CN110702099B - 高动态范围恒星探测成像方法及星敏感器 - Google Patents

高动态范围恒星探测成像方法及星敏感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高动态范围恒星探测成像方法及星敏感器，其中的探测成像方法包括：S1、用分光棱镜将光学镜头收集的星光能量按能量比例分配为至少两条不同响应度的光路；S2、至少两条不同响应度的光路分别通过一路图像传感器同步进行光电转换，形成不同响应度的低动态范围图像；S3、通过图像处理与控制电路提取出各幅低动态范围图像内不同亮度等级的恒星的有效灰度信息，合成高动态范围的数字星图。利用本发明能够实现星敏感器的高灵敏度、高分辨率、高动态范围的恒星探测。

Description

高动态范围恒星探测成像方法及星敏感器
技术领域
本发明涉及姿态测量敏感设备及星敏感器技术领域，特别涉及一种高动态范围恒星探测成像方法及星敏感器。
背景技术
星敏感器的测量原理是通过对星空成像来测量恒星矢量在星敏感器坐标系中的分量，再利用已知恒星精确位置来确定载体相对于惯性坐标系的三轴姿态。星敏感器以探测恒星作为测量基础，其通过光学***和图像传感器进行恒星探测，以保证视场内有足够的可用星数目，再进行目标提取、星识别、姿态计算等信息处理。当星敏感器的探测极限星等不高时，通过增加视场可保证足够的可用星数目，这时图像传感器的成像动态范围尚可满足同时探测亮星和暗星的需要。但在一些应用领域中，小视场的星敏感器的测量精度更高，这时就需要提高星敏感器的灵敏度和探测极限星等来保证可用星数目，此时需要探测的恒星亮度范围将超出图像传感器本身的动态范围，同一幅图像内无法兼顾亮星和暗星，造成星图中亮星灰度饱和或暗星不可见的情况，不利于星图的目标提取和星识别。
当亮星和暗星出现在同一幅图像中时，要求星敏感器具备高动态范围(HighDynamic Range，HDR)的成像能力。对于图像传感器来说，动态范围可定义为最大不饱和的输入信号与最小可检测的输入信号之比。对于星敏感器来说，动态范围可理解为可探测到的最亮不饱和恒星辐照度与可探测最暗恒星辐照度之比。按照这样的定义，以恒星星等作为目标能量衡量标准，假设恒星探测范围从-1等到13等，则要求的成像动态范围已达112dB。目前在世界范围内，图像传感器(成像器件)所能达到的最高动态范围一般为90dB左右，只凭借成像器件自身特性难以实现这样的超大动态范围成像。而在HDR成像领域常用的多次曝光合成法需对同一场景分时多次曝光，该方法时间分辨率会下降，导致星敏感器数据更新率降低，且易在HDR图像上产生伪像，不适合高动态载体测姿。数字微镜器件成像法、探测器像元合成法等方法虽然能够扩展成像动态范围，但是都有其局限性，不适合在星敏感器中应用。因此要实现星敏感器的高动态范围恒星探测，需要一种全新的星敏感器设计思路。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，提供一种高动态范围恒星探测成像方法及星敏感器。本发明可在不降低空间分辨率和时间分辨率的前提下，获取高动态范围的数字星图，使星敏感器可对亮星和暗星在同一幅星图中进行有效探测。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种高动态范围恒星探测成像方法，包括如下步骤：
S1、用分光棱镜将光学镜头收集的星光能量按能量比例分配为至少两条不同响应度的光路；
S2、至少两条不同响应度的光路分别通过一路图像传感器同步进行光电转换，形成不同响应度的低动态范围图像；
S3、通过图像处理与控制电路提取出各幅低动态范围图像内不同亮度等级的恒星的有效灰度信息，合成高动态范围的数字星图。
优选地，各图像传感器以积分时间中点在时间上对齐进行同步曝光获得不同响应度的图像。
优选地，通过分光棱镜镀膜改变各光路的能量比例，控制各路图像传感器所接收的光路的能量比例，获得多幅不同响应度范围的低动态范围图像。
优选地，通过各路图像传感器以不同曝光参数，来获得多幅不同响应度范围的低动态范围图像。
优选地，采用多个分辨率与像元尺寸相同而灵敏度不同的同系列图像传感器获得多幅不同响应度范围的低动态范围图像。
优选地，图像处理与控制电路在合成数字星图之后，对数字星图进行星识别和姿态计算，最后进行通信组帧形成姿态数据。
本发明还提供一种用于恒星探测的星敏感器，包括光学镜头、分光棱镜和电子学***；其中，
光学镜头用于收集某一天区的星光能量；
分光棱镜用于将光学镜头收集的星光能量按能量比例分配为至少两条不同响应度的光路；
电子学***包括与分光棱镜分出的光路数量相同的图像传感器和图像处理与控制电路，各路图像传感器用于同步对与之相应的光路进行光电转换形成不同响应度的低动态范围图像；图像处理与控制电路用于对不同响应度的低动态范围图像进行数据融合提取出各幅低动态范围图像内不同亮度等级的恒星的有效灰度信息，合成高动态范围的数字星图。
优选地，图像传感器为科学级CMOS传感器。
优选地，电子学***还包括接口电路，用于对外输出图像处理与控制电路对数字星图进行星识别、姿态计算和通信组帧形成的姿态数据。
优选地，图像处理与控制电路为FPGA搭配DDR的架构。
本发明能够取得以下技术效果：
1、本发明提供的星敏感器可同时获取亮星与暗星的灰度信息，避免因成像动态范围不足而造成亮星饱和丢失灰度信息的问题。
2、与分时多次曝光的方式不同，本发明采用多个图像传感器同时刻对同一星空进行曝光，以解决时间分辨率会降低的问题，适用于载体运动条件下的测量。
3、本发明没有进行像元级的光学调制或合成，空间分辨率没有降低，能够获取高灵敏度、高分辨率、高动态范围的恒星图像。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的用于恒星探测的星敏感器的逻辑结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的用于恒星探测的星敏感器的工作原理示意图。
图3是根据本发明一个实施例的高动态范围恒星探测成像方法的流程示意图。
其中的附图标记包括：遮光罩200、光学镜头201、分光棱镜202、低响应度光路203、高响应度光路204、L传感器205、H传感器206、图像处理与控制电路207、接口电路208。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
参考图1和图2所示，本发明实施例提供了一种用于恒星探测的星敏感器，包括：光学镜头201、分光棱镜202和电子学***，光学镜头201用于收集某一天区的星光能量。分光棱镜202用于将光学镜头201收集的星光能量按能量比例分配为至少两条不同响应度的光路。电子学***包括图像传感器和图像处理与控制电路，图像传感器的数量与分光棱镜分出的光路数量相同，即一条光路对应一个图像传感器，各路图像传感器用于同步对与之相应的光路进行光电转换形成不同响应度的低动态范围图像，本发明要求各路图像传感器始终以积分时间中点在时间上对齐进行同步曝光，以解决时间分辨率降低的问题，图像传感器优选为科学级CMOS传感器；图像处理与控制电路207用于对不同响应度的低动态范围图像进行数据融合提取出各幅低动态范围图像内不同亮度等级的恒星的有效灰度信息，合成高动态范围的数字星图。
进一步的，可实现高动态范围恒星探测的星敏感器还包括机械结构，该机械结构包括壳体和分别安装于壳体内的光学镜头基座、分光棱镜基座和电路板固定框，光学镜头安装在光学镜头基座上，分光棱镜安装在分光棱镜基座上，电子学***安装在电路板固定框上。
作为优选的实施方式，在光学镜头201的前端安装一个遮光罩200，遮光罩200用于抑制太阳、月亮的杂散光线进行光学镜头201。
下面以分光棱镜202分出两条光路为例进行说明，分出更多光路同理可得。
分光棱镜202分出的两条光路分别为低响应度光路203(以下简称为L光路)和高响应度光路204(以下简称为H光路)，H光路204分配的能量大于L光路203分配的能量。与L光路203相对应的是低响应度图像传感器205(以下简称为L传感器)，用于对L光路203进行光电转换，形成低响应度的图像(以下简称为L图像)。与H光路204相对应的是高响应度图像传感器206(以下简称为H传感器)，用于对H光路204进行光电转换，形成高响应度的图像(以下简称为H图像)，H图像和L图像均为低动态范围图像。
图像处理与控制电路207用于使用数据融合方法对L图像和H图像进行数据融合提取出L图像和H图像内高亮度等级和低亮度等级的恒星的有效灰度信息，将其合成为一幅高动态范围的数字星图，该数字星图即为恒星图像。本发明通过同时获取高亮度等级与低亮度等级的恒星的灰度信息，避免成像动态范围不足而造成亮星饱和丢失灰度信息的问题。
在本发明的一个具体实施例中，图像处理与控制电路207采用FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)搭配DDR(Double Data Rate，双倍速率同步动态随机存储器)的架构来实现数据计算功能，对L图像和H图像进行数据融合提取出L图像和H图像内恒星的有效灰度信息，将其合成为一幅高动态范围的数字星图的具体计算过程为现有技术，故在此不再赘述。
本发明可以通过如下三种方式调节L光路203和H光路204的能量分配：
第一种方式
通过在分光棱镜202上镀膜改变L光路203和H光路204的能量比例，从而实现对L传感器205和H传感器206所接收的光路的能量比例的控制，获得多幅不同响应度范围的低动态范围图像。
第二种方式
通过L传感器205和H传感器206以不同的曝光参数，实现灵敏度的控制，来获得两幅不同响应度范围的低动态范围图像。例如：如H光路204采用高增益拍摄，L光路203采用低增益拍摄，从而获取两幅响应度不同的低动态范围图像。
第三种方式
L传感器205和H传感器206采用两个分辨率与像元尺寸相同而灵敏度不同的同系列图像传感器，获得两幅不同响应度范围的低动态范围图像。
需要说明的是，低动态范围可能被积分时间限制，可通过改变光学镜头口径的方式来缩短图像传感器的积分时间，进而获得合适的低动态范围，使各路图像传感器获得合适的低动态范围图像。
在本发明的另一个具体实施例中，在确定了L光路与H光路的分光能量占比和积分时间等参数后，可以根据具体型号的图像传感器的量子效率等指标计算出L图像与H图像的极限探测星等和临近饱和星等，从而确定出星敏感器的动态范围。
图像处理与控制电路在合成数字星图之后，还对数字星图进行星识别和姿态计算，最后进行通信组帧形成姿态数据。在本发明的一些具体实施例中，电子学***还包括接口电路208，姿态数据最终通过接口电路208对外输出，接口电路208为现有技术，故在此不再赘述。
本发明工作原理如下：高动态范围恒星探测星敏感器采用共光路的分光棱镜来产生同一场景同一时刻的多条光路，每条光路都通过单独对应的图像传感器进行光电转换，获得多幅低动态范围图像，再将多幅低动态范围图像使用数据融合方法提取出各幅图像内不同亮度等级的恒星的有效灰度信息，将其合成为一幅数字星图，已获得恒星图像。由于本发明没有进行像元级的光学调制或合成，空间分辨率没有降低，能够获取高灵敏度、高分辨率、高动态范围的恒星图像。
上述内容详细说明了本发明实施例提供的用于恒星探测的星敏感器结构，与星敏感器相对应，本发明还提供一种利用星敏感器对恒星进行高动态范围的探测成像方法。
本发明实施例提供的高动态范围恒星探测成像方法，包括如下步骤：
步骤1、用分光棱镜将光学镜头收集的星光能量按能量比例分配为至少两条不同响应度的光路。
将多条光路按照不同能量比例分配能力是为了经图像传感器进行光电转换后，获得不同响应度的图像，以提取出各响应度图像内的高亮度等级和低亮度等级的恒星的有效灰度信息。
步骤2、至少两条不同响应度的光路分别通过一路图像传感器同步进行光电转换，形成不同响应度的低动态范围图像。
通过调节每条光路的能量分配比例，可以获得不同响应度范围的低动态范围图像。
本发明实施例可以通过如下三种方式调节每条光路的能量分配：
第一种方式
通过在分光棱镜上镀膜改变各条光路的能量比例，从而实现对各路图像传感器所接收的光路的能量比例的控制，获得多幅不同响应度范围的低动态范围图像。
第二种方式
通过各路图像传感器以不同的曝光参数，实现灵敏度的控制，来获得多幅不同响应度范围的低动态范围图像。例如：如H光路采用高增益拍摄，L光路采用低增益拍摄，从而获取两幅响应度不同的低动态范围图像。
第三种方式
各路图像传感器采用多个分辨率与像元尺寸相同而灵敏度不同的同系列图像传感器，获得多幅不同响应度范围的低动态范围图像。
需要说明的是，低动态范围可能被积分时间限制，可通过改变光学镜头口径的方式来缩短图像传感器的积分时间，进而获得合适的低动态范围，使各路图像传感器获得合适的低动态范围图像。
步骤3、通过图像处理与控制电路提取出各幅低动态范围图像内不同亮度等级的恒星的有效灰度信息，合成高动态范围的数字星图。
图像处理与控制电路在合成数字星图之后，还对数字星图进行星识别和姿态计算，最后进行通信组帧形成姿态数据。该姿态数据最终通过接口电路对外输出。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高动态范围恒星探测成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、用分光棱镜将光学镜头收集的星光能量按能量比例分配为至少两条不同响应度的光路；
S2、所述至少两条不同响应度的光路分别通过一路图像传感器同步进行光电转换，形成不同响应度的低动态范围图像；各路图像传感器以积分时间中点在时间上对齐进行同步曝光获得不同响应度的图像；
S3、通过图像处理与控制电路提取出各幅低动态范围图像内不同亮度等级的恒星的有效灰度信息，合成高动态范围的数字星图。
2.根据权利要求1所述的高动态范围恒星探测成像方法，其特征在于，通过分光棱镜镀膜改变各光路的能量比例，控制各路图像传感器所接收的光路的能量比例，获得多幅不同响应度范围的低动态范围图像。
3.根据权利要求1所述的高动态范围恒星探测成像方法，其特征在于，通过各路图像传感器以不同曝光参数，来获得多幅不同响应度范围的低动态范围图像。
4.根据权利要求1所述的高动态范围恒星探测成像方法，其特征在于，采用多个分辨率与像元尺寸相同而灵敏度不同的同系列图像传感器获得多幅不同响应度范围的低动态范围图像。
5.根据权利要求1所述的高动态范围恒星探测成像方法，其特征在于，所述图像处理与控制电路在合成所述数字星图之后，对所述数字星图进行星识别和姿态计算，最后进行通信组帧形成姿态数据进行输出。
6.一种用于恒星探测的星敏感器，其特征在于，包括光学镜头、分光棱镜和电子学***；其中，
所述光学镜头用于收集某一天区的星光能量；
所述分光棱镜用于将所述光学镜头收集的星光能量按能量比例分配为至少两条不同响应度的光路；
所述电子学***包括与所述分光棱镜分出的光路数量相同的图像传感器和图像处理与控制电路，各路图像传感器用于同步对与之相应的光路进行光电转换形成不同响应度的低动态范围图像；各路图像传感器以积分时间中点在时间上对齐进行同步曝光获得不同响应度的图像；所述图像处理与控制电路用于对不同响应度的低动态范围图像进行数据融合提取出各幅低动态范围图像内不同亮度等级的恒星的有效灰度信息，合成高动态范围的数字星图。
7.根据权利要求6所述的用于恒星探测的星敏感器，其特征在于，所述图像传感器为科学级CMOS传感器。
8.根据权利要求7所述的用于恒星探测的星敏感器，其特征在于，所述电子学***还包括接口电路，用于对外输出所述图像处理与控制电路对所述数字星图进行星识别、姿态计算和通信组帧形成的姿态数据。
9.根据权利要求6所述的用于恒星探测的星敏感器，其特征在于，所述图像处理与控制电路为FPGA搭配DDR的架构。
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