实时星图预处理的并行流水线算法

为提高星敏感器的星图预处理速度,减少嵌入式资源消耗,提出了一种并行流水线算法.剔除了星像点本身对背景噪声标准差(噪声水平)和均值两个特征值估计的影响,建立了是否开展滤噪的准则,确定了星图噪声的提取阈值,保证了质心定位精度.将星图缓存量降低至两行数据,用100个移位寄存器记录连通域标号,解决了嵌入式资源浪费和连通域溢出问题.仿真结果表明,50 M速率输入的496×496星图流水处理完成后延迟10 μs便可实时输出需要的亮星数据,使用的存储器和寄存器资源不到80 kB.加入背景电平和高斯噪声后,在信噪比大于1的条件下质心精度优于1/23像素量级,验证了并行流水线的实时星图预处理算法的有效性,有助于提高星敏感器数据输出率及抗动态性能.     

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.     

基于DSP＋FPGA技术的两点法非均匀校正模块设计

对两点非均匀算法进行了分析,并推导出了其公式的定点形式。利用DSP FPGA结构在硬件上实现了该算法。DSP负责浮点转定点运算;FPGA则实现非均匀校正公式定点形式的运算,其内部采用流水线技术,速度最高可达80MHz处理一个像素。该模块是在Altera公司的APEXII系列的FPGA上实现的,并且在运动目标红外凝视探测识别跟踪处理器上获得成功运用。     

H.264运动补偿插值算法的优化及硬件设计

运动补偿是H.264/AVC视频编码标准中重要的组成部分,而分数像素的运动补偿是其中最复杂的部分.因此提高分数像素的运算时间,减小运算的复杂度尤为重要.对原始的分数像素的插值算法进行了改进,将计算半像素所用传统的6阶滤波器改进为4阶滤波器,并使用了并行流水线的输入的方式,一次性可以处理输入的12个像素.该硬件结构采用Verilog进行描述并综合到Xilinx Virtex6FPGA器件.结果表明,所设计的半像素插值算法的硬件实现,其工作频率为213MHz,时钟周期数减少到36个,且硬件复杂度有所降低.     

基于最简视觉显著性的红外目标快速提取方法

在红外深空目标跟踪系统中,为了能够从深空红外图像中快速提取微小目标,通过分析红外深空图像的特点,提出一种基于最简视觉显著性的红外目标快速提取方法。该方法在传统的视觉显著性的基础上,通过计算局部灰度最大值和目标像素的灰度平均值与邻域像素的灰度加权值的对比度组成特征向量,构造显著性模型,抑制背景并凸显目标,使之不但能够减少运算耗时,而且能够保证提取精度。通过对红外深空图像进行处理,实验结果表明该算法的运算时间仅为传统的视觉显著性算法的28%,且有较好的处理结果,证明了该算法的有效性。     

点源目标质心探测中单个盲元线性插值补偿算法选取

自适应光学系统中应用哈特曼波前传感器对点源目标进行质心探测时,光电探测器上子孔径区域内存在的盲元会引入一定的附加质心探测误差,为了减小质心误差,需要选取合适的盲元补偿算法获得相对合理的补偿值。推导了哈特曼波前传感器子孔径内单个盲元补偿后造成的附加质心探测误差。利用仿真统计了各种利用盲元邻域正常像素进行线性插值的单个盲元补偿算法对点源目标质心探测误差的影响。提出了单个盲元邻域像素线性插值补偿算法选取的若干准则,指出选用盲元上下左右4邻域像素的均值进行补偿造成的平均质心误差最小,而选用盲元左右两个像素平均补偿算法可以在补偿误差较小的情况下简化运算。实验结果与仿真结果相符合。     

一种运动背景序列星图弱小目标运动轨迹提取算法

提出了一种序列星图中目标的运动轨迹提取算法.利用交叉投影方法提取星点,确定包含星点的区域;提出一种基于自适应窗口选择PIV技术的序列星图全局运动参数估计算法,并对序列星图进行配准,滤除背景恒星;提出一种目标运动轨迹的提取箅法.实验结果表明该算法对于空间小目标(≥1 pixel)在序列图像中运动轨迹不连续的情况可以进行准确的运动轨迹提取,具有较强的鲁棒性.     

基于改进FFT算法的OFDM调制/解调模块设计

文章对传统FFT算法进行了改进,改进后的算法将N点DFT分解成二维√N点DFT的组合,在结构上更适合于用流水线方式实现FFT.文章首先对算法进行了推导,然后基于该算法设计了一个64点、32位字长的定点IFFT/FFT模块,用于802.11a中OFDM的调制/解调.与传统的流水线FFT比较,该模块中的复数乘法运算全部采用移位相加操作完成,因而消除了乘法器及旋转因子ROM的使用,降低了功耗.最后,对该模块进行了验证仿真.结果表明,在流水线饱和的情况下,该模块完成一个64点的FFT运算只需要8个时钟周期,在20MHZ时钟频率下,该模块的功耗为0.26W,完全能满足移动通信中对于高速度、低功耗的要求.     

自动导星星点检测及跟踪算法研究

详细介绍了自动导星的工作原理,对自动导星的星点检测及跟踪算法进行研究,结合星点能量在星图上分布近似高斯分布的特性,提出一种稳定可靠的目标星点提取算法。算法首先分析了星点目标的阈值判断原则,根据阈值条件确定一定数量的候选星点,然后在候选星点中筛选出最优的目标星点,最后通过高斯曲线拟合的办法求取最优目标星点的质心坐标。该方法提高了目标星点提取的准确性和计算速度,实验结果表明:改进后的算法能够达到良好的效果。     

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。     

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。     

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。     

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.     

一个高效的嵌入式浮点FFT处理器的实现

FFT是数字信号处理中的一种非常重要的算法。本文构造了一个适于嵌入式应用的基16FFT处理器局部流水结构,同时设计实现了一个高效的基4蝶形运算模块。我们的研究应用了局部流水和反馈的思想,使基16FFT蝶形运算模块得以由两个基4/基2蝶形模块组成的反馈流水电路实现,在简化结构的同时提高了处理速度。基4蝶形模块中运算模块的利用率达到100％,而且比传统的基四蝶形模块节省60％以上的资源。     

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...     

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%。     

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。