CN102252678A - 高动态高更新率星敏感器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态高更新率星敏感器及其实现方法，包括：将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理，将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；将电学信号星图进行高动态质心定位处理；将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，输出计算结果。采用本发明，能使星敏感器具有高动态、高姿态更新率的性能。

Description

高动态高更新率星敏感器及其实现方法

技术领域

本发明涉及航天器姿态测量技术，特别是指一种高动态高更新率星敏感器及其实现方法。

背景技术

星敏感器(Star Sensor)是当今航天飞行器中广泛采用的一种高精度、高可靠性的姿态测量部件。随着科学技术的发展，航天器的机动性越来越高，对星敏感器的性能要求也就越来越高，而目前的星敏感器存在动态性能较低、姿态更新率不高的缺点，因此，无法满足未来航天器姿态测量的需要。

星敏感器动态性能较低、以及姿态更新率不高是受多方面因素影响的，具体分析如下：

第一，一方面，为了达到较高的星等探测能力，需要较长的曝光时间，但是，长时间的曝光会造成星点成像产生拖影，并使星点能量分散，从而造成星等探测能力下降、视场内所能敏感到的恒星数目减少，以至不能满足识别要求；同时，曝光时间的增加会直接影响到姿态更新率的提升。另一方面，缩短曝光时间虽然可以减少恒星成像拖影、减少能量分散的影响，同时可以提高姿态更新率，但是，缩短曝光时间就意味着对暗星的探测能力减弱，会造成可敏感恒星数目减少。由于可敏感恒星数目由星等探测灵敏度以及视场大小来决定，因此，提高星等探测灵敏度、增加视场大小可以获得更多的恒星观测信息。

然而，对于现有的星敏感器来说，受体系结构及光学系统设计与加工能力的限制，星等探测灵敏度与视场大小成为互相影响和制约的两个因素。具体来说，在光学系统的相对孔径和图像传感器尺寸一定的情况下，视场大意味着焦距小，从而会造成星敏感器的通光孔径比较小，进而造成星等探测能力比较弱；反之，具有较高的星等探测能力通常就意味着较大的焦距、较大的通光孔径、以及较小的视场，同时还会增加光学成像系统的体积及重量，进而会极大地增加星敏感器的体积和重量。

第二，星图图像数据吞吐量大，数据处理能力存在瓶颈。以1024*1024分辨率的星图图像的处理为例，如果要实现50Hz的姿态更新率，则必须要求在1秒钟的时间内完成50M字节数据量的处理，这对现有的数据处理系统来说，是很大的处理量。

第三，现有的星图识别及星跟踪速度较慢，无法满足高更新率的要求。

因此，受上述三个方面的影响，当前主流星敏感器的动态范围一般不超过2°/s，静态情况下的极限敏感星等一般为5～6.5Mv，曝光时间一般为100～1000ms，姿态更新率一般不超过10Hz。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种能实现高动态、高姿态更新率的性能星敏感器及其实现方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种高动态高更新率星敏感器，包括：光学成像系统、以及图像传感器；该星敏感器还包括：像增强器、现场可编程门阵列(FPGA)信号处理单元、以及数字信号处理/精简指令集计算机(DSP/RISC)单元；其中，

像增强器，耦合于所述图像传感器前面；用于对光学成像系统得到的微弱光学信号星图进行像增强处理；

图像传感器，用于对像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；

FPGA信号处理单元，用于对电学信号星图进行高动态质心定位处理；

DSP/RISC单元，用于将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，输出计算结果。

上述方案中，所述像增强器包括：光阴极、微通道板(MCP，MicroChannelPlate)、以及荧光屏；其中，

光阴极，用于将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像；

MCP，用于将形成的电子像聚焦，并加速投射到荧光屏上，产生增强的电子像；

荧光屏，用于记录增强的电子像，形成增强的光学信号星图。

上述方案中，所述光阴极为多碱阴极；

所述MCP的最大亮度增益为8000倍；

所述荧光屏为P-22荧光屏。

上述方案中，所述多碱阴极为S-25+。

上述方案中，所述图像传感器为电荷耦合元件(CCD，Charge-CoupledDevice)图像传感器、或为互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary MetalOxide Semiconductor)图像传感器。

本发明还提供了一种高动态高更新率星敏感器的实现方法，该方法包括：

将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理，将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；

将电学信号星图进行高动态质心定位处理；

将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，之后利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，输出计算结果。

上述方案中，所述将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，为：

利用视场星点位置之间的联动关系，通过已识别出的星点在前k帧星图中的位置，经卡尔曼滤波器预测，估计视场中已识别出的星点在k+1帧的位置，在估计出的位置范围内进行跟踪；

并利用虚拟视场对新进入视场的星点进行快速判断和识别。

本发明提供的高动态高更新率星敏感器及其实现方法，将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理，将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；将电学信号星图进行高动态质心定位处理；将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，之后利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，如此，能使星敏感器具有高动态、高姿态更新率的优点。

除此以外，在设计星敏感器的各处理模块的参数时，通过对星敏感器全链路的数字建模仿真，对不同设计参数的星敏感器在不同运动参数条件下的工作特性进行全面仿真和分析，同时对星敏感器中各处理模块的各种参数进行优化设计，得到光学系统视场大小、口径大小、曝光时间、以及增益大小之间的最佳配合，如此，能实现短曝光下高灵敏度的探测。

附图说明

图1为本发明星敏感器的俯视结构示意图；

图2为本发明像增强器的结构示意图；

图3为本发明的星敏感器全链路数字仿真示意图；

图4为本发明星敏感器的实现方法流程示意图；

图5为本发明星跟踪的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

本发明提供的星敏感器，如图1所示，该星敏感器包括：光学成像系统11、像增强器12、图像传感器13、FPGA信号处理单元14、以及DSP/RISC单元15；其中，

光学成像系统11，用于将星体发射的光进行光学成像处理，得到微弱光学信号星图；

像增强器12，用于对光学成像系统11得到的微弱光学信号星图进行像增强处理；

图像传感器13，用于对像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；

FPGA信号处理单元14，用于对电学信号星图进行高动态质心定位处理；

DSP/RISC单元15，用于将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，并利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，输出计算结果。

其中，所述光学成像系统11与现有的星敏感器的光学成像系统相同。

所述像增强器12耦合于所述图像传感器13的前面，这里，所述前面是指将星敏感器平放后，从图像传感器13的方向看星敏感器的组成结构依次为：像增强器12耦合于所述图像传感器13的前面，光学成像系统11安置于像增强器12的前面。这里，耦合的方式可以通过光学镜头耦合，或者，通过光纤光锥耦合。

如图2所示，所述像增强器12包括：光阴极121、MCP 122、以及荧光屏123；其中，

光阴极121，用于将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像；

MCP 122，用于将形成的电子像聚焦，并加速投射到荧光屏123上，产生增强的电子像；

荧光屏123，用于记录增强的电子像，形成增强的光学信号星图。

其中，像增强器可进行几千倍的增益设置，能大大提高光信号的探测灵敏度，因此，像增强器具有探测灵敏度极高的特点，进而可以缩短曝光时间，将像增强器应用到星敏感器中，通过增加像增强器的增益，可以提高对弱星的探测能力，进而可以解决短曝光时间下的高灵敏度的星等探测问题。

现有的像增强技术主要应用在微光夜视上，像增强器12的光谱响应特性、增益特性、以及时间响应特性都是根据观察者的眼睛的特性设计的，因此，并不适合于星敏感器的应用。所以，本发明通过对像增强器12的光谱响应特性、增益特性、以及时间响应特性进行分析，设计出适合应用于星敏感器的像增强器12，具体实现原理是这样的：

第一，从光谱响应特性分析。所谓光谱响应特性是指：像增强器的响应能力与入射波长的对应关系，像增强器的光谱响应特性实际上是：光阴极的光谱响应特性，它决定了像增强器工作的光谱范围。另外，光谱响应特性还需要考虑光源与光阴极、光阴极与荧光屏、荧光屏与图像传感器之间在光谱上的匹配程度。其中，所述光源是指光学成像系统11形成的星体的光学图像。这里，首先分析光源与光阴极之间的光谱匹配，星敏感器的光源为恒星星光，恒星星光的特点是：信号弱，光谱范围为从紫外到近红外；其中，紫外恒星偏少，可以不作为光源考虑，可见光和近红外的恒星非常多，尤其是近红外的恒星，数目比可见光的恒星数目还多，非常适合作为星敏感器的探测目标，因此，要求光阴极121在可见光到近红外的光谱范围内，都要有好的光谱响应特性。光阴极的种类很多，常用的光阴极包括：银氧铯阴极、锑铯阴极、多碱阴极、负电子亲和势阴极、以及紫外阴极等，其中，多碱阴极不仅量子效率高，而且有宽带光谱响应范围，它的长波已扩展到0.9μm以上，所以，多碱阴极的光谱特性与恒星的光谱特性是最佳匹配，因此，本发明采用多碱阴极作为星敏感器的像增强器12中的光阴极121，进一步地，由于多碱阴极中的S-25+在常用的多碱阴极的基础上，增加了厚度，从而近一步增强了红光和红外光的光谱响应，因此，采用多碱阴极中的S-25+。

作为像增强器12中的光阴极121，从光阴极121与荧光屏123、荧光屏123与图像传感器13之间的光谱匹配考虑：需要选择合适的荧光屏类型，使得荧光屏123能与光阴极121、以及图像传感器13能很好的匹配。目前，荧光屏的类型比较多，通常，荧光屏类型的表示方法由P和数字构成，本发明中采用P-22荧光屏，这是因为：P-22荧光屏的光谱特性与S-25+的光谱特性匹配系数值为0.8，光谱匹配的非常好，同时，P-22荧光屏的发光峰值波长为550nm，这与图像传感器13的光谱也非常地匹配。本发明采用的光阴极和荧光屏类型，可使星敏感器的图像传感器13获得高的整体响应度，从而能保证高灵敏度的恒星探测。

第二，从增益特性分析。增益特性是像增强器非常重要的特性，正是因为像增强器具有增益特性，才使得整个星敏感器的探测灵敏度能极大提高，进而可以实现短时间曝光下的高灵敏度探测。像增强器的增益特性是通过MCP实现的，MCP是二维的电子图像倍增级。

对于星敏感器的应用而言，只需要在高动态下、在一定的视场下能观测到一定的星等，比如：在5°/s，10°×10°的条件下，能观测到6Mv星，就可以利用视场内可敏感恒星数目实现星图识别，因此，对于星敏感器中的像增强器12，增益值不需要达到它的最大增益阈值。而且，像增强器的增益越大，背景噪声也就越大，会造成得到的星图图像信噪比较差。因此，对于高动态高更新率的星敏感器，必须要对像增强器12的增益特性进行分析，在设计增益大小时，可以同时优化图像传感器13的曝光参数，在适当设计像增强器12的增益大小和图像传感器13的曝光参数的基础上，还可以进一步优化光学成像系统11的设计，比如：可以减小光学系统的口径，增大光学系统的视场等，以使设计出的星敏感器具有最佳性能。

图3示出星敏感器全链路数字仿真示意图，如图3所示，在进行分析时，需要根据星敏感器从成像到姿态输出的整个信号处理链路上的各处理模块分别建立对应的数学模型。其中，光学成像模型采用现有的针孔成像模型，在分析时，需要考虑光学镜头的孔径、镜头透过率、以及点扩散函数等特性，像增强模型考虑光谱响应特性、增益特性、背景特性、以及成像特性；光电转换模型考虑积分时间、量子效率、填充因子、光谱响应、以及转换函数等因素的影响；像增强模型及光电转换模型如下式：

$B={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{L}_S\left(\mathrm{\λ}\right)t_a\left(\mathrm{\λ}\right)t_o\left(\mathrm{\λ}\right)R_C\left(\mathrm{\λ}\right)R_M{\mathrm{\η}}_S\left(\mathrm{\λ}\right)R_{\mathrm{CCD}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

其中，L_S(λ)为星体光辐射亮度，t_a(λ)为大气的光谱传输特性，t_o(λ)为成像光学系统的光谱透射率，R_C(λ)为光阴极的光谱响应率，R_M为MCP的增益，η_S(λ)为荧光屏的光谱量子效率，R_CCD(λ)为CCD量子效率，λ₁、λ₂为光阴极的上下响应截至波长。

星图处理、星图识别、以及姿态计算的模型均采用星敏感器现有的技术。通过对高动态星敏感器全链路的数字建模仿真，对不同设计参数的星敏感器在不同运动参数条件下的工作特性进行全面仿真和分析，同时对星敏感器中各处理模块的各种参数进行优化设计，得到光学系统视场大小、口径大小、曝光时间、以及增益大小之间的最佳配合，实现短曝光下高灵敏度的探测。这里，根据仿真实验结果，建议MCP122的最大亮度增益为8000倍。

第三，从时间响应特性分析。像增强器的荧光屏在成像过程中存在惰性环节，表现为余辉，产生时间响应的滞后，这是限制时间响应的主要环节，如此，会增加图像传感器13的成像周期，进而会直接影响到星敏感器的姿态更新率。本发明采用中短余辉的P-22荧光屏，该荧光屏转换效率高，余辉衰减到图像的10％，所需要的时间为1～5ms，如果本发明所设计的星敏感器的姿态更新率为25Hz，图像传感器13的成像周期为40ms，由于1～5ms远小于40ms，所以对姿态更新率的时间响应没有影响。

图像传感器13与现有的星敏感器的图像传感器完全相同；所述图像传感器13可以为CCD图像传感器，也可以是CMOS图像传感器。

基于上述星敏感器，本发明还提供了一种高动态高更新率星敏感器的实现方法，如图4所示，该方法包括以下步骤：

步骤401：将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理，将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；

这里，将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理的具体处理过程可采用现有的像增强处理过程。

将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图的具体处理过程可采用现有技术中将光学信号转换成电学信号的处理过程。

步骤402：将电学信号星图进行高动态质心定位处理；

这里，对电学信号星图进行高动态质心定位处理的具体处理过程详见申请号为201010165504.0、发明名称为“一种高动态条件下实现星体目标提取的方法和装置”的中国专利申请。

步骤403：将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，之后利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，输出计算结果。

这里，所述快速星预测跟踪处理是指：能使姿态更新率大于10Hz的星跟踪处理。

本发明利用已知的姿态，跟踪视场中已识别出的恒星在视场内的移动，从而提高姿态的更新速率。在跟踪状态下，为了提高跟踪效率，缩短跟踪处理时间，发明将星点预测机制引入到星敏感器中使用，所述将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，具体为：

利用视场星点位置之间的联动关系，通过已识别出的星点在前k帧星图中的位置，经卡尔曼滤波器预测，估计视场中已识别出的星点在k+1帧的位置，在估计出的位置范围内进行跟踪；

同时，可利用虚拟视场对新进入视场的星点进行快速判断和识别。

其中，星点预测机制估计出视场中已识别出的星点在k+1帧的位置后，能缩小跟踪窗口的范围，从而能实现快速准确的跟踪。

本发明在星敏感器的使用中引入虚拟视场的概念，目的是为了避免跟踪的星点个数随跟踪时间的增加逐渐减少的情况，并且，为了对新进入视场的星进行快速判断和识别，虚拟视场设计为比星敏感器的图像传感器的视场稍大，这里，建议虚拟视场比图像传感器的视场大50个像素，如此，能更加快速而准确的对新进入视场的星点进行判断和识别。

确定虚拟视场时，由已知的星敏感器姿态信息，计算出星敏感器当前的视轴指向，并得到在该视轴指向下某一定天区范围的星体信息，将该天区范围内星体的坐标从天球坐标系变换为图像坐标系的坐标，之后通过星点预测得到虚拟视场。

对新进入视场的星点进行判断和识别的具体处理过程与现有的判断和识别的处理过程相同，这里不再赘述。

图5为星预测跟踪的示意图，如图5所示，其中，实线框表示当前视场，虚线框表示虚拟视场，☆表示第k帧中已识别的星点，★表示第k+1帧观测到的星图中的星点。举个例子来说，利用星点预测机制得到星点4的跟踪窗口的半径为r，因此，星点4只需要在半径为r的范围内进行跟踪即可，星点3′与星点4之间的距离为d，d小于r，所以，可以根据星点3′与星点4的位置进行跟踪处理，如此，可以缩短跟踪处理的时间。从图5中还可以看出，对于星点1为新进入视场的星点，星点7′为从视场消失的星点。

采用本发明的方案提供的星敏感器的样机可以达到如下指标：

视轴指向精度(1σ)：7.5″，即：(5°/s)；视场：10.1°×10.1°；数据更新率：25Hz；重量：2.2Kg(含遮光罩)；功耗：7W；最大跟踪角速度：10°/s。

从这些指标可以看出，采用本发明提供的方案做出的星敏感器的样机具有高动态、高姿态更新率的优点，能满足未来航天器姿态测量的需要。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高动态高更新率星敏感器，包括：光学成像系统、以及图像传感器；其特征在于，该星敏感器还包括：像增强器、现场可编程门阵列(FPGA)信号处理单元、以及数字信号处理/精简指令集计算机(DSP/RISC)单元；其中，

像增强器，耦合于所述图像传感器前面；用于对光学成像系统得到的微弱光学信号星图进行像增强处理；

图像传感器，用于对像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；

FPGA信号处理单元，用于对电学信号星图进行高动态质心定位处理；

DSP/RISC单元，用于将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，输出计算结果。

2.根据权利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述像增强器包括：光阴极、微通道板(MCP)、以及荧光屏；其中，

光阴极，用于将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像；

MCP，用于将形成的电子像聚焦，并加速投射到荧光屏上，产生增强的电子像；

荧光屏，用于记录增强的电子像，形成增强的光学信号星图。

3.根据权利要求2所述的星敏感器，其特征在于，

所述光阴极为多碱阴极；

所述MCP的最大亮度增益为8000倍；

所述荧光屏为P-22荧光屏。

4.根据权利要求3所述的星敏感器，其特征在于，所述多碱阴极为S-25+。

5.根据权利要求1至4任一项所述的星敏感器，其特征在于，所述图像传感器为电荷耦合元件(CCD)图像传感器、或为互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

6.一种高动态高更新率星敏感器的实现方法，其特征在于，该方法包括：

将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理，将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；

将电学信号星图进行高动态质心定位处理；

将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，之后利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，输出计算结果。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，为：

利用视场星点位置之间的联动关系，通过已识别出的星点在前k帧星图中的位置，经卡尔曼滤波器预测，估计视场中已识别出的星点在k+1帧的位置，在估计出的位置范围内进行跟踪；

并利用虚拟视场对新进入视场的星点进行快速判断和识别。