一种短波红外星图的降噪方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种短波红外星图的降噪方法及系统。包括：计算图像每列像素的矩匹配校正系数；利用矩匹配校正系数分别对每列像素进行条纹噪声的矩匹配校正；在矩匹配校正后星图的基础上，识别可能是星点和盲元的非背景像素，并计算每个非背景像素的二阶差分描绘子和高斯相关描绘子；训练支持向量机，依据非背景像素的描绘子对其进行分类；本发明专利技术对全天时星敏感器的正常工作具有重要意义。敏感器的正常工作具有重要意义。敏感器的正常工作具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种短波红外星图的降噪方法和系统


[0001]本专利技术涉及天文导航星敏感器
，具体涉及一种短波红外星图的降噪方法和系统。

技术介绍

[0002]短波红外全天时星敏感器是一种常用的临近空间飞行器天文导航系统，拥有精度高、误差不随时间累积、全自主导航、功耗低和可靠性高等优点。虽然短波红外波段具有大气背景辐射小、大气消光更少和可观测恒星更多的优势，但短波红外探测器拍摄的星图中存在条纹非均匀性噪声和盲元噪声，严重影响后续的星点提取等处理流程，从而影响导航系统的正常工作。
[0003]对于短波红外图像的条纹非均匀性噪声的抑制方法目前主要分为基于标定的校正方法和基于场景的校正方法。（1）基于标定的方法需要在实验环境下使用外部均匀辐射源对探测器进行测试，记录像元的非均匀性响应情况，从而在探测器工作时作为补偿的参考，然而短波红外成像芯片的响应特性是随工作时间、工作温度、内部晶体管偏置电压的浮动等因素影响的，临近空间星敏感器的工作环境复杂多变，工作周期很长，难以维持固定的工作条件，如果强行使用特定条件下标定的参数进行修正，将会引入不确定的修正误差；（2）基于场景的校正方法包括序列法和单帧法，序列法要求像素值在后续帧之间发生变化，通过多帧像素灰度分布不同的图像计算收敛完成，其延迟和多帧存储内存要求不适于星敏感器应用，单帧法计算较为复杂，算法耗时明显大于序列法；（3）另外，针对非均匀性校正的方法还有时域高通滤波法和人工神经网络法，前者只能对偏置进行校正，而后者算法较为复杂，对运算量需求较高。
[0004]对于短波红外图像的盲元问题，目前常见的方法是基于标定的校正方法和基于统计特征的校正方法。（1）基于标定的校正方法通过标准光源实验确定盲元的位置，但盲元位置会随时间发生变化，在探测器的工作周期中往往需要多次标定，难以适应星敏感器复杂多变的工作环境和长时间工作的要求；（2）基于统计的校正方法利用中心像素与周围像素的灰度特征设计判据进行盲元检测，这种方法对不同的工作环境有较强的自适应性，且算法速度快，但其对多个盲元组成的盲元簇的识别能力较差，存在盲元检测不全、将星点像素误识别为盲元的问题，往往难以兼得盲元识别的高准确率和低漏检率。
[0005]条纹非均匀性噪声影响每列像素的灰度，起伏较大的背景不利于星点的提取，同时也会增大星点质心计算的误差。过热盲元和盲元簇与星点目标具有极其相似的特征，对星点判别造成了极大影响。条纹非均匀性噪声与盲元噪声均与环境温度、工作时间以及大气背景辐射强度有关。传统的标定补偿和阈值处理等方法难以对其有效消除。另外，星敏感器在轨运行存在实时性要求，算法不仅需要在计算机软件层面进行仿真，还需要在硬件层面进行实现，从而获得比软件算法更快的速度。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种短波红外星图的降噪方法和系统，本专利技术通过研究短波红外星图条纹非均匀性噪声和盲元噪声的实时降噪，解决短波红外星图降噪方法中盲元识别高准确率和低漏检率难以兼得、降噪后微弱星点提取困难且提取准确率与召回率相互制约的问题，提高短波红外星敏感器噪声抑制性能，对全天时星敏感器的正常工作具有重要意义。
[0007]本专利技术由下述技术方案实现：本专利技术提供了一种短波红外星图的降噪方法，包括以下步骤：（1）根据邻域灰度特征粗略识别星点和盲元两种非背景像素，将非背景像素忽略后计算星图全部像素的均值和标准差，并计算每列像素的均值和标准差，根据每列像素的均值和标准差计算每列像素的两个矩匹配校正系数，所述校正系数是矩匹配校正增益系数和偏置系数；（2）利用矩匹配校正系数分别对每列像素进行条纹噪声的矩匹配校正；（3）在矩匹配校正后星图的基础上，使用步骤（1）中相同方法识别星点和盲元两种非背景像素，并分别计算每个非背景像素的二阶差分描绘子和高斯相关描绘子；（4）训练线性支持向量机，依据非背景像素的描绘子对其进行分类，为其分配星点标签或盲元标签；（5）利用图像上星点像素灰度的高斯分布特性，对星周弥散斑内被误判为盲元的像素进行纠正；（6）对标签为盲元的像素进行四邻域均值补偿；（7）对整幅星图进行四邻域均值滤波，抑制高斯噪声。
[0008]进一步的，所述步骤（1）包括：计算中心像素邻域内像素灰度中值与中心像素灰度的差值。
[0009]进一步的，所述步骤（3）中，计算每个非背景像素的二阶差分描绘子具体为：计算中心像素邻域十字形窗口内像素的归一化加权二阶差分绝对值和；计算每个非背景像素的高斯相关描绘子具体为：计算中心像素邻域方形窗口内像素灰度与特定系数二维高斯函数值的皮尔逊相关系数，以反映星点在星敏感器成像系统焦平面上所成像的灰度分布符合二维高斯函数的特征。
[0010]进一步的，所述步骤（4）包括：对若干实拍短波红外星图中的星点和盲元像素进行人工提取和分类，生成非背景像素训练集和测试集；配置惩罚参数并使用训练集训练线性支持向量机；获取支持向量机预测函数；使用测试集验证支持向量机分类精度。
[0011]进一步的，所述步骤（5）中，对星周弥散斑内被误判为盲元的像素进行纠正包括：对于所有标签为星点的像素，在以其为中心的像素窗口内，根据高斯函数计算其星周弥散斑像素灰度的估计值；在窗口内检查标签为盲元的像素，若其灰度值与此估计值相近，则将其标签纠正为星周弥散斑像素。
[0012]本专利技术还提供了一种短波红外星图的降噪系统，实现所述的降噪方法，包括：背景参数累积模块，用于将图像中全图和各列的灰度值及灰度的平方值进行累加，并记录每列的有效像素数；矩匹配系数计算模块，用于计算全图和每列的均值和标准差，进而计算条纹噪声的矩匹配校正系数；矩匹配条纹补偿模块，用于对图像中的条纹非均匀性噪声进行矩匹配校正；像素描绘与分类模块，用于计算像素的描绘子，并利用线性支持向量机将像素进行分类，输出像素标签；盲元补偿模块，用于对标签为盲元的像素进行补偿；均值滤波模块，用于对整幅星图进行四邻域均值滤波。
[0013]进一步的，所述背景参数累积模块，包括：像素行缓存模块，用于生成列方向像素模板；中值判断模块，用于计算模板内像素灰度中值，并根据所述中值粗略识别像素是否为非背景像素；数据累加模块，用于缓存并累加灰度统计值。
[0014]进一步的，所述像素描绘与分类模块，包括：输入控制模块，用于与主模块的握手和数据传输；像素行缓存模块，用于生成列方向像素模板；模板生成模块，用于利用列方向像素模板生成方形像素模板；中值判断模块，用于计算模板内像素灰度中值，并根据所述中值粗略识别像素是否为非背景像素；二阶差分描绘子计算模块，用于计算像素的二阶差分描绘子；高斯相关描绘子计算模块，用于计算像素的高斯相关描绘子；支持向量机预测模块，用于利用支持向量机进行像素分类；输出控制模块，用于与从模块的握手和数据传输。
[0015]进一步的，还包括星周弥散斑像素纠正模块，用于纠正被误判为盲元的星周弥散斑像素标签；还包括HDMI输出模块，用于降噪结果的数据输出。
[0016]进一步的，所述HDMI输出模块，包括：缓存模块，用于缓存降噪本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种短波红外星图的降噪方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）根据邻域灰度特征粗略识别星点和盲元两种非背景像素，将非背景像素忽略后计算星图全部像素的均值和标准差，并计算每列像素的均值和标准差，根据每列像素的均值和标准差计算每列像素的两个矩匹配校正系数，所述校正系数是矩匹配校正增益系数和偏置系数；（2）利用矩匹配校正系数分别对每列像素进行条纹噪声的矩匹配校正；（3）在矩匹配校正后星图的基础上，使用步骤（1）中相同方法识别星点和盲元两种非背景像素，并分别计算每个非背景像素的二阶差分描绘子和高斯相关描绘子；（4）训练线性支持向量机，依据非背景像素的描绘子对其进行分类，为其分配星点标签或盲元标签；（5）利用图像上星点像素灰度的高斯分布特性，对星周弥散斑内被误判为盲元的像素进行纠正；（6）对标签为盲元的像素进行四邻域均值补偿；（7）对整幅星图进行四邻域均值滤波，抑制高斯噪声。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）包括：计算中心像素邻域内像素灰度中值与中心像素灰度的差值。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，计算每个非背景像素的二阶差分描绘子具体为：计算中心像素邻域十字形窗口内像素的归一化加权二阶差分绝对值和；计算每个非背景像素的高斯相关描绘子具体为：计算中心像素邻域方形窗口内像素灰度与特定系数二维高斯函数值的皮尔逊相关系数，以反映星点在星敏感器成像系统焦平面上所成像的灰度分布符合二维高斯函数的特征。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（4）包括：对若干实拍短波红外星图中的星点和盲元像素进行人工提取和分类，生成非背景像素训练集和测试集；配置惩罚参数并使用训练集训练线性支持向量机；获取支持向量机预测函数；使用测试集验证支持向量机分类精度。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（5）中，对星周弥散斑内被误判为盲元的像素进行纠正包括：对于所有标签为星点的像素，在以其为中心的像素窗口内，根据高斯函数计算其星周弥散斑像素灰度的估计值；在窗口内检查标签为盲元的像素，若其灰度值与此估计值相近，则将其标签纠正为星周弥散斑像素。6.一种短...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健，陈子昂，王刚毅，李伟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：