CN103968845B - 一种用于星敏感器的dsp与fpga并行多模式星图处理方法 - Google Patents

一种用于星敏感器的dsp与fpga并行多模式星图处理方法 Download PDF

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Abstract

一种用于星敏感器的DSP与FPGA并行多模式星图处理方法，根据星敏感器不同工作模式，对星图处理算法进行划分及优化，由DSP与FPGA联合完成星图处理。在捕获模式下，由FPGA完成图像滤波处理，得到准星点像素，DSP对准星点像素进行捕获模式处理；在非高动态跟踪模式下，由FPGA完成图像窗口截取处理，DSP对窗口像素进行非高动态跟踪模式处理；在高动态模式下，FPGA在完成图像窗口截取处理的同时进行像素合并，SP对窗口像素进行非高动态跟踪模式处理；FPGA预处理后的星图数据直接存储于片内，不需要外配图像存储器，本方法在不影响精度的前提下有效提高了星图处理速度，简化了系统配置。

Description

一种用于星敏感器的DSP与FPGA并行多模式星图处理方法
技术领域
本发明涉及一种星图处理方法，尤其是一种用于星敏感器的DSP与FPGA并行多模式星图处理方法，可以高效完成星图处理。
背景技术
星敏感器作为一种高精度姿态测量部件，广泛应用于卫星、飞船等航天器上。其基本原理是采用图像传感器拍摄恒星图像，经过星图处理得到航天器的三轴惯性姿态。随着技术的发展，对星敏感器的数据更新率、动态性能、体积、功耗等指标提出了越来越苛刻的要求。
目前星敏感器基本采用DSP和FPGA构成的数字系统完成拍图控制与图像处理。通常由FPGA实现时序逻辑功能，而图像处理主要由DSP来完成。由于图像数据量大，再加上一些新的复杂算法的使用，使得图像处理耗时长，严重制约星敏感器数据更新率和动态性能的提高。同时，还需要配备大容量的存储器进行图像存储，影响星敏感器体积、功耗。
通过采用更高性能的DSP可有效提高处理速度。但受器件性能水平、成本、设计复杂性的限制，处理速度提高有限。国内外也有相关FPGA星图处理的设计研究，但与星敏感器整机的工作模式结合不紧密或与本专利给出的处理方法不同，不能充分发挥DSP与FPGA并行处理的优势，甚至对星敏感器测量精度等性能造成影响。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于星敏感器的DSP与FPGA并行多模式星图处理方法，实现了星敏感器的快速、高精度星图处理，并简化了硬件配置。
本发明的技术解决方案是：一种用于星敏感器的DSP与FPGA并行多 模式星图处理方法，步骤如下：
(1)图像传感器进行图像曝光，然后将图像曝光后获得的数字图像数据逐像素输出给FPGA；
(2)FPGA在逐像素接收数字图像数据的过程中，根据模式标志位判断处理模式，根据DSP设置的处理模式执行相应的处理，如果为捕获模式，则执行步骤(3)；如果为非高动态跟踪模式，则执行步骤(4)；如果为高动态跟踪模式，则执行步骤(5)，所述模式标志位位于FPGA内部，DSP进行模式切换的同时对模式标志位进行设置；
(3)FPGA在逐像素接收数字图像数据的过程中，用一阶低通滤波器进行图像滤波得到背景阈值，将高于背景阈值的像素作为准星点像素进行存储；然后执行步骤(6)；
(4)FPGA在逐像素接收数字图像数据的过程中，进行图像窗口截取，所述窗口截取指根据DSP设置的截取窗口坐标将位于截取窗口内的像素进行存储；然后执行步骤(7)；
(5)FPGA在逐像素接收数字图像数据的过程中，进行图像窗口截取，所述窗口截取指根据DSP设置的截取窗口坐标将位于截取窗口内的每4个相邻的像素合并为1个像素后进行存储，合并的方法是求取4个相邻像素的灰度均值并将灰度均值作为合并后的像素灰度值；然后执行步骤(8)；
(6)DSP读取步骤(3)中得到的准星点像素，进行捕获模式处理，包括星点识别和姿态解算；然后执行步骤(9)；
(7)DSP读取窗口图，进行非高动态跟踪模式处理，包括星点提取和姿态解算；然后执行步骤(9)，所述窗口图为步骤(4)图像窗口截取获得的图像数据；
(8)DSP读取窗口图，进行高动态跟踪模式处理，包括星点提取和姿态解算；然后执行步骤(9)，所述窗口图为步骤(5)图像窗口截取获得的图像数据；
(9)DSP根据处理结果进行模式切换，并对FPGA的图像处理模式进行设置。
所述步骤(3)中得到的准星点像素以及步骤(4)和步骤(5)中得到的窗口图数据均直接存储于FPGA片内，不需要外接大容量图像存储器。
所述DSP根据处理结果进行模式切换，并对FPGA的图像处理模式进行设置，具体为：开始无姿态数据时为捕获模式，模式标志位为捕获模式；在计算出姿态数据后由捕获模式切换至非高动态跟踪模式，同时将模式标志位设置为非高动态跟踪模式；在大角速度时由非高动态跟踪模式切换至高动态跟踪模式，同时将模式标志位设置为高动态跟踪模式；在小角速度时由高动态跟踪模式切换至非高动态跟踪模式，同时将模式标志位设置为非高动态跟踪模式；在非高动态跟踪模式或高动态跟踪模式姿态解算失败时切换至捕获模式，同时将模式标志位设置为捕获模式。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明根据星敏感器不同工作模式，对星图处理算法进行划分及优化，由DSP与FPGA联合并行完成星图处理；有效提高了星图处理速度，进而提高了星敏感器的数据更新率与动态性能；
(2)本发明中FPGA直接对图像数据流进行预处理，结果直接存储于FPGA片内，不需要外配图像存储器，简化了系统配置，有利于减小星敏感器体积、功耗；
(3)本发明中FPGA在跟踪模式对图像进行窗口截取处理的方法可有效减少图像数据量，同时保证对星敏感器精度不造成影响，其中像素合并的方法在不增加硬件资源的条件下，可有效提高动态性能。
附图说明
图1为本发明星敏感器基本硬件电路框图；
图 2为本发明流程图；
图 3为本发明星敏感器图像信息并行处理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
图1为本发明星敏感器基本硬件电路框图，包括图像传感器、DSP、FPGA、程序存储器、变量存储器。其中图像传感器对恒星成像并将图像传输给FPGA进行预处理。FPGA输出曝光控制信号给图像传感器控制图像曝光输出。FPGA内部配置一个存储单元作为星图存储器，用于存储预处理后的数据。DSP从星图存储器中读出FPGA预处理后的数据进行进一步处理。最终处理结果通过通讯接口输出给控制计算机。程序存储器用于存储DSP运行所需的软件与导航星数据，变量存储器用于存储程序运行过程中的中间结果。
如图2所示，本发明提出了一种用于星敏感器的DSP与FPGA并行多模式星图处理方法，步骤如下：
(1)FPGA产生周期性的曝光开始信号与结束信号给图像传感器，图像传感器在收到曝光开始信号时进行图像曝光，在收到曝光结束信号时停止曝光将获得的数字图像数据逐像素输出给FPGA；
(2)FPGA在逐像素接收数字图像数据的过程中，根据模式标志位判断处理模式，根据DSP设置的处理模式执行相应的处理，如果为捕获模式，则执行步骤(3)；如果为跟踪模式且为非高动态模式，则执行步骤(4)；如果为跟踪模式且为高动态模式，则执行步骤(5)，所述模式标志位为与FPGA内部，DSP进行模式切换时对模式标志位进行设置；
(3)FPGA在逐像素接收数字图像数据的过程中，用一阶低通滤波器进行图像滤波得到背景阈值，将高于背景阈值的像素作为准星点像素进行存储；然后执行步骤(6)；
(4)FPGA在逐像素接收数字图像数据的过程中，进行图像窗口截取，所述窗口截取指根据DSP设置的截取窗口坐标将位于截取窗口内的像素进行存储；然后执行步骤(7)；其中FPGA在曝光结束信号前产生中断给 DSP，DSP收到中断后将截取窗口坐标写入FPGA中。
(5)FPGA在逐像素接收数字图像数据的过程中，进行图像窗口截取，所述窗口截取指根据DSP设置的截取窗口坐标将位于截取窗口内的每4个相邻的像素合并为1个像素后进行存储，合并的方法是求取4个像素的灰度均值作为合并后的像素灰度值；然后执行步骤(8)；其中FPGA在曝光结束信号前产生中断给DSP，DSP收到中断后将截取窗口坐标写入FPGA中。
(6)DSP读取FPGA预处理得到的准星点像素，进行捕获模式处理，包括星点识别和姿态解算；然后执行步骤(9)；具体捕获模式处理如下：
首先DSP根据大小及形状剔除准星点像素中的噪声像素，剩余像素为有效的观测星像素，计算出各观测星的能量重心坐标；然后采用角距匹配法对图像处理得到的观测星与存储的导航星进行匹配识别；最后采用QUEST算法由观测星与对应的导航星解算出敏感器惯性姿态。
(7)DSP读取FPGA预处理得到的窗口图，进行非高动态跟踪模式处理，包括星点提取和姿态解算；然后执行步骤(9)，所述窗口图为步骤(4)图像窗口截取获得的图像数据；具体非高动态跟踪模式处理如下：
首先DSP分别计算每个窗口图边界像素的均值作为背景阈值，将高于阈值的像素作为有效的观测星像素，计算出各观测星的能量重心坐标；然后采用角距匹配法对图像处理得到的观测星与对应的导航星进行匹配验证；再后采用QUEST算法由观测星与对应的导航星解算出敏感器惯性姿态；最后根据本次及前次姿态数据进行跟踪窗口位置预报，得到下一幅图像的截取窗口坐标，在收到FPGA的中断时将截取窗口坐标写入FPGA中。
(8)DSP读取FPGA预处理得到的窗口图，进行高动态跟踪模式处理，包括星点提取和姿态解算；然后执行步骤(9)，所述窗口图为步骤(5)图像窗口截取获得的图像数据；具体高动态跟踪模式处理如下：
首先DSP分别计算每个窗口图边界像素的均值作为背景阈值，将高于阈值的像素作为有效的观测星像素，计算出各观测星的能量重心坐标；然后 将能量重心坐标转换为不进行像素合并时对应的坐标；之后的处理与非高动态跟踪模式相同。
(9)DSP根据处理结果进行模式切换，并对FPGA的图像处理模式进行设置。开始无姿态数据时为捕获模式，模式标志位为捕获模式；在计算出姿态数据后由捕获模式切换至非高动态跟踪模式，同时将模式标志位设置为非高动态跟踪模式；在大角速度时由非高动态跟踪模式切换至高动态跟踪模式，同时将模式标志位设置为高动态跟踪模式；在小角速度时由高动态跟踪模式切换至非高动态跟踪模式，同时将模式标志位设置为非高动态跟踪模式；在非高动态跟踪模式或高动态跟踪模式姿态解算失败时切换至捕获模式，同时将模式标志位设置为捕获模式。
星敏感器拍图及处理过程采用三级流水并行结构，如图3所示，在DSP进行第n幅图像星点处理的同时，FPGA并行进行第n+1幅图像的接收与预处理，同时图像传感器进行第n+1幅图的输出与第n+2幅图的曝光积分。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种用于星敏感器的DSP与FPGA并行多模式星图处理方法，其特征在于步骤如下：
(1)图像传感器进行图像曝光，然后将图像曝光后获得的数字图像数据逐像素输出给FPGA；
(2)FPGA在逐像素接收数字图像数据的过程中，根据模式标志位判断处理模式，根据DSP设置的处理模式执行相应的处理，如果为捕获模式，则执行步骤(3)；如果为非高动态跟踪模式，则执行步骤(4)；如果为高动态跟踪模式，则执行步骤(5)，所述模式标志位位于FPGA内部，DSP进行模式切换的同时对模式标志位进行设置；
(3)FPGA在逐像素接收数字图像数据的过程中，用一阶低通滤波器进行图像滤波得到背景阈值，将高于背景阈值的像素作为准星点像素进行存储；然后执行步骤(6)；
(4)FPGA在逐像素接收数字图像数据的过程中，进行图像窗口截取，所述窗口截取指根据DSP设置的截取窗口坐标将位于截取窗口内的像素进行存储；然后执行步骤(7)；
(5)FPGA在逐像素接收数字图像数据的过程中，进行图像窗口截取，所述窗口截取指根据DSP设置的截取窗口坐标将位于截取窗口内的每4个相邻的像素合并为1个像素后进行存储，合并的方法是求取4个相邻像素的灰度均值并将灰度均值作为合并后的像素灰度值；然后执行步骤(8)；
(6)DSP读取步骤(3)中得到的准星点像素，进行捕获模式处理，包括星点识别和姿态解算；然后执行步骤(9)；
(7)DSP读取窗口图，进行非高动态跟踪模式处理，包括星点提取和姿态解算；然后执行步骤(9)，所述窗口图为步骤(4)图像窗口截取获得的图像数据；
(8)DSP读取窗口图，进行高动态跟踪模式处理，包括星点提取和姿态解算；然后执行步骤(9)，所述窗口图为步骤(5)图像窗口截取获得的图像数据；
(9)DSP根据处理结果进行模式切换，并对FPGA的图像处理模式进行设置。
2.根据权利要求1所述的一种用于星敏感器的DSP与FPGA并行多模式星图处理方法，其特征在于：所述步骤(3)中得到的准星点像素以及步骤(4)和步骤(5)中得到的窗口图数据均直接存储于FPGA片内，不需要外接大容量图像存储器。
3.根据权利要求1所述的一种用于星敏感器的DSP与FPGA并行多模式星图处理方法，其特征在于：所述DSP根据处理结果进行模式切换，并对FPGA的图像处理模式进行设置，具体为：开始无姿态数据时为捕获模式，模式标志位为捕获模式；在计算出姿态数据后由捕获模式切换至非高动态跟踪模式，同时将模式标志位设置为非高动态跟踪模式；在大角速度时由非高动态跟踪模式切换至高动态跟踪模式，同时将模式标志位设置为高动态跟踪模式；在小角速度时由高动态跟踪模式切换至非高动态跟踪模式，同时将模式标志位设置为非高动态跟踪模式；在非高动态跟踪模式或高动态跟踪模式姿态解算失败时切换至捕获模式，同时将模式标志位设置为捕获模式。
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