CN102175262A - 一种基于dmd的动态多星星图模拟器及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于DMD的动态多星星图模拟器及其模拟方法。由数据处理单元、DMD驱动及处理单元、DMD单元、镜头单元和色轮单元组成的，数据处理单元分别连接DMD驱动及处理单元和色轮单元，DMD驱动及处理单元连接DMD单元，DMD单元分别连接镜头单元和色轮单元。模拟方法分为开环模式和闭环模式；开环模式测试星敏感器光学测试、电路测试和算法测试；闭环模式是系统算法测试和任务运行。本发明采用全数字反射式投影技术，使图像的灰度等级提高，图像噪声消失，画面质量稳定，数字图像非常精确。

Description

一种基于DMD的动态多星星图模拟器及其模拟方法

(一)技术领域

本发明涉及空间技术，具体说就是一种基于DMD的动态多星星图模拟器及其模拟方法。

(二)背景技术

多星模拟器(动态多星模拟)模拟一定视场的无穷远平行光图像。结合多星模拟软件，主要用于检测星敏感器成像、星图识别、星跟踪、姿态计算等功能指标是否正常，可模拟空间恒星的相对星等和星间角距，构成检测用星图。配备软件可具备动态闭环功能，用于系统半物理模拟试验及装星闭环处理。星模拟器的主要任务是在实验室里建立星敏感器地面标定和系统联试所用的模拟星辐射源。同模拟其它天体一样，使用者总是希望能在实验室内有一台真实反映天体辐射特性的装置。原民德蔡司联合体研制的多光管式星模拟器，这套系统采用4个准直光管，在各自焦面上放置一定大小的针孔，光源照明后可产生16个模拟星像，用以验证敏感器参数稳定性和设计的合理性。星模拟器是固定放置的，采用微调机构达到在每个光管焦面场内小范围移动星点位置的目的。美国伊思曼柯达公司为NASA研制的星模拟器。它是用三根布置成等腰三角形的光纤将色温各异的光引到准直光管焦面上，模拟三个星点像，每个光路中可加各种不同的滤光片，模拟星等为2-8等，三个星点分别具有三种典型色温恒星的光谱分布，三只星点放置在一个用激光干涉仪定位的精密工作台上(精度0.1μm，分辨率0.01μm)。通过移动工作台，改变星点在视场内的位置，可完成部分星场模拟，以对星敏感器进行功能检测。以上两个系统主要对星敏感器进行静态测试，其体积庞大，且不能实时闭环工作。美国休斯公司研制了一种星场模拟器。它采用了先进的液晶光阀技术，由计算机给出的模拟星图实时地送到高分辨率液晶显示屏上，照明系统照亮液晶屏产生模拟星点，再由光管送到星敏感器以完成其上星图位置的比较测量，从而达到校正飞行器姿态的目的。国内从七十年代末开始在星模拟器方面进行探索性研究，在八十年代主要集中于单星模拟器方面的研制，即以像点质量、光谱型、绝对光度等技术参数作为研制对象。在进入九十年代后随着我国星敏感器研究的发展和日益完善，加之图形显示器件产品的发展也日益成熟，开始在星场模拟方面作了大量的工作。“八五”期间，北京控制工程研究所成功研制了采用TFT式便携式计算机液晶显示器作为星图生成器的第一代全天球实时恒星模拟器。该模拟器视场角为6°×6°，单星位置精度在30″以内，实时全轨道星模拟器的识别精度达σ≤10″。由于TFT式有源液晶显示器的显示屏比较大，故第一代恒星模拟器体积大、精度差，使用操作不方便。1995年，北京控制工程研究所和中科院光电所共同完成的动态星模拟器，该模拟器视场角为6.5°×5°，单星位置精度在30″以内，星等范围为2-6.5等星，重量达5公斤，该星模拟器的星图显示器件采用液晶光阀实现了小型化。由于单片液晶光阀的象元数不够，无法达到视场和分辨率要求，故型动态星模拟器设计中通过拼接两片液晶光阀的方法来满足视场及分辨率要求。西南科技大学研制的多星模拟器。采用TFT-LCD液晶光阀板作为星图显示器件，视场大小为16.2°×12.1°，星间角距误差小于40“，重量小于3kg，具有小型轻量化的特点。这些传统的星模拟器的现实方式几乎都采用了液晶光阀，由于液晶光阀存在以下缺点：响应时间比较长，因此在动态图像方面的表现不理想；对比度差，星等显示精度差，模拟星等范围小；显示屏比较脆弱，容易受到损伤，这就提高了星模拟器的使用和维护难度；在工艺上较难做大(主要是大屏幕成品率低)，因而星模拟器价格昂贵。从而不能满足当前星模拟器高精度、星等范围宽、高动态、长寿命等要求。由于航天实验费用昂贵，星敏感器的地面调试、软件算法的最初模拟，不可能都进行实时星空拍摄，因此为了调试和评价星图识别算法，有必要利用计算机在地面上模拟生成星敏感器实时拍摄到的星空图片。星图模拟器的发展趋势是往小型化、高精度、大视场、多参数、高可靠性方向发展。而目前我国特别是在小型化、高精度等方面受到选用星图显示核心器件不够理想的影响。在传统的显示方式中，无论是阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)，还是电致发光(EL)、等离子体显示板(PDP)等，最后的显示输出环节都是以模拟方式进行的。由于在视频显示前都要进行D/A转换，从而给系统增加了噪声，降低了信噪比。而随着星敏感器的发展，信噪比。而随着星敏感器的发展，对星图图像的要求越来越高：单星张角小，星间角距精度高，具有较大动态范围和足够高对比度的光学特性，以及较高的星图刷新频率和响应时间，而且重量轻，体积要求小，这些指标对星图动态显示系统中所采用的星图显示器件提出了较高的要求。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种基于DMD的动态多星星图模拟器及其模拟方法。

本发明的目的是这样实现的：所述的基于DMD的动态多星星图模拟器是由数据处理单元、DMD驱动及处理单元、DMD单元、镜头单元和色轮单元组成的，数据处理单元分别连接DMD驱动及处理单元和色轮单元，DMD驱动及处理单元连接DMD单元，DMD单元分别连接镜头单元和色轮单元。

由基于DMD的动态多星星图模拟器实现的模拟方法分为开环模式和闭环模式；开环模式下主要测试星敏感器光学测试、电路测试和算法测试；星图控制器根据用户输入的飞行器初始轨道参数、飞行器轨道坐标系下的初始三轴姿态、飞行器姿态角速度，计算任何时刻的飞行器轨道参数和飞行器的三轴姿态角；根据计算得到的任何时刻的飞行器轨道参数和飞行器的三轴姿态角计算该时刻下星敏感器在惯性坐标系中的三轴姿态，星图控制器根据惯性坐标系中的姿态信息，从星表中搜索出星敏感器视场内的所有恒星，同时计算这些恒星在像平面的坐标，并根据这些坐标生成一幅完整的星图，把星图数据通过显示电路和数据接口发送给基于DMD的动态多星星图模拟器的数据处理部分，数据处理部分把星图转换为RGB信号，发送给DMD驱动处理单元，同时数据处理单元给色轮发送控制信号，DMD投影系统驱动电路只有在探测到色轮反馈信号后才能正常工作，否则保持待机状态，DMD芯片接收到图像信号后，投影到镜头，经过镜头后显示为一幅平行光的星图，星敏感器拍摄到星图后，从星敏感器拍摄到的星图中提取星像坐标，然后进行识别和姿态计算，用星敏感器输出的姿态信息和星图控制器的姿态来测试星敏感器的功能；

闭环模式下主要是系统算法测试和任务运行；星图控制器从动力学仿真计算机中接收到星敏感器在惯性坐标系中的三轴姿态，星图控制器根据惯性坐标系中的姿态信息，从星表中搜索出星敏感器视场内的所有恒星，同时计算这些恒星在像平面的坐标，并根据这些坐标生成一幅完整的星图，并按照上述过程把星图数据转化为平行光，星敏感器拍摄到星图后，从星敏感器拍摄到的星图中提取星像坐标，然后进行识别和姿态计算，并把姿态信息发送给导航计算机，导航计算机接收到星敏感器姿态信息后，根据算法把计算结果发送给执行器，执行器把相应的结果发送给动力学仿真计算机，动力学仿真计算机根据执行器的结果，又经过运算，计算出新的姿态信息，并把姿态信息发送给星图控制器。

本发明一种基于DMD的动态多星星图模拟器及其模拟方法，具有以下特点：采用的DMD显示技术是一种全数字反射式投影技术；第一：其特点是数字优势。数字技术的采用，使图像的灰度等级提高，图像噪声消失，画面质量稳定，数字图像非常精确。其次是反射优势，反射式DMD器件的应用，使成像器件的总光效大大提高，对比度、亮度、均匀度都非常出色。DLP投影机清晰度高、画面均匀、色彩锐利，三片机可达到很高的亮度，且可随意变焦，调整十分方便。第二：使成像器件的总光效率达60％以上，远远高于透射式LCD液晶投影方式，对比度和亮度的均匀性都非常出色。第三：DLP投影机灯泡寿命长，不存在LCD投影机由于工作环境温度高而出现液晶板老化等问题。

(四)附图说明

图1为采用液晶光阀的星模拟器原理图；

图2为本发明的开环工作过程方框图；

图3为本发明的闭环工作过程方框图；

图4为本发明的基于LCD的动态多星星模拟器显示星图；

图5为本发明的基于DMD的动态多星星图模拟器显示星图；

图6为本发明的基于DMD的动态多星星图模拟器原理图；

图7为一种基于DMD的动态多星星图模拟器方案图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图2、图3，本发明一种基于DMD的动态多星星图模拟器，它是由数据处理单元、DMD驱动及处理单元、DMD单元、镜头单元和色轮单元组成的，数据处理单元分别连接DMD驱动及处理单元和色轮单元，DMD驱动及处理单元连接DMD单元，DMD单元分别连接镜头单元和色轮单元。一种由基于DMD的动态多星星图模拟器实现的模拟方法有两种工作方式：开环模式和闭环模式；

开环模式下主要测试星敏感器光学测试、电路测试和算法测试；星图控制器根据用户输入的飞行器初始轨道参数、飞行器轨道坐标系下的初始三轴姿态、飞行器姿态角速度，计算任何时刻的飞行器轨道参数和飞行器的三轴姿态角；根据计算得到的任何时刻的飞行器轨道参数和飞行器的三轴姿态角计算该时刻下星敏感器在惯性坐标系中的三轴姿态，星图控制器根据惯性坐标系中的姿态信息，从星表中搜索出星敏感器视场内的所有恒星，同时计算这些恒星在像平面的坐标，并根据这些坐标生成一幅完整的星图，把星图数据通过显示电路和数据接口发送给基于DMD的动态多星星图模拟器的数据处理部分，数据处理部分把星图转换为RGB信号，发送给DMD驱动处理单元，同时数据处理单元给色轮发送控制信号，DMD投影系统驱动电路只有在探测到色轮反馈信号后才能正常工作，否则保持待机状态，DMD芯片接收到图像信号后，投影到镜头，经过镜头后显示为一幅平行光的星图，星敏感器拍摄到星图后，从星敏感器拍摄到的星图中提取星像坐标，然后进行识别和姿态计算，用星敏感器输出的姿态信息和星图控制器的姿态来测试星敏感器的功能；

闭环模式下主要是系统算法测试和任务运行；星图控制器从动力学仿真计算机中接收到星敏感器在惯性坐标系中的三轴姿态，星图控制器根据惯性坐标系中的姿态信息，从星表中搜索出星敏感器视场内的所有恒星，同时计算这些恒星在像平面的坐标，并根据这些坐标生成一幅完整的星图，并按照上述过程把星图数据转化为平行光，星敏感器拍摄到星图后，从星敏感器拍摄到的星图中提取星像坐标，然后进行识别和姿态计算，并把姿态信息发送给导航计算机，导航计算机接收到星敏感器姿态信息后，根据算法把计算结果发送给执行器，执行器把相应的结果发送给动力学仿真计算机，动力学仿真计算机根据执行器的结果，又经过运算，计算出新的姿态信息，并把姿态信息发送给星图控制器。

实施例2：结合图2-图7，本发明所述的一种基于DMD的动态多星星图模拟器的主要性能指标：显示视场：16°×12°，显示星图大小：1920×1080，光谱范围：可见光波段0.42μm-0.75μm；选取的DMD芯片尺寸：6.45μm×6.45μm，对比度：6000∶1，模拟星等：0-9等，图像显示刷新频率：50-80Hz；

利用某型号的星敏感器拍摄该星模拟器生成的星图如图5，用该星敏感器拍摄基于LCD的动态多星星模拟器产生的星图如图4。

由于基于DMD的动态多星星图模拟器采用的是数字技术，因此输入信号不需要经过数模转换就能直接调制生成星图，因此信号的中间处理环节减少之后，星图信号的衰减幅度就会很自然地要减少很多，最终的结果使图像的灰度等级提高，图像噪声消失，画面质量稳定，数字图像非常精确，同时由于成像器件的总光效大大提高，对比度、亮度、均匀度都非常出色，克服了CRT、LCD投影机显示画面中间亮、四周暗的缺点，从图4、图5可以看出，星敏感器拍摄基于LCD动态多星星模拟器显示的星图背景包含了多种噪声，特别是拍摄图像边沿恒星的能量明显下降(如图4右上角的恒星明显比其它恒星暗)，而星敏感器拍摄基于DMD动态多星星模拟器显示的星图确没有任何噪声。

实施例3：结合图6，本发明采用单片DMD式动态多星星图模拟器，包括有一彩色色轮，色轮上被分割成红、绿、蓝三个区域。工作时，该盘高速旋转，借助时分方案(time-sharing formula)，光透过此转盘会分为红、绿、蓝三色光，随后再被反射到按时分方案运行的DMD上，最终投影到星敏感器的星图最多可达上千万种颜色。很明显，这一系统的色彩重现质量主要取决于彩色转盘的性能。由于单片DMD式的现实系统提供高对比度、高分辨率与灿烂鲜亮的星图效果，而且基于DMD式动态多星星图模拟器的外型相对比较小，重量轻，消耗功率也不大。模拟器的核心部分包括：光源、光学棱镜、色轮、DMD以及相应的驱动、投物镜等。

实施例4：结合图7，本发明所述的基于DMD的动态多星星图模拟器包含两部分：第一部分是系统控制模块，即模块1，作用是由FPGA芯片，采用Verilog语言处理产生星图部分通过VGA接口发送来的实时星图数据，并实时地把星图数据转换为的RGB图像信号；第二部分是DMD驱动模块，即模块2，主要包括原星图模拟器中DMD芯片驱动的部分，作用是将RGB图像信号加载在DMD芯片上形成阵列翻转。系统控制模块主要由FPGA芯片构成，主要完成通过VGA接口，从产生星图部分发送来的实时星图数据，并进行解压缩和校验处理，以RGB图像形式产生DMD阵列翻转图像，同时，FPGA芯片在初始化程序中通过对相应寄存器修改来适应系统的动态性能，并为后继DMD驱动模块提供启动信号和伪色轮信号等控制信号。

Claims (2)

1.一种基于DMD的动态多星星图模拟器，它是由数据处理单元、DMD驱动及处理单元、DMD单元、镜头单元和色轮单元组成的，其特征在于：数据处理单元分别连接DMD驱动及处理单元和色轮单元，DMD驱动及处理单元连接DMD单元，DMD单元分别连接镜头单元和色轮单元。

2.一种由权利要求1所述的基于DMD的动态多星星图模拟器实现的模拟方法，其特征在于：基于DMD的动态多星星图模拟器的工作方式有两种：开环模式和闭环模式；

开环模式下主要测试星敏感器光学测试、电路测试和算法测试；星图控制器根据用户输入的飞行器初始轨道参数、飞行器轨道坐标系下的初始三轴姿态、飞行器姿态角速度，计算任何时刻的飞行器轨道参数和飞行器的三轴姿态角；根据计算得到的任何时刻的飞行器轨道参数和飞行器的三轴姿态角计算该时刻下星敏感器在惯性坐标系中的三轴姿态，星图控制器根据惯性坐标系中的姿态信息，从星表中搜索出星敏感器视场内的所有恒星，同时计算这些恒星在像平面的坐标，并根据这些坐标生成一幅完整的星图，把星图数据通过显示电路和数据接口发送给基于DMD的动态多星星图模拟器的数据处理部分，数据处理部分把星图转换为RGB信号，发送给DMD驱动处理单元，同时数据处理单元给色轮发送控制信号，DMD投影系统驱动电路只有在探测到色轮反馈信号后才能正常工作，否则保持待机状态，DMD芯片接收到图像信号后，投影到镜头，经过镜头后显示为一幅平行光的星图，星敏感器拍摄到星图后，从星敏感器拍摄到的星图中提取星像坐标，然后进行识别和姿态计算，用星敏感器输出的姿态信息和星图控制器的姿态来测试星敏感器的功能；

闭环模式下主要是系统算法测试和任务运行；星图控制器从动力学仿真计算机中接收到星敏感器在惯性坐标系中的三轴姿态，星图控制器根据惯性坐标系中的姿态信息，从星表中搜索出星敏感器视场内的所有恒星，同时计算这些恒星在像平面的坐标，并根据这些坐标生成一幅完整的星图，并按照上述过程把星图数据转化为平行光，星敏感器拍摄到星图后，从星敏感器拍摄到的星图中提取星像坐标，然后进行识别和姿态计算，并把姿态信息发送给导航计算机，导航计算机接收到星敏感器姿态信息后，根据算法把计算结果发送给执行器，执行器把相应的结果发送给动力学仿真计算机，动力学仿真计算机根据执行器的结果，又经过运算，计算出新的姿态信息，并把姿态信息发送给星图控制器。

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