一种基于目标识别的高帧频高精度注入式星图仿真测试平台制造技术

一种基于目标识别的高帧频高精度注入式星图仿真测试平台，根据星载识别系统的特点，提出DSP图像处理模块与FPGA图像合成模块相结合的模式，分别通过图像的抓取采集、图像合成、图层叠加及灰度修正得到高精度的图像序列，同时于图像抓取过程中，提出了基于星图灰度值的表示方法，保证了精确的空间目标识别与跟踪的星图仿真测试需求，精度可靠，处理速度快，稳定性高。

A High Frame Frequency and High Precision Injection Star Map Simulation Test Platform Based on Target Recognition

A high frame rate and high precision injection star map simulation test platform based on target recognition is presented. According to the characteristics of spaceborne recognition system, a mode combining DSP image processing module with FPGA image synthesis module is proposed. High precision image sequences are obtained by image capture, image synthesis, image layer superposition and gray level correction, respectively. At the same time, in the process of image capture, a new method based on DSP image processing module is proposed. The method of expressing the gray value of star map ensures the requirement of accurate star map simulation test for space target recognition and tracking. It has reliable precision, fast processing speed and high stability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于目标识别的高帧频高精度注入式星图仿真测试平台
本专利技术涉及一种基于目标识别的高帧频高精度注入式星图仿真测试平台，属于高速数字视频处理领域。
技术介绍
精确的空间目标识别与跟踪，是空间对接，空间光通信，空间对抗的基础。对于星载识别跟踪系统在方案论证、系统测试以及在轨定标时，往往仅采用提取恒星库的星图加入目标作为仿真图像，进行系统参数设计、测试、定标。然而，实际星载系统获取的星图往往包括背景恒星、目标、各种复杂的系统噪声(覆盖性噪声、加性噪声等)以及旋转、投影、光学畸变，因此需要设计一种星图仿真平台精确地反映这些因素对星图的影响。同时，为保证空间目标识别与跟踪的可靠性，星载系统往往采用高速相机。因此仿真平台必须满足高速实时的要求。目前的星图仿真多采用MATLAB生成固定星图，无法实时根据指令完成恒星库生成、随机目标生成、噪声添加以及畸变仿真，同时空间观测器与目标以及恒星的相对位置也是实时变化的，采用MATLAB生成也无法进行实时像面投影，造成仿真结果不准确、失真。另外目标识别跟踪系统需要高速、高帧频的星图仿真视频，以满足其测试要求，而当前的星图视频生成系统多为低速低帧频(工业级30Hz)，视频接口单一，不能满足进行全面、精确、高速的空间识别与跟踪的需求。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统MATLAB生成的固定星图无法实时根据指令完成恒星库生成、随机目标生成、噪声添加以及畸变仿真，同时无法应对实时变化的空间观测器与目标以及恒星的相对位置的问题，提出了一种基于目标识别的高帧频高精度注入式星图仿真测试平台。本专利技术解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：一种基于目标识别的高帧频高精度注入式星图仿真测试平台，其特征在于：包括DSP图像数据处理模块、FPGA图像合成模块、视频转换模块，其中：DSP图像处理模块：接收外部管理控制器发送的指令信号，所述指令信号包括星图区域选取指令、噪声注入指令、畸变模拟指令，根据星图区域选取指令抓取满足指令恒星星等需求的所选区域星图并添加观测目标，根据噪声注入指令、畸变模拟指令模拟观测目标于真实成像过程中产生的畸变及噪声，将模拟所得添加观测目标、畸变及噪声数据后的图像数据于指定视频周期内发送至FPGA图像合成模块；FPGA图像合成模块：接收DSP图像处理模块发送的图像数据进行图像合成，并将合成后图像通过归一化运算进行图层叠加，再将图层叠加后所得多个视频周期图片合成为星图监视视频并发送至视频转换模块；视频转换模块：接收FPGA图像合成模块发送的合成后星图监视视频并转换为外部目标识别平台所需的视频格式并向外发送。还包括看门狗模块，用于监测DSP图像处理模块及FPGA图像合成模块运行过程中的核心电压，当核心电压低于DSP和FPGA处理器能够正常工作的电压时，对DSP图像处理模块及FPGA图像合成模块进行复位重启，并生成错误代码并发送至外部管理控制器。所述DSP图像处理模块包括噪声注入单元、恒星选择单元、像面定位单元、畸变仿真单元，其中：恒星选择单元：接收外部管理控制器发送的星图区域选取指令，抓取所选区域的星图数据并发送至像面定位单元；像面定位单元：接收恒星选择单元发送的星图数据并根据星图区域选取指令添加待观测目标，并将更新后星图数据发送至畸变仿真单元；畸变仿真单元：接收像面定位单元发送的更新后星图数据及外部管理控制器发送的畸变模拟指令，并根据畸变模拟指令于实际成像系统中进行模拟运算，获取恒星实际位置与恒星理想位置畸变值，进行畸变仿真及特定方向投影，生成畸变仿真后数据；噪声注入单元：接收外部管理控制器发送的噪声注入指令，并根据噪声注入指令进行噪声数据仿真运算，生成特定噪声数据，并与畸变仿真单元产生的畸变仿真后数据共同发送至FPGA图像合成模块。所述FPGA图像合成模块包括图像合成单元、图层叠加单元、图像修正单元、视频合成单元，其中：图像合成单元：接收畸变仿真单元发送的畸变仿真后数据及噪声注入单元发送的特定噪声数据，并将当前时刻添加数据及原星图数据合成为单张待观测星图同时发送至图层叠加单元；图层叠加单元:接收图像合成单元于一个视频周期内发送的N张不同的待观测星图，通过归一化计算叠加为单张合成星图并发送至图像修正单元；图像修正单元：接收图层叠加单元发送的单张合成星图进行灰度修正，将修正后的合成星图发送至视频合成单元；视频合成单元：接收图像修正单元于视频指令周期内发送的合成星图图像序列进行视频合成并发送至视频转换模块。所述恒星选择单元抓取所选区域的星图数据为星图灰度值，计算方法如下：其中，G(x,y)为(x,y)坐标上对应的灰度值，A为恒星最大光强值，由恒星的星等、焦面灰度值量化级数决定。(x0,y0)为图像内恒星的质心位置。σ2为高斯函数的方差，σ为标准差，取1.5。所述指令恒星星等需求的范围为SAO星表所收录的星等9.0等及以上的恒星。所述噪声注入单元注入的噪声数据种类包括高斯噪声、椒盐噪声。所述特定方向投影为恒星选择单元抓取的星图内待成像仿真的恒星从天球坐标系经由成像传感器坐标系，再到空间观测相机成像传感器图像坐标系的投影，其中，恒星由天球坐标系到成像传感器坐标系的转换矩阵M为：式中，α0为赤经，δ0为赤纬，φ0为滚转角，(α0,δ0,φ0)为仿真成像传感器姿态角；所选恒星于成像传感器图像坐标系下的方向矢量坐标(xi,yi,zi)的计算方法如下：式中，(αi,βi)为所选恒星于天球坐标系下的坐标，MT为M的转置矩阵；所选恒星于图像坐标系的投影成像点坐标计算方法如下：式中，f为相机焦距，(Xi,Yi)为所选恒星于图像坐标系下的成像点坐标。在成像相机光学系统存在畸变的情况下，所选恒星于图像坐标系下的投影成像点实际坐标的计算方法如下：式中，(Xi',Yi')为光学系统畸变情况下恒星实际成像点坐标，dx、dy为坐标偏差值，(u0,v0)、(q1,q2,q3,p1,p2,p3)为投影成像畸变参数，r为畸变中间变量。优选的，当图像数据传输带宽为250MHz、图像像元数为1k×1k时，DSP图像数据处理模块、FPGA图像合成模块、视频转换模块传输的成像视频最大帧频为250Hz；当DSP主频为1GHz、图像像元数为1k×1k时，能够生成的仿真成像视频最大帧频为250Hz本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)一种基于目标识别的高帧频高精度注入式星图仿真测试平台，该采用FPGA与DSP双处理器的工作模式，其中DSP具有多核处理能力，使恒星选择单元、像面定位单元、畸变仿真单元、噪声注入单元可实时并行运算，解决了使用单一的处理芯片无法实现的多种仿真要求下，高精度星图实时仿真运算的难题。同时利用FPGA的高速并行处理能力，高速运行图像合成单元、图像叠加单元等算法，并加入图像修正单元，进一步对仿真图像进行灰度修正，进一步提高仿真视频的准确性。并利用FPGA对外接口多、配置灵活的特点，通过视频合成单元、视频转换模块，生成不同格式的仿真视频以满足多种测试要求(2)本专利技术利用FPGA进行实时图像显示，监视图像处理效果。充分发挥了芯片特性，提高算法实现效率，实现功能的多样化。(3)本专利技术利用DSP缓存的读存速度快、易于实现复杂运算的特点，实现恒星库选取、噪声添加、目标生成及畸变仿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于目标识别的高帧频高精度注入式星图仿真测试平台，其特征在于：包括DSP图像数据处理模块、FPGA图像合成模块、视频转换模块，其中：DSP图像处理模块：接收外部管理控制器发送的指令信号，所述指令信号包括星图区域选取指令、噪声注入指令、畸变模拟指令，根据星图区域选取指令抓取满足指令恒星星等需求的所选区域星图并添加观测目标，根据噪声注入指令、畸变模拟指令模拟观测目标于真实成像过程中产生的畸变及噪声，将模拟所得添加观测目标、畸变及噪声数据后的图像数据于指定视频周期内发送至FPGA图像合成模块；FPGA图像合成模块：接收DSP图像处理模块发送的图像数据进行图像合成，并将合成后图像通过归一化运算进行图层叠加，再将图层叠加后所得多个视频周期图片合成为星图监视视频并发送至视频转换模块；视频转换模块：接收FPGA图像合成模块发送的合成后星图监视视频并转换为外部目标识别平台所需的视频格式并向外发送。

【技术特征摘要】
1.一种基于目标识别的高帧频高精度注入式星图仿真测试平台，其特征在于：包括DSP图像数据处理模块、FPGA图像合成模块、视频转换模块，其中：DSP图像处理模块：接收外部管理控制器发送的指令信号，所述指令信号包括星图区域选取指令、噪声注入指令、畸变模拟指令，根据星图区域选取指令抓取满足指令恒星星等需求的所选区域星图并添加观测目标，根据噪声注入指令、畸变模拟指令模拟观测目标于真实成像过程中产生的畸变及噪声，将模拟所得添加观测目标、畸变及噪声数据后的图像数据于指定视频周期内发送至FPGA图像合成模块；FPGA图像合成模块：接收DSP图像处理模块发送的图像数据进行图像合成，并将合成后图像通过归一化运算进行图层叠加，再将图层叠加后所得多个视频周期图片合成为星图监视视频并发送至视频转换模块；视频转换模块：接收FPGA图像合成模块发送的合成后星图监视视频并转换为外部目标识别平台所需的视频格式并向外发送。2.根据权利要求1所述的一种基于目标识别的高帧频高精度注入式星图仿真测试平台，其特征在于：还包括看门狗模块，用于监测DSP图像处理模块及FPGA图像合成模块运行过程中的核心电压，当核心电压低于DSP和FPGA处理器能够正常工作的电压时，对DSP图像处理模块及FPGA图像合成模块进行复位重启，并生成错误代码并发送至外部管理控制器。3.根据权利要求1或2所述的一种基于目标识别的高帧频高精度注入式星图仿真测试平台，其特征在于：所述DSP图像处理模块包括噪声注入单元、恒星选择单元、像面定位单元、畸变仿真单元，其中：恒星选择单元：接收外部管理控制器发送的星图区域选取指令，抓取所选区域的星图数据并发送至像面定位单元；像面定位单元：接收恒星选择单元发送的星图数据并根据星图区域选取指令添加待观测目标，并将更新后星图数据发送至畸变仿真单元；畸变仿真单元：接收像面定位单元发送的更新后星图数据及外部管理控制器发送的畸变模拟指令，并根据畸变模拟指令于实际成像系统中进行模拟运算，获取恒星实际位置与恒星理想位置畸变值，进行畸变仿真及特定方向投影，生成畸变仿真后数据；噪声注入单元：接收外部管理控制器发送的噪声注入指令，并根据噪声注入指令进行噪声数据仿真运算，生成特定噪声数据，并与畸变仿真单元产生的畸变仿真后数据共同发送至FPGA图像合成模块。4.根据权利要求1或2所述的一种基于目标识别的高帧频高精度注入式星图仿真测试平台，其特征在于：所述FPGA图像合成模块包括图像合成单元、图层叠加单元、图像修正单元、视频合成单元，其中：图像合成单元：接收畸变仿真单元发送的畸变仿真后数据及噪声注入单元发送的特定噪声数据，并将当前时刻添加数据及原星图数据合成为单张待观测星图同时发送至图层叠加单元；图层叠加单元:接收图像合成单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：于飞，黄刚，丁琳，李超，刘成，侯帅，赵丽婷，李婧，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11