The invention discloses an imaging simulation method for optical navigation characteristics of a dim small celestial body, which belongs to the field of deep space exploration. By constructing the imaging CCD model, the noise model and the star point luminosity model of the deep sky star map, the invention realizes the imaging simulation of the towed star map under the long exposure of the long-distance approach section of the dim and weak small object detector task. Given the parameters of the optical system and the background noise, the noise background is generated first, then the position of the navigation star and the navigation star which can enter the field of view on the CCD plane is determined, and the energy of each star point is calculated. Finally, a series of optical axis pointing disturbances are randomly generated, and the energy of the star chart drag track generated by the disturbance is calculated, and the drag star chart is generated. The invention can simulate the long exposure star map of the high fidelity dark and weak small celestial body detector in deep space, test the image processing algorithm and determine the optical system parameters of the actual deep space exploration task without the matching of related devices.
【技术实现步骤摘要】
暗弱小天体光学导航特征成像模拟方法
本专利技术涉及一种暗弱小天体光学导航特征成像模拟方法，尤其涉及一种小天体探测器远距离接近段长曝光拍摄暗弱小天体目标时的成像模拟方法，属于深空探测领域。
技术介绍
强自主、高精度且实时的自主光学导航是深空探测任务中的重要技术环节。在小天体探测任务的远距离接近段，光学导航目标一般为目标小天体光心。目标小天体的星等一般都较低，需要进行长时间曝光才能够成像，在曝光时间内，热力缩涨，机械振动，姿态偏移等多种原因会引起成像系统光轴在曝光时间内发生多次扰动，导航目标在CCD平面上的成像会发生偏移，成像将不再成点状或斑状分布而是产生拖曳，实际成像为轨迹，难以提取导航目标的特征信息进行精确导航。对深空导航图像展开研究具有非常重要的意义，为了验证相关特征提取算法和地面试验的顺利展开，研究暗弱小天体光学导航特征成像模拟方法极为关键。目前，已有一些长曝光星图的模拟方法，但主要应用在星敏感器上，详细考虑长曝光情况下噪声分布和信号能量分布的接近段目标小天体成像模拟方法还未曾出现过。
技术实现思路
...
【技术保护点】
1.暗弱小天体光学导航特征成像模拟方法，其特征在于：包括如下步骤，/n步骤一、给定暗弱小天体探测器任务远距离接近段长曝光下产生的拖曳星图的光学系统参数；/n给定暗弱小天体探测器任务远距离接近段长曝光下产生的拖曳星图的光学系统参数，所述光学系统参数包括CCD相机的光圈半径A、视场角FOV、像素尺寸px/py、拍摄曝光时间T、光学效率η、量子效率Q和ADC增益K；/n步骤二、给定暗弱小天体探测器拖曳星图的背景噪声参数，并根据给定的背景噪声参数生成噪声背景；/n给定暗弱小天体探测器拖曳星图的背景噪声参数，所述背景噪声参数包括读数噪声偏置值λ
【技术特征摘要】
1.暗弱小天体光学导航特征成像模拟方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、给定暗弱小天体探测器任务远距离接近段长曝光下产生的拖曳星图的光学系统参数；
给定暗弱小天体探测器任务远距离接近段长曝光下产生的拖曳星图的光学系统参数，所述光学系统参数包括CCD相机的光圈半径A、视场角FOV、像素尺寸px/py、拍摄曝光时间T、光学效率η、量子效率Q和ADC增益K；
步骤二、给定暗弱小天体探测器拖曳星图的背景噪声参数，并根据给定的背景噪声参数生成噪声背景；
给定暗弱小天体探测器拖曳星图的背景噪声参数，所述背景噪声参数包括读数噪声偏置值λbias、暗电流噪声泊松参数λdark、成像背景亮度Sky_level，并根据给定的背景噪声参数生成噪声背景；
步骤三、根据目标小天体所在位置确定光轴指向，检索星表确定在该指向下能够进入视场范围的导航恒星列表，并计算所述导航星在CCD平面上的位置；
步骤四、给定PSF能量扩散半径，根据背景导航星及目标小天体的视星等调用高斯扩散公式得到各星点散焦后的能量；
步骤五、随机生成一系列光轴指向扰动，计算由该扰动产生的星图拖曳轨迹的能量，生成拖曳星图，即实现模拟暗弱小天体探测器任务远距离接近段长曝光下产生的拖曳星图。
2.如权利要求1所述的暗弱小天体光学导航特征成像模拟方法，其特征在于：还包括步骤六，将步骤五得到暗弱小天体探测器拖曳星图用于验证轨迹图像星点质心提取的图像处理算法的有效性，进行图像处理算法的测试。
3.如权利要求1所述的暗弱小天体光学导航特征成像模拟方法，其特征在于：还包括步骤七，改变光学系统参数，通过步骤一至步骤五模拟不同光学系统参数下的暗弱小天体探测器拖曳星图，进而选定满足实际深空探测任务的光学系统参数，实现实际深空探测任务。
4.如权利要求1、2或3所述的暗弱小天体光学导航特征成像模拟方法，其特征在于：步骤一的具体实现方法为，
CCD相机的感应器件将入射光子转化为电子并将生成的电子贮存起来，随后，读入器件测量每个像素中的电荷量在电容器两端产生模拟电压，模数转换器将每个像素中的电压数字化，产生一个计数写入电脑磁盘中；最后将电脑磁盘中的计数转化为灰度，生成灰度图像；
每个像素点接收到的入射光子数决定该像素点处信号的大小；当光学系统入瞳处的光通量为F时，CCD处接受到的光子数P为：
其中，为平均波长，h为普朗克常数，c为光速，A为光圈半径，η为光学效率，；
入射光子数P与生成光电子C的比率为光学系统的量子效率Q：
C＝Q*P(2)
光电子数C与计数值N之间的关系由ADC的增益K所确定：
N＝K*C(3)
星载光学系统生成的图像为8位灰度图像，有256级灰度，计数N和灰度DN间的转换关系为线性关系：
DN＝a*N+b(4)
5.如权利要求4所述的暗弱小天体光学导航特征成像模拟方法，其特征在于：步骤二的具体实现方法为，
总噪声包括读数噪声、暗电流噪声、成像背景亮度噪声：
S噪＝Ibackground+Iread+Idark(5)
由于深空中星际尘埃、太空碎片及其他物质的影响，拍摄的拖曳星图中存在大量杂散光，背景并不是完全的黑色；模拟星图的背景由用户输入参数背景亮度Sky_level和曝光时间T所决定，服从泊松分布，背景信号强度写为：
Ibackground～P(Sky_level*T)(6)
读数噪声是读数器件自身的电压所带来的噪声，所述读数噪声服从关于偏置值的高斯分布，其信号强度写为：
暗电流噪声是由CCD的结构内热造成的，其在单位时间内的噪声水平与CCD温度相关，属于散粒噪声的一种，服从泊松分布，其信号强度写为；
Idark～P(λdark)(8)
根据给定的背景噪声参数生成噪声背景。
6.如权利要求5所述的暗弱小天体光学导航特征成像模拟方法，其特征在于：步骤三的具体实现方法为，
定义光学相机的视轴方向为(α0,δ0)，则出现在光学相机视场内的导航目标所需满足的赤经赤纬条件如下：
其中，(αi,δi)为导航恒星的赤经赤纬，FOV为视场角大小；
考虑天球坐标系和相机坐标系之间的坐标变换；由于导航星距离遥远，将相机坐标系的原点O和天球坐标系的原点O'视为重合，忽略坐标系平移所带来的误差,仅需要考虑旋转变换；导航恒星在天球坐标系下的坐标为(αi,δi)，天球赤道坐标系O-UVW和相机坐标系O'-XYZ间的转换关系为：
[XYZ]T＝M[UVW]T(10)
[UVW]T＝[cosαicosδisinαicosδisinδi]T(11)
所述O'-XYZ坐标系的Z轴为视轴正向，X轴和Y轴方向与CCD相机平面方向一致；
其中，j角与CCD相机安装方向有关，取j＝90°，θ为视轴与OW轴的夹角，O为O'X轴与OU轴的夹角，θ＝90°-δ0，O＝90°+α0；因此，M矩阵简化为：
最后，考虑相机坐标系和CCD成像平面坐标系之间的坐标变换；根据光学相机的成像模型，得到相机坐标系和CCD平面坐标系之间的几何关系：
上式中，(x,y)为导航目标在CCD成像平面投影的坐标，f为相机焦距，px,py为像素的高和宽；
同时，根据CCD相机视场角大小、传感器尺寸和焦距间的关系知：
f＝2pxNx-1tan(FOV/2)＝2pyNy-1tan(FOV/2)(14)
其中，Nx,Ny是CCD平面尺寸，FOV为视场角大小；
最终得导航目标在CCD成像平面投影的坐标位置的表达式：
所述导航目标在CCD成像平面投影的坐标位置即为导航星在CCD平面上的位置。
7.如权利要求6所述的暗弱小天体光学导航特征成像模拟方法，其特征在于：步骤四的具体实现方法为，
在天文观测中，视星等与单色光流间的关系为：
mv＝-2.5log10Fv+c(16)
其中，mv为信源视星等，Fv为信源单色光流，c为常数；
由公式(17)得出，信源的成像强度主要由信源的星等决定，信源视亮度与信号强度之间的关系为：
其中，I为某像素点上的光...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔平远，陆晓萱，朱圣英，徐瑞，梁子璇，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。