CN104154932B - 基于emccd和cmos的高动态星敏感器的实现方法 - Google Patents

Abstract

基于EMCCD和CMOS的高动态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ICCD高速获取星图，存在体积大、寿命短、功耗高等问题或者采用EMCCD来获取星图不能同时满足高分辨率和高帧频的问题，同时现有采用TDI的方式无法实现二维方式累加积分等问题，采用高分辨率高灵敏的CMOS探测器在大视场内获取多颗低星等的星图，降低星敏感器自带星库的星数量；针对高动态下运动速度过大导致星图像移模糊，利用CMOS四角的四片EMCCD倍增模式高速拍摄高星等图像提高获取运动矢量的几率，采用软件方式根据获取的运动矢量实现CMOS二维方向的TDI工作方式。本发明避免了单片获取像移的几率过低的问题。

Description

基于EMCCD和CMOS的高动态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，具体涉及一种基于EMCCD和CMOS的高精度高动态星敏感器的实现方法。

背景技术

星敏感器是一种高精度姿态敏感测量仪器，具有精度高、抗干扰性强、可不依赖其它系统进行独立导航等优点。现今国内航天器多采用进口的国外低精度的星敏感器，随着航天应用的深入，对其精度和动态性能提出了越来越高的要求，由于高等级产品国外禁运，只能依靠自身力量研制。本发明提供一种基于高分辨率CMOS和低分辨率基于电子倍增电荷耦合器件(EMCCD，Electronic Multiplying CCD)的组合高动态星敏感器成像系统。星敏感器基本工作原理为恒星所发出的星光经光学系统成像在探测器靶面上，由成像系统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。

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，无法满足未来航天姿态测量的需要。北京航天航空大学提出采用ICCD来高速获取星图，存在体积大、寿命短、功耗高等问题；北京控制工程研究所采用EMCCD来获取星图，受器件性能限制，不能同时满足高分辨率和高帧频；传统的TDI工作方式只能实现一个方向的累加积分，不能实现二维方式的累加积分等问题。

发明内容

本发明为解决现有技术采用ICCD高速获取星图，存在体积大、寿命短、功耗高等问题或者采用EMCCD来获取星图不能同时满足高分辨率和高帧频的问题，同时现有采用TDI的方式无法实现二维方式累加积分等问题，提供一种基于EMCCD和CMOS的高动态星敏感器的实现方法。

基于EMCCD和CMOS的高动态星敏感器的实现方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、光学系统接收星图信息后同时在CMOS传感器以及在所述CMOS传感器四角的四片EMCCD传感器上成像，所述四片EMCCD传感器以倍增方式高帧频获取高星等小视场的星图信息，并将星图信息传送至图像处理器；所述图像处理器获得当前四片EMCCD输出的星图信息从而计算出每帧在二维方向的像移量；

步骤二、所述CMOS传感器将采集的星图信息传送至图像处理器，所述图像处理器根据步骤一中四片EMCCD输出的星图信息计算出每帧在二维方向像移量，通过累加在CMOS每帧摄像时间内EMCCD输出的各帧像移量，从而获得CMOS传感器每帧间二维方向的像移量；

步骤三、采用外部存储器对CMOS传感器输出图像进行二维方向的TDI方式叠加，将TDI叠加后图像进行星图识别；获得高精度的大视场低星等星图图像。

本发明的有益效果：本发明主要利用EMCCD倍增模式高速拍摄高星等的星图，通过探测高星等图像在小视场内获得更多的探测星数量，采用相关算法计算出每帧间的二维方向的相对像移量；然后综合CMOS四角的四片EMCCD获取的像移量来获得二维方向的像移矢量，避免单片EMCCD在某时间段未拍摄到恒星从而无法计算出像移矢量的情况，提高获取像移矢量的几率。若仅有一片EMCCD探测到恒星，输出了非0的像移量，则以该片输出的像移量为准；若超过一片EMCCD探测到恒星，输出了非0的像移量，则以所有输出非0像移量的平均值作为最终的像移量。最后把通过四片获取的像移矢量转换为中心CMOS的二维方向的像移量，并在中心CMOS曝光输出一帧图像时计算出在该帧曝光时间内总的像移量，也就是EMCCD输出的最终像移量在该帧时间内的叠加；CMOS进行二维方向的TDI工作方式，主要是采用软件方式基于外部存储器实现的。

本发明基于四角的四片小EMCCD在倍增模式下获取高星等小视场星图计算出像移，对中心的大CMOS传感器进行像移补偿后计算低星等大视场星图的基于EMCCD和CMOS的高动态星敏感器的实现方法，将传统星敏感器和电子倍增技术结合起来，本发明可获得CMOS较长的积分时间提高信噪比，避免了像移导致的星图模糊，而且避免了过高频摄像引起的噪声增加；采用高星等的EMCCD拍摄星图获取像移，降低了大面阵计算像移对处理器的要求；采用四角的四片EMCCD获取图像，可获得二维相反方向的像移，避免了单片获取像移的几率过低的问题。

附图说明

图1为本发明所述的基于EMCCD和CMOS的高动态星敏感器的结构示意图。

具体实施方式

结合图1说明本实施方式，基于EMCCD和CMOS的高动态星敏感器的实现方法，该方法由以下步骤实现：

一、天空中的星图经光学系统后成像大CMOS传感器及其四角的四片小EMCCD传感器上；四片小EMCCD传感器以倍增方式高帧频如1000帧/秒获取高星等的星图，并把星图数据送入图像处理器；图像处理器综合处理四片EMCCD送入的星图，计算出当前二维方向的像移速度；

二、CMOS传感器以较高的帧频如100帧/秒摄像，并把采集的星图送入图像处理器；图像处理器根据四片EMCCD星图计算出四片EMCCD每帧的像移量，通过累加在CMOS每帧摄像时间内EMCCD输出的各帧像移量(假定在CMOS每帧摄像时间内EMCCD成像q次，行和列方向的像移量分别为x_i和y_i，0≤y≤q-1)，得到大CMOS每帧间二维方向的像移量(行和列方向的像移量分别为)，基于外部存储器对大CMOS进行二维方向的TDI叠加，最后把TDI叠加后的图像进行星图识别，一方面保证了较长的积分时间，另一方面避免了在高动态下积分时间过程引起的星图模糊降低姿态定位精度。

本实施方式所述的CMOS进行二维方向的TDI工作方式，主要是采用软件方式基于外部存储器实现的TDI方式叠加主要是按照帧间像移量映射不同行地址和列地址的像素信号相加；设对应于行和列方向帧间的像移量为xμm和yμm，CMOS传感器在二维方向的像元尺寸都为aμm，则前一帧某地址(m,n)的像元应该和后一帧地址的像元叠加。避免由于高动态而引起CMOS拍摄到的星图过度模糊导致无法进行恒星跟踪识别。

结合图1，所述的光学系统采用同轴折射光学系统；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；EMCCD采用E2V公司EMCCD传感器(倍增增益可达1000，帧频为1000帧/秒)；所述的图像处理器采用多片TI公司的DSP芯片。

Claims (1)

1.基于EMCCD和CMOS的高动态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、光学系统接收星图信息后同时在CMOS传感器以及在所述CMOS传感器四角的四片EMCCD传感器上成像，所述四片EMCCD传感器以倍增方式高帧频获取高星等小视场的星图信息，并将星图信息传送至图像处理器；所述图像处理器获得当前四片EMCCD输出的星图信息从而计算出每帧在二维方向的像移量；

步骤二、所述CMOS传感器将采集的星图信息传送至图像处理器，所述图像处理器根据步骤一中四片EMCCD输出的星图信息计算出每帧在二维方向像移量，通过累加在CMOS每帧摄像时间内EMCCD输出的各帧像移量，从而获得CMOS传感器每帧间二维方向的像移量；

步骤三、采用外部存储器对CMOS传感器输出图像进行二维方向的TDI方式叠加，将TDI叠加后图像进行星图识别；获得高精度的大视场低星等星图图像；

步骤三中TDI方式叠加的具体过程为：按照帧间像移量映射不同行地址和列地址的像素信号相加，设定对应与行和列方向帧间的像移量为xμm和yμm，CMOS传感器在二维方向的像元尺寸均为aμm，则前一帧地址(m，n)的像元与后一帧地址的像元叠加。