本发明专利技术涉及一种基于FPGA实现实时提取恒星星像坐标的方法，星敏感器的恒星成像采用亚像素技术，用重心法获取恒星星像坐标的质心，在实现提起恒星星像坐标过程中，仅仅采用当前图像像元当前行的前一列坐标的灰度值以及当前列的上一行坐标的灰度值，这种方法完全满足A/D转换后变成数字量后，立刻提取图像恒星星像坐标，因此，在提取恒星星像坐标过程中，避免了传统恒星星像坐标过程中需要从SRAM中读取星图数据的过程。采用该方法后保存星图到SRAM的过程和从星图中提取恒星星像坐标的过程是完全并行的。因此降低了提取恒星星像坐标过程的时间，提高了实时性和数据更新率；从而进一步提高了星敏感器的动态性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于FPGA实现实时提取恒星星像坐标的方法。
技术介绍
随着航空航天技术的发展，星敏感器作为一种高精度的姿态测量设备被越来越广泛地应用到卫星等航天器中。星敏感器主要由光学系统、图像传感器电路以及数字图像处理系统构成。星敏感器的工作原理就是恒星所发出的星光通过光学系统成像在CCD光敏面上，由CCD信号检测线路将星光的光能转换成模拟电信号，模拟信号处理单元对其进行放大、滤波、整形等处理后，模数转换单元对其进行模数转换和数据采集。数据处理单元对数字化后的星图进行处理，星提取软件对星图进行大目标剔除、恒星星像提取、恒星星像坐标计算和星等计算。星识别过程对星图中的星像按匹配方法构造匹配模式，与导航星库中的已有模式进行匹配、处理，形成观测星与导航星的唯一匹配星对。利用匹配星对，姿态计 算软件通过姿态计算方法确定星敏感器光轴在惯性空间中的指向，最后由此指向及星敏感器与卫星本体的安装角就可以完成卫星三轴瞬时姿态的测量，通过姿态预测算法预测卫星的下一姿态并进行姿态控制(如图I)。从CXD星敏感器工作过程可知，星像提取是星敏感器识别和姿态计算的前提。传统模式下，当天空星图以数字量的形式存在于内存后，星提取软件从内存中读取星图信息，提取星图中的恒星星像坐标，采用软件来实现星像提取算法，从星图中提取星像坐标，实时性不高。由于现场可编程门阵列(FPGA)是在专用ASIC的基础上发展起来的，它克服了 ASIC不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在于有很强的灵活性，它是由逻辑功能块排列成阵列组成，并通过可编程的内部连线连接这些功能块来实现不同的设计，对电路的维护和修改很方便。星像提取算法实现中只有加、减运算，而且算法控制结构比较简单，适合于用FPGA实现。因此，为了进一步提高数据更新率，目前很多星敏感器采用FPGA来实现星像提取算法，这样在星图数据读出的同时就可以计算目标的质心，为后续的星图匹配工作提供了时间，提高了系统的实时要求。当前不管是采用软件来实现提取恒星星像坐标还是采用硬件描述来实现提取星像坐标，这些方法都是A/D采用后，把图像保存到存储器里，然后在从存储器中读取图像数据，在利用重心法来实现恒星星像坐标的提起，这些实现方法都是采集图像、存储图像、提取恒星星像坐标的串行过程，所以总的时间较长，很难提高星敏感器的数据更新率。而且随着星敏感器的图像面阵增加，存储图像和提取恒星星像坐标的时间也增加，然而，大面阵、高分辨率是星敏感器发展的趋势。因此采用纯粹串行的模式很难提高星敏感器的数据更新率，也很难满足当前高动态、高精度星敏感器需求的发展。星图采集以后，如何从图像传感器输出的原始星像中准确快速地提取恒星星像坐标，满足实时性要求，是当前高动态、高精度的基础，然而。由于星敏感器的工作情况正好符合流水工作的条件；其中流水模式是将图像曝光部分、图像存储部分、星像提取时间与星图识别时间和姿态计算部分并行处理的工作逻辑，星敏感器在曝光本帧的图像同时，采用重心法提取上帧星图，星敏感器整机的数据更新时间为流水结构中最慢的一级所占用的时间，这样进一步提高了数据更新率，但是，由于星敏感器每次处理的都是上帧星图，虽然提高了数据更新率，但是降低了实时性，所以这样也很难满足当前高精度、高动态的需求。由于星图数据从CCD以模拟量的形式出来以后经过放大A/D转换后变成数字量后，一方面存入SRAM中保存，另一方面与此同时FPGA读取数字量并且进行实时的提取星像坐标。将提取的恒星星像坐标传给星图识别模块进行星图识别。这样星敏感器处理的星像数据是刚曝光完的数据，实时性较高，随着实时性的提高精度、动态性能等指标也就提高了。因此采用这种方法来提取恒星星像坐标省去了对SRAM的读写操作，降低了恒星星像提取所用的时间，提高了整个星敏感器的工作效率提高。从SRAM中读取图像来提取恒星星像坐标方法在实现提取恒星星像坐标过程中都必须利用到当前图像像元的下一列坐标的灰度值和当前列的下一行坐标的灰度值，因此，从SRAM中读取图像来提取恒星星像坐标方法不能满足未来星敏感器高动态、高精度模式的需求
技术实现思路
本专利技术提出一种基于FPGA实现实时提取恒星星像坐标的方法，该方法在实现提起恒星星像坐标过程中，根本不必利用到当前图像像元的下一列坐标的灰度值和当前列的下一行坐标的灰度值，而仅仅采用当前图像像元当前行的上一列坐标的灰度值以及当前列的上一行坐标的灰度值，这种方法完全满足A/D转换后变成数字量后，把星像保存到SRAM和采用FPGA实现实时提取恒星星像坐标两个过程完全并行的模式。星敏感器光学部分的设计采用亚像素分辨技术，即采用散焦技术。对像平面上所成的恒星星像进行离焦处理，让来自恒星的星光，投射到几个紧挨着的像素上。根据在每个像元上的能量(如图2)，用重心法计算出恒星星像坐标的质心。利用这种方法计算的星像位置的精度可以达到固有设备分辨率的几十分之一甚至百分之一。一种基于FPGA实现实时提取恒星星像坐标的方法，对像平面上所成的恒星星像进行离焦处理，让来自恒星的星光，投射到几个紧挨着的像素上，根据在每个像元上的能量，用重心法计算出恒星星像坐标的质心，重心的提取可以用如下的公式表示 权利要求1.一种基于FPGA实现实时提取恒星星像坐标的方法，对像平面上所成的恒星星像进行离焦处理，让来自恒星的星光，投射到几个紧挨着的像素上，根据在每个像元上的能量，用重心法计算出恒星星像坐标的质心，重心的提取可以用如下的公式表示全文摘要本专利技术涉及一种基于FPGA实现实时提取恒星星像坐标的方法，星敏感器的恒星成像采用亚像素技术，用重心法获取恒星星像坐标的质心，在实现提起恒星星像坐标过程中，仅仅采用当前图像像元当前行的前一列坐标的灰度值以及当前列的上一行坐标的灰度值，这种方法完全满足A/D转换后变成数字量后，立刻提取图像恒星星像坐标，因此，在提取恒星星像坐标过程中，避免了传统恒星星像坐标过程中需要从SRAM中读取星图数据的过程。采用该方法后保存星图到SRAM的过程和从星图中提取恒星星像坐标的过程是完全并行的。因此降低了提取恒星星像坐标过程的时间，提高了实时性和数据更新率；从而进一步提高了星敏感器的动态性能。文档编号G01C11/04GK102944227SQ20121051451公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月8日 优先权日2012年11月8日专利技术者李葆华, 童浩, 王常虹, 陈希军 申请人:哈尔滨工业大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于FPGA实现实时提取恒星星像坐标的方法，对像平面上所成的恒星星像进行离焦处理，让来自恒星的星光，投射到几个紧挨着的像素上，根据在每个像元上的能量，用重心法计算出恒星星像坐标的质心，重心的提取可以用如下的公式表示：X=∫∫xI(x,y)dxdy∫∫I(x,y)dxdyY=∫∫yI(x,y)dxdy∫∫I(x,y)dxdy---(1)式中，(X，Y)为星像重心的坐标，I(x，y)为点散布函数，采用离散公式，其基本公式如下：xi=Σx=1nxΣy=1nyxI′(x,y)Σx=1nxΣy=1nyI′(x,y)yi=Σx=1nxΣy=1nyyI′(x,y)Σx=1nxΣy=1nyI′(x,y)---(2)其中I′(x，y)＝I(x，y)?T，当I(x，y)＞T????(3)I′(x，y)＝0，当I(x，y)≤T????????????(4)计算在一个圆形区域中进行(x-x0)2-(y-y0)2≤R02---(5)式中I(x，y)为信号强度，T为信号强度门限，R0为像点离散半径，式中(xi，yi)为像素的位置，nx，ny表示恒星星像弥散斑尺寸为nx×ny，n＝nx×ny为星像点所占的像元数；在基于FPGA实现实时提取恒星星像坐标方法的过程之前，首先开辟存储器空间，用于保存xI′(x，y)，yI′(x，y)以及I′(x，y)的中间量，设保 存xI′(x，y)的数组名为Sx(i)，保存yI′(x，y)的数组名为Sy(i)，保存I′(x，y)的数组名为Sg(i)，另外，在实现取恒星星像坐标方法的过程需要状态标志，设状态标志为Fg(i)，以上i∈[1，N]，N表示图像的列数，Sx(i)，Sy(i)，Sg(i)和Fg(i)分别表示图像中第i列的信息，然后采用如下步骤，其特征在于，步骤如下：步骤1：从A/D中读取图像点的像素值，设该图像点的坐标为(x，y)，该图像点的灰度值为gray，并且判断该像素值是否大于阈值，设预先设置的阈值为T，如果该像素值小于阈值，说明该点是图像背景，设置Fg(x)＝0，等图像下一个像素值；如果该像素值大于阈值，说明该点是恒星星像点，立刻跳转到步骤2；步骤2：判断该恒星星像点是否是第一行，如果是第一行，直接跳转到步骤3；如果不是第一行，直接跳转到步骤4；步骤3：判断该恒星星像点是否是第一列，如果是第一列，直接跳转到步骤5；如果不是第一列，直接跳转到步骤6；步骤4：判断该恒星星像点是否是第一列，如果是第一列，直接跳转到步骤7；如果不是第一列，直接跳转到步骤8；步骤5：该点是图像中第一个恒星星像点，计算Sx(x)＝x×(gray?T)，Sy(x)＝y×(gray?T)和Sg(x)＝gray?T，并把该恒星星像点的指针标志Fg(x)＝x；步骤6：判断该恒星像素点的前一个，即当前行的第x?1个像素是不是恒星星像点，即判断Fg(x?1)是否为0，如果是恒星星像点，则计算Sx(x?1)＝Sx(x?1)+x×(gray?T)，Sy(x?1)＝Sy(x?1)+y×(gray?T)，Sg(x?1)＝Sg(x?1)+(gray?T)，并且设置Sx(x)＝0，Sy(x)＝0，Sg(x)＝0以及Fg(x)＝x?1；如果不是恒星星像点，则计算Sx(x)＝x×(gray?T)，Sy(x)＝y×(gray?T)和Sg(x)＝gray?T，并把该恒星星像点的指针标志Fg(x)＝x；步骤7：判断与该恒星星像点同一列，并且与该恒星星像点的上一行，即图像中 坐标为(x，y?1)的图像点是不是恒星星像点，即判断Fg(x)是否为0，如果是恒星星像点，则计算Sx(x)＝Sx(x)+x×(gray?T)，Sy(x)＝Sy(x)+y×(gray?T)，Sg(x)＝Sg(x)+(gray?T)，并且设置Fg(x)＝x；如果不是恒星星像点，则计算Sx(x)＝x×(gray?T)，Sy(x)＝y×(gray?T)和Sg(x)＝gray?T，并把该恒星星像点的指针标志Fg(x)＝x；步骤8：判断该恒星像素点的前一个，即当前行的第x?1个像素是不是恒星星像点，即判断Fg(x?1)是否为0，如果是恒星星像点，跳转到步骤9；如果不是恒星星像点，跳转到步骤10；步骤9：计算Sx(x?...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李葆华，童浩，王常虹，陈希军，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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