CN104154912B - 高精度三谱段彩色星敏感器的实现方法 - Google Patents

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Abstract

高精度三谱段彩色星敏感器的实现方法，涉及一种星敏感器技术，解决现有技术采用单片CMOS接收彩色星图图像，影响图像质心精度；并且由于镜头采用传统的星敏感器镜头，存在较大色差，影响匹配精度等问题，本发明采用高分辨率高灵敏的CMOS探测器获取星图；针对采用传统采用星角距进行星匹配需要多颗星，利用恒星的光谱特性进行彩色星图的识别来降低视场内观测星数量；针对采用单片彩色CMOS芯片获取的三色星图质心精度低问题，采用三片CMOS传感器分别获取三色星图。本发明具有精度高、抗干扰性强、可不依赖其它***进行独立导航等优点。

Description

高精度三谱段彩色星敏感器的实现方法
技术领域
本发明涉及一种星敏感器技术，具体涉及一种高精度三谱段彩色星敏感器的实现方法。
背景技术
星敏感器基本工作原理为恒星所发出的星光经光学***成像在探测器靶面上，由成像***拍摄视轴指向星空的图像，通过信号处理电路对数字化后的星图进行处理，主要包括恒星目标检测(星提取)、星识别、姿态计算等过程，最后确定星敏感器光轴在惯性空间中的指向，再利用己知的星敏感器与载体的安装角和此指向就可以完成载体三轴瞬时姿态的测量。
传统的星匹配都根据星角距，加拿大Ryerson大学提出采用单片彩色CMOS来获取星图，但由于采用单片CMOS接收彩色图像，影响获取的质心精度；同时，由于镜头采用传统的星敏感器镜头，存在较大色差，影响匹配精度。
发明内容
本发明为解决现有技术采用单片CMOS接收彩色星图图像，影响图像质心精度；并且由于镜头采用传统的星敏感器镜头，存在较大色差，影响匹配精度等问题，提供一种高精度三谱段彩色星敏感器的实现方法。
高精度三谱段彩色星敏感器的实现方法。该方法由以下步骤实现：
步骤一、确定探测的星等，根据传感器的工作谱段进行三谱段的划分；根据恒星的光谱能量分布I(λ)、光学***在传感器的三谱段内的透过率τ(λ)和传感器的量子效率η(λ)，分别计算出三谱段内接收到的光能量比值分别为和λmin为传感器接收的最短波长，λmax为传感器接收的最长波长，定义三谱段的区间分别为蓝(λmin～0.52μm)；绿(0.52μm～0.61μm)；红(0.61μm～λmax)；根据探测的星等，建立星对间的角距表；
步骤二、构建彩色星图的匹配算法，以步骤一中的光能量比值公式和星对间的星角距作为匹配判据，剔除引起误差的星对；
步骤三、在地面采用不同的模拟星来进行辐射定标，对通过计算得到的三谱段的图像灰度值比率进行校正，得到基于地面校验后的三谱段图像灰度值比率和星对间的星角距匹配算法；
步骤四、在轨飞行后，首先将三谱段图像进行融合形成高分辨率的全色黑白图像，采用传统的星对间的星角距匹配算法，进行星识别，将实际在轨测试得到的三谱段图像灰度值比率和基于地面校验后的三谱段图像灰度值比率进行比较，根据实际测试结果对基于地面校验后的彩色星库中的三谱段的图像灰度值比率进一步校正；经在轨校正后，基于在轨校验后的三谱段图像灰度值比率和星对间的星角距匹配算法进行星识别，采用将三谱段图像进行融合形成高分辨率的全色黑白图像再进行质心提取，提高质心提取的精度。
本发明的有益效果：本发明将传统星敏感器和光谱技术结合起来，利用天空中恒星的光谱特性进行颜色识别，不仅可识别以往距离过近的双星，结合传统星角距还可识快速别伪星，快速实现星图匹配识别恒星，减少了待识别恒星数量，可降低对处理器计算速度的要求；使用紧凑型分光***，采用三片高灵敏度的CMOS来接收星图，避免传感器采用单片彩色结构引起质心精度下降问题。
附图说明
图1为本发明所述的高精度彩色星敏器结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，天空中的恒星经光学***分光后，采用三片CMOS图像传感器分别接收可见光范围内的三个谱段的恒星图像，三谱段的星图送入图像处理器进行处理，利用提取到的恒星三谱段图像灰度值的相对比率和质心位置信息进行星识别、捕获跟踪。与现有采用质心位置信息进行星识别、捕获跟踪相比，可减少匹配星的数量，提高识别的速度，降低对星上图像处理器处理速度的要求。
一、确定探测的星等，根据观测星的光谱特性在已有星库的基础上增加可探测星等范围内各星的光谱信息，构建彩色星库；光学镜头严格控制色差和非对称像差；根据传感器的工作谱段进行三谱段的划分；λmin为传感器可接收的最短波长，λmax为传感器可接收的最长波长，定义三谱段的区间分别为蓝(λmin～0.52μm)；绿(0.52μm～0.61μm)；红(0.61μm～λmax)；根据恒星的光谱能量分布I(λ)、光学***在三个谱段内的透过率τ(λ)和传感器的量子效率η(λ)，分别计算出三谱段内接收到的光能量比值分别为和
二、构建彩色星图的匹配算法，剔除易引起误差的星对。三谱段信息的体现通过比较对应谱段范围内光谱信号经光学***分光后达到各传感器焦面接收到的能量值和对应谱段的传感器量子效率的积分值，也就是各传感器输出的数字信号灰度值；以星对间的星角距和三谱段灰度比值作为匹配判据，并剔除易引起误差的星对；所述剔除易引起误差的星对的方法与现有方法相同。
三、在地面采用不同的模拟星(星数20≤n≤200)来进行辐射定标，对通过计算得到的三谱段的图像灰度值比率进行校正，得到基于地面校验后的三谱段图像灰度值比率和星对间的星角距匹配算法。
四、在轨飞行后，首先将三谱段图像进行融合形成高分辨率的全色黑白图像，采用传统的星对间的星角距匹配算法，进行星识别(星数20≤n≤200)，将实际在轨测试得到的三谱段图像灰度值比率和基于地面校验后的三谱段图像灰度值比率进行比较，根据实际测试结果对基于地面校验后的彩色星库中的三谱段的图像灰度值比率进一步校正。经在轨校正后，基于在轨校验后的三谱段图像灰度值比率和星对间的星角距匹配算法进行星识别，采用将三谱段图像进行融合形成高分辨率的全色黑白图像再进行质心提取，提高质心提取的精度。
本实施方式所述的光学分光***采用以棱镜为主要元件的分光***；CMOS图像传感器采用长光辰芯公司新推出的科学级CMOS传感器，分辨率为2048×2048，像元尺寸为11μm，动态范围高于90dB，暗噪声小于两个电子，灵敏度高于30V/lux/s；图像处理器采用TI公司的DSP芯片。

Claims (3)

1.高精度三谱段彩色星敏感器的实现方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、确定探测的星等，根据传感器的工作谱段进行三谱段的划分；根据恒星的光谱能量分布I(λ)、光学***在传感器的三谱段内的透过率τ(λ)和传感器的量子效率η(λ)，分别计算出三谱段内接收到的光能量比值分别为和λmin为传感器接收的最短波长，λmax为传感器接收的最长波长，定义三谱段的区间分别为蓝：λmin～0.52μm；绿：0.52μm～0.61μm；红：0.61μm～λmax；根据探测的星等，建立星对间的星角距表；
步骤二、构建彩色星图的匹配算法，以步骤一中的光能量比值公式和星角距表中的星角距作为匹配判据，剔除引起误差的星对；
步骤三、在地面采用不同的模拟星来进行辐射定标，对通过计算得到的三谱段的图像灰度值比率进行校正，得到基于地面校验后的三谱段图像灰度值比率和星对间的星角距匹配算法；
步骤四、在轨飞行后，首先将三谱段图像进行融合形成高分辨率的全色黑白图像，采用传统的星对间的星角距匹配算法，进行星识别，将实际在轨测试得到的三谱段图像灰度值比率和基于地面校验后的三谱段图像灰度值比率进行比较，根据实际测试结果对基于地面校验后的彩色星库中的三谱段的图像灰度值比率进一步校正；经在轨校正后，基于在轨校验后的三谱段图像灰度值比率和星对间的星角距匹配算法进行星识别，采用将三谱段图像进行融合形成高分辨率的全色黑白图像再进行质心提取，提高质心提取的精度。
2.根据权利要求1所述的高精度三谱段彩色星敏感器的实现方法，其特征在于，步骤一中确定探测的星等，根据观测星的光谱特性在已有星库内增加可探测星等范围内各星的光谱信息，构建彩色星库。
3.根据权利要求1所述的高精度三谱段彩色星敏感器的实现方法，其特征在于，步骤三中在地面采用不同的模拟星来进行辐射定标时，探测的星数n的范围在20至200之间；步骤四中，采用传统的星对间的星角距匹配算法，进行星识别时，星数m在20至150之间。
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