CMOS星敏感器图像驱动及实时星点定位算法

利用CMOS图像传感器技术的低功耗和开发简单等优点,设计了新型CMOS星敏感器的图像采集驱动电路.该电路设计以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,配以静态存储器和并口通讯功能,实现了图像的采集、存储和输出.同时根据4连通域图像分割的原理,在FPGA内部设计了一个数字电路模块,以实现该星敏感器的实时星点定位功能.该模块由于采用了流水线结构,可以和图像采集同步完成星点质心定位算法,减少了向星敏感器数据处理单元中的精简指令集计算机(RISC)的数据传输量和RISC进行星图跟踪和识别的工作量,提高了星敏感器的总体工作性能.对比软件处理结果,对星敏感器的图像采集和质心算法硬件电路进行了验证.     

多视场星敏感器工作模式设计

针对多视场星敏感器的特点设计了两种工作模式:高精度工作模式和高更新率工作模式.中央时序控制器根据指令完成工作模式配置,以相应的时序启动图像采集处理模块.结合工作模式的时序特点,在FPGA(Field Programmable Gate Array)内部设计了3个星点质心提取模块,与各自对应的图像采集模块同步运行,实现了两种工作模式下多视场星图快速质心提取.采用Cypress公司的IBIS5-A-1300作为图像传感器,基于FPGA设计了实验平台,对工作模式配置及数据更新率进行测试.实验结果表明:工作模式可灵活配置和切换,在高更新率工作模式下,星敏感器的数据更新率为传统单视场情况的3倍.     

基于红外波段船载星光定向仪白昼恒星探测技术

摘要： 白昼恒星探测技术是船载星光定向仪海上应用的关键技术之一.本文基于实测星图给出白昼恒星探测技术的理论公式和实现方案.该技术针对实测红外星图中的背景噪声、伪星点、坏像素、对灰度背景的适应性问题,分别设计星图滤波算法、多帧伪星点剔除算法、坏像素索引表以及多梯度渐进积分时间调整算法.通过外场观星和组合导航实验验证该技术的有效性和精度.     

一种CCD星图星点快速定位算法

大尺寸CCD星图快速处理是制约天基光学观测器件性能的关键因素之一,在星敏感器、空间监视载荷等研制中具有重要意义.通过对CCD星图图像特点的分析,提出了以最大概率实现背景噪声滤除的星图预处理准则;在此基础上,提出了通过两次投影检测实现星点位置测量的算法.与传统方法相比,该算法实现简单,节约了计算量和存储量.对分辨率为2048×2048的CCD实拍星图的实验研究表明了该算法的有效性.      

基于卷积曲面的动态实时星图模拟

多星模拟器可动态刷新显示变化的星空,是星敏感器测试的关键设备。在动态条件下星点成像发生拖尾,要求星模拟器能够准确、实时仿真拖尾星图。建立了动态拖尾星点的卷积曲面模型。该模型是星点光斑弥散函数与权重函数沿着星点运动轨迹的卷积,可描述以任意形式运动产生的拖尾星点。提出了一种基于卷积曲面的像素离散算法,解决了星图仿真实时性不够的问题。先将星点轨迹分割为多段,再计算得到每段轨迹对应形成的星点光斑的像素值,将所有星点光斑累加。所提算法将多重积分化简,使得仿真速度提高了一个数量级,多星模拟器的刷新率达30 Hz。      

星敏感器用4T像素CMOS图像传感器总剂量效应研究

对星敏感器用4T像素CMOS图像传感器总剂量效应进行研究,机理分析及总剂量试验结果表明像素暗电流及暗电流不一致性随总剂量增加而增加,像素光强响应及满阱容量随总剂量增加而降低.进一步分析得出星敏感器星点定位误差随辐照总剂量增加而增大,在100krad(Si)总剂量下,星点定位误差相比辐照前增加约3倍.结合器件总剂量效应退化机理,提出星敏感器在轨使用时器件采用增加像素内传输管电荷转移的开启时间、提高传输管的控制电压以及提高像素的复位电压等措施,可以降低由于总剂量效应导致星敏感器的星点定位误差增加.     

一种多帧相关滤波的星敏感器像素非均匀性误差校正方法

为了进一步提升星敏感器的星点定位精度,分析星敏感器的像素误差来源和形成机理,提出一种多帧相关滤波的像素非均匀性误差校正方法.根据星图中星点的位置确定质心定位域和局部校正域,利用当前帧星图信息和前一帧的局部校正域信息预测当前帧的校正域,满足校正条件后采用差分法校正质心定位域.实验结果表明,本文方法能够较好地预测星图的非均匀性噪声,提升星点定位精度,具有较好的鲁棒性.     

一种强散射杂光下的快速星点提取算法

火工品爆破法实现星箭分离时产生大量灰尘颗粒,星敏感器被强散射杂光干扰,导致上电初期,星敏感器长时间停留在全天球模式,无法实现姿态捕获.本文通过对散射杂光成像进行建模和分析,提出杂光条件下的星点图像与无杂光时的星点图像具有近似的能量分布特征,进而提出一种基于互相关系数的快速星点提取算法,可在强散射杂光条件下快速提取出有效的星点窗口图像,然后利用窗口提星算法提取出有效星点,最终实现快速姿态捕获.开展了不同杂光条件下的星点提取和姿态识别仿真,通过本文算法与原有算法做对比,验证了本文算法在不同工况下的星点提取能力和姿态捕获方面均具有优势.     

CMV4000国产化替代芯片验证平台设计

本文开展了对CMV4000传感器国产化替代的研究工作以及芯片验证平台设计工作，替代芯片为上海集成电路生产的ASG043传感器芯片。本文首先通过元器件手册信息，从硬件电路和FPGA软件设计两个角度开展替代工作的研究。然后在搭载ASG043图像传感器的星敏感器上对电源以及图像传感器驱动代码进行设计修改，以满足国产ASG043传感器的供电，时序，训练等要求，ASG043成功运行后，对比替代前后黑白图及采集星点图像。由对比结果可知其成像效果与进口探测器相当，可在不更改印制板的条件下原位置替代CMV4000图像传感器。     

甚高精度星模拟器星图显示与控制系统研究

为对甚高精度星敏感器进行地面标定和精度测试,提出甚高精度星模拟器的研制,其模拟精度应优于0.5″.在甚高精度星模拟器设计中,对星模拟器的星图显示与控制系统进行了重点研究.根据模拟精度要求,提出利用星点板作为星图显示器件.采用单点可控矩阵式LED照明系统作为星点板光源,完成小天区静态形式的动态星图模拟.通过设计星图显示控制系统,编写控制软件,实现每个LED的亮灭和灰度值控制,完成了星图变换和星等模拟.实验结果表明,星图显示精度小于0.5″,可以实现动态变换以及星等模拟,以满足对甚高精度星敏感器的地面标定和精度测试要求.     

星敏感器中星图图像的星体细分定位方法研究

介绍了星敏感器的基本工作原理和星图图像的预处理的主要方法,将传统质心法、带阈值的质心法、平方加权质心法和高斯曲面拟合法应用于星敏感器中星图图像的星体细分定位,并进行了较为系统的仿真研究.仿真结果表明,带阈值的质心法是一种较为理想的星体细分定位方法.就噪声水平、阈值选择及低通滤波对细分定位精度的影响进行了仿真研究.最后,利用仿真结果对模拟星图图像的星体进行了细分定位实验,取得了较为满意的结果.      

卫星转动条件下APS星敏感器星像目标中心提取精度分析

 目前对星敏感器星像定位的研究多限于静态情况,而卫星转动过程中,在曝光期间星像在像平面不断移动,从而影响星像定位的精度,重点分析动态情况下APS星敏感器星像目标中心的提取精度。首先分析采用质心法计算星像目标中心的误差源,提出动态精度的估计方法,并推导相应的计算公式;进而以给定的APS星敏感器参数为基础,研究了计算窗口、曝光时间等精度影响因素的选择方法;最后通过仿真进行了验证。     

一种星图识别的星体图像高精度内插算法

介绍了一种从星敏感器成像中高精度提取恒星位置和星等的方法.这种方法把星光成像看成是高斯点扩散函数模型,利用线性内插和最小二乘法方法,拟合得到高斯曲面参数.从高斯曲面模型中得到亚像素级的恒星位置和恒星星等.理论研究表明,曲面拟合法提取的星体位置精度高于传统的质心法.由于直接进行高斯曲面拟合计算非常复杂,为了简化计算,利用了星体成像点附近x,y方向的非线性插值方法,分别得到不同的曲面系数.仿真结果显示,在信噪比小于0.05时,定位精度小于1/20像素,星等误差小于5%.     

基于FPGA的小型化太阳敏感器图像采集与处理方法

介绍一种适用于小型化太阳敏感器图像数据采集及处理系统的实现方法.系统设计使用了抗辐射加固COMS APS图像传感器芯片和现场可编程门阵列(FPGA),利用FPGA实现了对图像传感器芯片的控制和对图像数据的检测、采集、缓冲、预处理以及传输,同时协调系统各部分的工作.最后,给出了这种小型化太阳敏感器的标定结果,试验结果表明各项指标可以基本达到国际航天同类产品设计水平.     

星敏感器中快速星跟踪技术

跟踪模式是星敏感器的主要工作模式之一,跟踪过程的快速性直接影响星敏感器的整体性能.提出了一种快速星跟踪算法.在跟踪算法的3个耗时环节,分别采用了分区星表、阈值映射、先排序后匹配识别这3种方法,以提高跟踪过程的快速性.其中分区星表法将整个天区分成了若干个子天区,使得在星体映射时,只是搜索星敏感器视轴指向附近的部分子天区,而不是搜索整个天区,减少了搜索星体的数量;阈值映射法,在满足精确度的情况下,设置被跟踪星体的数量阈值,只有被跟踪的星体数目少于此阈值时,才进行星体映射,减少了映射次数;先排序后匹配识别法,先根据星体在星图中的坐标值进行排序,然后再进行匹配识别,减少了那些距离较大的无谓的星体间的匹配识别.仿真测试结果表明,这3种方法的采用,提高了跟踪算法的快速性,提高了星敏感器的整体效能.