一种高动态星敏感器图像处理控制方法技术

一种高动态星敏感器图像处理控制方法，星敏感器根据星点特征量信息自主预测角速度，根据角速度计算最优曝光时间，根据角速度和最优曝光时间，估计星点拖尾长度，自适应地调整星点对应跟踪窗口的尺寸，以自适应窗口跟踪星点，在窗口内采用背景估计方法对图像进行预处理，获得星点特征量信息。本发明专利技术实现自主调整，可有效抑制星点拖尾，大大提高星点提取率，使星点成像信噪比达到最大，保障星敏感器数据有效性，最终提高星敏感器动态性能。

An image processing control method of high dynamic star sensor

【技术实现步骤摘要】
一种高动态星敏感器图像处理控制方法
本专利技术涉及一种高动态星敏感器图像处理控制方法。
技术介绍
动态性能是星敏感器发展的一大瓶颈。恒星与探测器的相对运动，造成星点成像模糊拖尾，导致常用图像处理方法无法有效地提取星点，最终影响星敏感器的数据有效性。事实上，提升星敏感器动态性能，不仅依赖于图像预处理算法，同时需考虑星跟踪预测、成像控制、图像窗口采集、星点提取等方面，共同构成高动态星敏感器图像处理系统。星跟踪是指星敏感器在完成全天识别后，拥有了先验信息，可以依据前几帧数据推演出下一帧数据，估计星敏感器的角速度信息，从而达到预测星点位置的目的。成像控制包含驱动探测器读出指定区域图像和控制一帧图像的曝光时间等功能。依据星跟踪预测的星点位置信息，即可采集指定区域的小窗口图像，缩减信息量。星点的提取是图像处理的核心方法，预处理方法影响着星点的提取率和单位精度，是星敏感器后续计算、处理的基础。
技术实现思路
本专利技术提供一种高动态星敏感器图像处理控制方法，实现自主调整，可有效抑制星点拖尾，大大提高星点提取率，使星点成像信噪比达到最大，保障星敏感器数据有效性，最终提高星敏感器动态性能。为了达到上述目的，本专利技术提供一种高动态星敏感器图像处理控制方法，包含以下步骤：步骤S1、估计角速度；步骤S2、根据角速度计算最优曝光时间；步骤S3、在星跟踪模式下，根据角速度和最优曝光时间，估计星点拖尾长度，自适应地调整星点对应跟踪窗口的尺寸；步骤S4、在星跟踪模式下，以自适应窗口跟踪星点，在窗口内采用背景估计方法对图像进行预处理，获得星点特征量信息，以供进行角速度估计；步骤S1～步骤S4形成闭环控制。所述的步骤S1中，在星跟踪模式下，所述的角速度估计方法包含：根据姿态信息计算角速度或者根据星矢量差分计算角速度。所述的步骤S1中，在全天识别模式下，通过拖尾星点的像斑估计星敏感器角速度：其中，ωx，ωy分别为星敏感器X/Y轴估计角速度，为探测器像元角分辨率，lx，ly分别为拖尾星在成像面x/y方向上的拖尾长度，α为方向角。所述的步骤S2中，星敏感器最优曝光时间t为：其中，tmax和tmin分别为曝光时间上限和下限，为探测器像元角分辨率，ω为角速度，ωmin为最小角速度，ωmax为最大角速度。所述的步骤S3中，当星敏感器具有绕X/Y轴方向的角速度分量时，星点拖尾长度L由下式给出：其中，称为像元角分辨率，FOV为视场，npixel为X/Y轴方向上像元个数；则跟踪窗口大小Lwin为：Lwin＝lstar+L+l0(4)其中，lstar为静态星斑大小；l0为窗口裕量；窗口中X/Y两轴上的尺寸均符合上式。所述的步骤S4中，所述的预处理包含：背景估计，滤波处理和阈值分割；所述的背景估计中获得背景值：其中，Ib(x,y)为背景估计得到的某一像素背景值；I(i,j)为原始图像I中(x,y)点邻域内坐标为(i,j)像素点灰度值；Wij为相应点的权值；k为参考邻域半径；所述的滤波处理得到残差图像：It＝I-Ib(6)其中，It是残差图像，背景估计得到的各像素背景值Ib(x,y)构成图像背景Ib；(x,y)点邻域内坐标为(i,j)像素点的灰度值I(i,j)构成原始图像I；所述的阈值分割对残差图像进行阈值判断，像素值高于阈值时，将残差图像中的像素值与阈值做差，得到有效像素的灰度值，像素值低于该阈值，判断为无效像素；残差图像中的所有有效像素的集合构成星点特征量。本专利技术采用的方法，与现有技术相比，优点和有益效果是：1、提高星敏感器动态性能。可有效抑制星点拖尾，大大提高星点提取率，保障星敏感器数据有效性，可在3°/s动态条件下，使星敏感器姿态测量噪声低至11.44″。2、自主调整。构成闭环控制，依据产品内部自主测量的角速度信息，控制曝光时间，不需要外界干预，实现自主调整。3、提升图像信噪比。最优曝光控制策略可使星点成像信噪比达到最大，在保证星斑足够时间感光的情况下，尽可能缩短拖尾长度，最终提高星敏感器动态性能。附图说明图1是本专利技术提供的一种高动态星敏感器图像处理控制方法的示意图。图2是拖尾星估计角速度。图3是最优曝光时间示意图。图4是5mv星3°/s动态单星定位精度变化趋势。具体实施方式以下根据图1～图4，具体说明本专利技术的较佳实施例。如图1所示，本专利技术提供一种高动态星敏感器图像处理控制方法，包含以下步骤：步骤S1、角速度估计。曝光时间的控制建立在角速度基础之上。角速度来源主要有两大渠道：星敏感器自主预测和分系统辅助角速度信息。星敏感器自主预测可依据姿态解算信息，或者直接通过星点图像信息。前者主要在星跟踪模式下使用，后者则涉及全天识别模式。三种来源的优先级依次为：分系统辅助角速度信息，星跟踪模式下星敏感器自主预测，全天识别模式下星点像斑估计。进入星跟踪模式前，角速度信息可由全天识别模式提供，也可由分系统提供，进入星跟踪模式后，根据姿态信息预测。分系统辅助、全天识别模式仅为进入星跟踪模式提供条件。在保持星跟踪的状态下，角速度预测具有较高的可靠性。星跟踪一般存在两种途径：1、由姿态信息计算角速度，递推下一帧姿态，并预测星点位置；2、由星矢量差分。由姿态信息得到的角速率精度较高，但其前提需完成姿态确定。星矢量差分则在姿态确定之前即可使用，但精度相对较低。全天识别模式下，若无辅助信息，则只能通过拖尾星点的像斑粗略估计星敏感器角速度。硬件图像处理可以在较低角速度(<1.5゜/s)下估计俯仰轴和偏航轴的分量。像斑长度提供了转速的粗略信息，两帧星点像斑的质心运动方向说明了转动方向，如图2所示。其中，ωx，ωy分别为星敏感器X/Y轴估计角速度，为探测器像元角分辨率，lx，ly分别为拖尾星在成像面x/y方向上的拖尾长度，α为方向角。步骤S2、根据角速度控制最优曝光时间。依据最优曝光控制准则，结合预测的角速度信息，将星点拖尾控制为5个像素，以使目标像元充分感光，信噪比达到最大，保证星点提取的同时使精度最大。星敏感器最优曝光时间t表达式为：动态范围[ωmin，ωmax]内，使Mt等星成像信噪比达到最大的最短曝光时长，其中Mt为保证视场内亮于该星等恒星多于10颗，ωmin为最长曝光时间tmax条件下Mt等星质心位移一个星斑宽度(ls)时的角速度，tmax为静态下稳定探测Mt等星的最短曝光时间，ωmax为Mt等星质心位移ls并能稳定检测时的最大角速度。如图3所示，加粗的黑色曲线为最优曝光时间曲线，该曲线为分段函数，tmax/tmin分别为曝光时间上下限。当角速度低于ωmin时，固定曝光时间tmax内星点质心位移不会超过ls，拖尾对星斑形态影响较小，无需调整曝光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高动态星敏感器图像处理控制方法，其特征在于，包含以下步骤：/n步骤S1、根据星点特征量信息估计角速度；/n步骤S2、根据角速度计算最优曝光时间；/n步骤S3、在星跟踪模式下，根据角速度和最优曝光时间，估计星点拖尾长度，自适应地调整星点对应跟踪窗口的尺寸；/n步骤S4、在星跟踪模式下，以自适应窗口跟踪星点，在窗口内采用背景估计方法对图像进行预处理，获得星点特征量信息，以供进行角速度估计；/n步骤S1～步骤S4形成闭环控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种高动态星敏感器图像处理控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1、根据星点特征量信息估计角速度；
步骤S2、根据角速度计算最优曝光时间；
步骤S3、在星跟踪模式下，根据角速度和最优曝光时间，估计星点拖尾长度，自适应地调整星点对应跟踪窗口的尺寸；
步骤S4、在星跟踪模式下，以自适应窗口跟踪星点，在窗口内采用背景估计方法对图像进行预处理，获得星点特征量信息，以供进行角速度估计；
步骤S1～步骤S4形成闭环控制。


2.如权利要求1所述的高动态星敏感器图像处理控制方法，其特征在于，所述的步骤S1中，在星跟踪模式下，所述的角速度估计方法包含：根据姿态信息计算角速度或者根据星矢量差分计算角速度。


3.如权利要求1所述的高动态星敏感器图像处理控制方法，其特征在于，所述的步骤S1中，在全天识别模式下，通过拖尾星点的像斑估计星敏感器角速度：



其中，ωx，ωy分别为星敏感器X/Y轴估计角速度，为探测器像元角分辨率，lx，ly分别为拖尾星在成像面x/y方向上的拖尾长度，α为方向角。


4.如权利要求2或3所述的高动态星敏感器图像处理控制方法，其特征在于，所述的步骤S2中，星敏感器最优曝光时间t为：



其中，tmax和tmin分别为曝光时间上限和下限，为探测器像元角分辨率，ω为角速度，ωmin为最小角速度，ωmax为最大角速...

【专利技术属性】
技术研发人员：余路伟，毛晓楠，高原，练达，杨元钊，李新鹏，金荷，左乐，高文杰，张磊，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31