于定位误差的减小。光学像差影响下的星点质心定位误差分析对相应的误差补偿具有指导意义,提出的各光学像差的控制意见有利于指导星敏感器光学系统设计。     

CMOS图像传感器辐射损伤导致星敏感器性能退化机理

为了分析恶劣空间辐射环境导致星敏感器性能退化、姿态测量精度降低的原因,深入研究了辐射环境下互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）图像传感器辐射损伤对星敏感器性能退化的影响。该方法通过建立空间辐射和CMOS图像传感器辐射损伤敏感参数、星敏感器性能参数之间的相关性,揭示了CMOS 图像传感器器件参数退化到星敏感器系统参数退化的传递机制。60Co-γ辐照试验表明:辐照后,系统信噪比的降低导致星敏感器星等探测灵敏度的降低,信噪比是联系CMOS图像传感器和星敏感器系统之间的桥梁。质子辐照试验表明:当辐照注量大于3.68×1010 p/cm2时,已无法正确提取星点质心。该研究结果为星敏感器在轨姿态测量误差预测和修正技术的研究奠定了一定的基础,更可以为高精度星敏感器的设计提供一定的理论依据。     

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。     

信息与动态

信息与动态有液晶特性的聚合物网络、弹胶体及胶体近几年，具有液晶特性的各向异性聚合物网络、弹胶体及胶体引起基础科学工作者的兴趣，因为它们有着广阔的应用前景。应用领域有：被动式光学元件，如固体彩色滤光膜、光学延时器、偏振光元件等；主动式电子元件，如液晶显...     

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。     

基于PSF参考模型的星敏感器单粒子效应在轨校正方法

为了提高星敏感器在遭受单粒子效应打击情况下的质心提取精度,提出了一种基于点扩散函数参考模型的在轨校正方法。通过构建星点参考模型及残差校正,该方法能有效去除单粒子噪声,校正噪声星点形态,降低星点质心定位误差。与传统去噪算法相比,该方法能在有效去噪的同时保护星点能量不被破坏。通过仿真实验验证了该算法抗单粒子效应的有效性,通过对比实验验证了该算法相比传统算法的优越性。     

长焦距无热化星敏感器光学系统设计

光学系统是自主导航星敏感器实现恒星光信号收集以及高精度姿态测量的核心组件。以高精度星敏感器光学系统为研究对象,分析了影响光学系统探测不同色温恒星精度的机理,恒星色温及环境温度变化引起的质心漂移量误差通过后期标定抑制的难度大,需要在光学设计阶段进行控制;建立了光学系统设计波长权重计算模型及分配方法;在性能评价方面,除了常规的能量集中度、畸变以及非对称像差之外,提出采用恒星色温质心漂移量以及温度变化质心漂移量作为精度评价的主要指标。根据应用需求设计了一款基于航天卫星平台的长焦距星敏感器光学系统,焦距为95 mm,相对孔径为F/2.4,视场角为8°×8°,探测光谱范围为450～1 000 nm,3×3像元内能量集中度大于85%。基于常规玻璃材料校正了超宽谱段长焦距光学系统的倍率色差,全视场倍率色差不超过0.9 μm。精度分析结果表明:2 600～9 800 K范围内不同色温恒星的质心漂移量小于0.36 μm;在工作温度0～40 °C范围内,焦距变化量小于2.7 μm,温度变化引起的质心漂移量小于0.45 μm。     

多星敏感器地面热漂移标定位置误差检测研究

为了减少多个星敏感器地面热漂移标定时受到不同安装平台的位置误差影响, 采取一种多星敏感器地面热漂移标定位置误差检测方法,进行了理论分析和实验验证,取得了-25℃~60℃真空状态下系统中基准方棱镜变形的位置偏移量数据,并进行了标定位置误差精度分析。结果表明,多星敏感器位置绕各轴产生的最大偏移量分别为-39.341″/℃, -0.060″/℃, -24.137″/℃,通过建立误差检测模型对位置误差进行计算,将其从姿态测量结果的偏移量中剔除后获得更准确的星敏感器姿态测量四元数,剔除位置误差后的系统精度至少提高了11%。该研究在提高星敏感器热漂移标定精度方面具有很好的应用前景。     

基于数字图像处理的星体检测技术研究

简述了基于CCD器件昼夜星体检测系统的组成和原理,针对影响星体检测精度的关键因素,采用质心法确定恒星位置,较详细分析了提高信噪比的图像处理算法和亚像元定位算法,对以恒星为基准的实时、多参数校正设备实现高精度的测量。