CN106482731B - 一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器，包括分光谱双光路光学系统、图像探测及预处理组件和差分图像处理标定方法与算法单元；所述的分光谱双光路光学系统包括遮光罩、光学镜头、分光棱镜以及结构框架；所述的图像探测及预处理组件包括近红外探测器和信号采集与处理电路；所述的差分图像处理标定方法与算法单元包括双探测器协同处理模块、双光路图像像素对齐标定模块、差分图像灰度匹配模块和图像差分算法模块；还公开了其使用方法；相对于现有的以传统CCD为探测器的单光路大视场测星传感器，本发明能够在大气层内的载体上应用，实现在晴朗的白天对近红外星体进行大视场多星测量，能够广泛应用在航海、航空天文导航领域。
Description
技术领域
本发明属于天文导航领域，具体涉及一种应用于天文导航系统的白天大视场测星传感器，以及其使用方法。
背景技术
天文导航是一种通过测量天体进行载体定位定向的导航技术，其拥有测量精度高、不受干扰、无时漂、可靠性高等诸多优点成为综合导航系统中必不可少的设备。天文导航设备可分为大视场多星矢量测星导航系统和小视场单星测量导航系统。
由于传统以CCD为传感器的大视场测星导航系统极易受到白天强烈的背景光阻塞而饱和，难以实现全天时工作，不利于运行在大气层内的载体使用，所以传统的白天星体测量装置主要以小视场星体跟踪器为主，但是其需要多次单星跟踪测量，系统复杂，且不可避免跟踪轴系误差带来的影响。
因此，发明一种能够在大气层内载体上使用的且具备全天时大视场多星测量的测星传感器具有重要意义，其最大的优点是可以与惯性测量组件高度集成，减小测星水平基准传递误差，实现高精度的天文导航解算，从传感器级别实现天文/惯性信息的深度融合，保证长航时状态下的高精度导航。
天文导航白天测星首先面临背景光强烈容易造成探测器饱和的问题，可采用近红外测星技术解决（这在我们之前的专利“近红外星体测量装置”中已充分论述）。但对于大视场测星应用来说，白天除了强烈的背景光影响外，更为严重的是受到大气湍流效应的影响。
湍流是大气的一种无规则随机运动，由各种尺度的漩涡连续分布叠加而成，可造成各类型的电磁波在振幅、相位上产生随机涨落。
白天的背景光受到大气湍流效应的影响，在测星时的图像上则表现为随时间和空间的灰度涨落，这种图像灰度的随机涨落幅度在严重时远大于被测星体目标的灰度，使得天文导航系统在白天测星时信噪比恶化严重。
因此如何降低低空大气湍流效应的影响，提高近空间内白天测星图像信噪比，是影响大视场白天测星的一项关键措施。
发明内容
本发明的目的之一在于根据现有技术的不足，设计一种降低白天大气湍流效应对大视场测星的影响，提高白天测星图像信噪比的大视场测星传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器，包括分光谱双光路光学系统、图像探测及预处理组件和差分图像处理标定方法与算法单元；
所述的分光谱双光路光学系统包括遮光罩、光学镜头、分光棱镜以及结构框架，所述的遮光罩采用圆锥形消光筒和网格式消光栅两级消光结构，所述的光学镜头采用焦距300mm、工作波段0.9-1.7um的透射式光学镜头，所述的结构框架用于提供遮光罩、光学镜头、分光棱镜以及图像探测及预处理组件的安装接口和固定功能；
所述的图像探测及预处理组件包括近红外探测器和信号采集与处理电路，所述的近红外探测器采用InGaAs材料，像素为320×256，响应波段为0.9um-1.7um，所述的信号采集与处理电路包括前置处理板、控制处理电路以及图像处理电路；
所述的差分图像处理标定方法与算法单元用来实时对实际测星图像和复杂天空背景图像进行差分处理，以此减弱白天大气湍流效应对大视场测星的影响，提高白天测星图像信噪比，包括双探测器协同处理模块、双光路图像像素对齐标定模块、差分图像灰度匹配模块和图像差分算法模块。
所述的一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器，其分光棱镜选择在透射率大于90%，透射光谱波段为1.55um-1.65um获得实际测星图。
所述的一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器，其分光棱镜选择在反射率大于90%，反射光谱波段为1.35-1.45um获得复杂天空背景图。
所述的一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器，其近红外探测器有两个，分别实时探测实际测星图像和复杂天空背景图像，所述的前置处理板有两块，分别对两个近红外探测器的信号进行采集，提供近红外探测器所必须的工作电压和固定偏压，同时将近红外探测器输出的模拟信号转换为数字信号以后传给控制处理电路。
本发明的目的之二在于设计一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器的使用方法，可有效抑制白天条件下大气湍流效应引起的星体测量时信噪比严重下降问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器的使用方法，步骤如下：
a）、通过透射1.55-1.65um波段和反射透射1.35-1.45um波段的分光棱镜获得实际测星图和复杂天空背景图；
b）、集中控制两个近红外探测器，分别实时探测实际测星图像和复杂天空背景图像，采取双探测器协同处理、双光路图像像素对齐标定、差分图像灰度匹配等方法，保证图像采集时间、位置以及灰度特征的一致性；
c）、对经过处理的实际测星图像和复杂天空背景图像进行对应像素灰度相减并加上图像灰度均值，完成图像差分处理后能得到抑制白天大气湍流效应影响的大视场测星图像，以此提高白天测星图像信噪比。
所述的一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器的使用方法，其双光路图像像素对齐标定步骤为：在平行光管前端放置覆盖0.9um-1.7um的宽光谱光源，采用十字框靶标进行标定，在近红外探测器采集的图像正中通过软件绘制十字框，分别调节两个近红外探测器与分光棱镜透射光束和反射光束的位置，使近红外探测器图像中自身绘制的十字框与光源靶标上的十字框在像素点上完全重合，保证两个探测器对十字靶标的成像状态完全一致，由此完成两路图像的像素对齐标定。
所述的一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器的使用方法，其差分图像灰度匹配包括图像对比度匹配和灰度均值匹配。
其中，所述的对比度匹配先是在硬件电路放大倍数上调节，在完成上述两路光路成像图像像素对齐标定以后，在天气恶劣无法测星的情况下，将镜头对向复杂的天空背景分别录制1.35-1.45um波段的成像图和1.55-1.65um波段的成像图，通过Matlab分析两幅图像数据，将图像数据按像素点展开，得到1.35-1.45um波段的成像图像部分素点灰度差异峰峰值为Vpp1，1.55-1.65um波段的成像图像与1.35-1.45um波段的成像图相同位置部分素点灰度差异峰峰值为Vpp2，按照Vpp1与Vpp2的比值调节两路前置处理板上的放大器放大倍数，最终使Vpp1与Vpp2近似相等，即完成两路图像的对比度匹配。
其中，所述的灰度均值匹配步骤为：在测星过程中实时对经过对比度匹配以后的1.35-1.45um波段的成像图均值V1和1.55-1.65um波段的成像图的图像均值V2进行计算，通过调节两探测器SKIMMING偏压值使得两幅图的图像均值均接近于设定的图像期望均值Vexp，以此完成图像灰度均值匹配。
本发明的有益效果是：
1、采用分光谱双光路的方法，利用天空背景辐射与大气透过率在不同波段的差异，采用双面镀膜的分光棱镜将入射光分为两路：一路透射1.55-1.65um的光，该波段范围内天空背景辐射低且大气透过率高，从而获得实际测星图，但是由于受到低空大气湍流的影响，实际测星图中存在区域间灰度不均匀且剧烈波动的问题；另一路反射1.35-1.45um的光，该波段范围内天空背景辐射相对较高且大气透过率相对较低，所以白天微弱的红外星点信号被淹没在天空背景中，由此获得无星点信息的复杂天空背景图。
2、采取双探测器协同处理、双光路图像像素对齐标定、差分图像灰度匹配等方法，使用两个近红外探测器分别实时探测经过所述分光谱双光路后的实际测星图像和复杂天空背景图像，保证图像采集时间、位置以及灰度特征的一致性。
3、采取图像差分处理的方法，对经过处理的实际测星图像和复杂天空背景图像进行对应像素灰度相减并加上图像灰度均值，得到抑制白天低空大气湍流效应影响的大视场测星图像，以此提高白天测星图像的信噪比。
附图说明
图1是本发明的系统组成图；
图2是本发明的分光谱双光路光学系统结构示意图；
图3是分光棱镜采用MODTRAN计算的大气透过曲线；
图4是近红外探测器的量子响应效率曲线；
图5是信号采集与处理电路的组成框图；
图6是差分图像像素对齐标定模块的示意图；
图7是差分图像灰度匹配中图像对比度匹配示意图；
图8是差分图像灰度匹配中图像灰度均值匹配示意图；
图9是图像差分算法示意图；
图10是受白天大气湍流效应影响的测星图；
图11是本发明的抑制白天大气湍流效应的测星图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1所示，本发明公开了一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器，该传感器包括：分光谱双光路光学系统、图像探测及预处理组件和差分图像处理标定方法与算法单元，其中分光谱双光路光学系统对入射光进行分光，并分两路进行窄带光谱滤波处理后送到图像探测及预处理组件，该组件用来将两路光信号转换成数字图像信号，并结合差分图像处理标定方法与算法，对两路图像信号采取双探测器协同处理、双光路图像像素对齐标定、差分图像灰度匹配等一系列操作，最后将实际测星图像和复杂天空背景图像进行对应像素灰度相减并加上图像灰度均值，得到抑制白天低空大气湍流效应影响的大视场测星图像。
参照图2所示，所述的分光谱双光路光学系统包括遮光罩、光学镜头、带光谱滤波的分光棱镜以及结构框架，所述的遮光罩采用圆锥形消光筒和网格式消光栅两级消光结构，第一级（A）圆锥形消光筒的主要功能是抑制太阳光的直射以及视场内的部分背景杂散光，第二级（B）网格式消光栅进一步抑制视场内的部分背景杂散光，所述的光学镜头采用焦距300mm、F数为5.0、工作波段0.9-1.7um的透射式光学镜头，系统透过率为84%，所述的分光棱镜选择在波段为1.55um-1.65um获得实际测星图，选择在反射光谱波段为1.35-1.45um获得复杂天空背景图，所述的结构框架用于提供遮光罩、光学镜头、分光棱镜以及图像探测及预处理组件的安装接口和固定功能；采用所述透射式光学镜头有利于缩减系统体积，同时可获得更高星像像质。
所述带光谱滤波的分光棱镜的反射面C镀膜具有1.35-1.45um窄带滤光特性，该波段反射率大于90%，该波段范围内天空背景辐射相对较高且大气透过率相对较低，所以白天微弱的红外星点信号被淹没在天空背景中，由此获得无星点信息的复杂天空背景图；所述带光谱滤波的分光棱镜的透射面B镀膜具有1.55-1.65um的窄带滤光特性，该波段透过率大于90%，该波段范围内天空背景辐射低且大气透过率高，从而获得实际测星图，但是由于受到低空大气湍流的影响，实际测星图中存在区域间灰度不均匀且随时间波动的问题。
所述分光棱镜中光谱滤波波段选择根据大气透过率曲线以及所选近红外探测器的量子响应效率曲线来决定，图3所示为采用MODTRAN计算的大气透过率曲线，图4所示为近红外探测器的量子响应效率曲线，结合两者综合考虑，在1.55-1.65um波段，探测器的量子响应效率>70%，大气透过率高，所以在大气层内接收到的该波段星光信号相对较强，且在该波段范围内天空背景辐射强度低，有利于将背景光与微弱的星光分离，所以选择该波段获得实际测星图，而在1.35-1.45um波段，大气透过率低，白天微弱的红外星点信号被淹没在天空背景中，所以选择该波段获得无星点信息的复杂天空背景图。
其中，所述的图像探测及预处理组件包括：近红外探测器和信号采集与处理电路，所述的近红外探测器有两个，分别实时探测实际测星图像和复杂天空背景图像，采用InGaAs材料，像素为320×256，像元尺寸为30um×30um，响应波段为0.9um-1.7um，低增益时满势阱为2.5Me-，量子响应效率大于70%，采用TEC(半导体制冷器)制冷，制冷最大功率15W，能有效降低探测器的暗电流噪声，所述的信号采集与处理电路包括前置处理板（即前置处理电路）、控制处理电路（即控制处理板）以及图像处理电路，组成框图如图5所示，采取双探测器协同处理、双光路图像像素对齐标定、差分图像灰度匹配等方法，对两个探测器集中控制，保证图像采集时间、位置以及灰度特征的一致性。
进一步，所述前置处理电路有两块，分别对经过不同光谱滤波的两路光后的探测器信号进行采集，提供探测器所必须的工作电压和固定偏压，对于可调偏压通过控制DA获得，此外将TTL电平转换为控制探测器所需的逻辑电平，同时将探测器输出的模拟信号通过14位AD转换为数字信号以后传给控制处理板进行处理；所述控制处理电路根据同步信号产生探测器工作时序并输出到两块前置处理电路，产生前置处理板上AD工作所需的时钟及时序，并接收前置处理板传送过来的采样数据，对采集数据进行图像均值运算，通过DA控制探测器偏压进行两幅图像的灰度匹配，同时还进行TEC制冷温控，该电路对双光路后的两个探测器集中控制，保证探测器时序统一；所述图像处理电路对经过灰度匹配以后的天空背景图和实际测星图进行图像差分运算，得到背景均匀的大视场白天星图，对处理后的图像进行星目标提取处理，并通过串口输出给上位机或组合导航解算电路进行导航解算。
其中，所述的差分图像处理标定方法与算法单元用来实时对实际测星图像和复杂天空背景图像进行差分处理，以此减弱白天大气湍流效应对大视场测星的影响，提高白天测星图像信噪比，包括：双探测器协同处理模块、双光路图像像素对齐标定模块、差分图像灰度匹配模块和图像差分算法模块。
所述双探测器协同处理模块在上述控制处理电路中完成，采用同一控制处理电路控制前置处理电路对探测器进行集中处理，保证时序统一，从而保证图像采集时序上的一致性；所述双光路图像像素对齐标定模块如图6所示，在平行光管前端放置覆盖0.9um-1.7um的宽光谱光源，采用十字框靶标进行标定，在探测器采集的图像正中通过软件绘制十字框，分别调节两个探测器与分光棱镜透射光束和反射光束的位置，使探测器图像中自身绘制的十字框与光源靶标上的十字框在像素点上完全重合，保证两个探测器对十字靶标的成像状态完全一致，由此完成两路图像的像素对齐标定；所述差分图像灰度匹配模块包括图像对比度匹配和灰度均值匹配，所述对比度匹配需在硬件电路放大倍数上调节，在完成上述两路光路成像图像像素对齐标定以后，在天气恶劣无法测星的情况下，将镜头对向复杂的天空背景分别录制1.35-1.45um波段的成像图和1.55-1.65um波段的成像图，通过Matlab分析两幅图像数据，如图7所示，将图像数据按像素点展开，得到1.35-1.45um波段的成像图像部分素点灰度差异峰峰值为Vpp1，1.55-1.65um波段的成像图像与1.35-1.45um波段的成像图相同位置部分素点灰度差异峰峰值为Vpp2，按照Vpp1与Vpp2的比值调节两路前置处理板上的放大器放大倍数，最终使Vpp1与Vpp2近似相等，即完成两路图像的对比度匹配。
所述灰度均值匹配原理如图8所示，需在测星过程中实时对经过对比度匹配以后的1.35-1.45um波段的成像图均值V1和1.55-1.65um波段的成像图的图像均值V2进行计算，通过调节两探测器SKIMMING偏压值使得两幅图的图像均值均接近于设定的图像期望均值Vexp，以此完成图像灰度均值匹配。
所述图像差分算法如图9所示，图9中A所示为传统单光路系统在0.9-1.7um波段内的成像图，在该波段天空背景较强且低空大气湍流效应影响明显，微弱的星光被淹没在图像噪声中(如图10所示)，Vn1为背景噪声的峰峰值，Vs1为星点信号的幅值，可以看出图像信噪比<1，无法从复杂的天空背景中精确提取星点，图9中B所示为经过光谱滤波以后1.55-1.65um波段内的成像图，该波段内天空背景辐射低且大气透过率高，从而获得实际测星图，但大气湍流效应造成的图像灰度波动明显，图9中C所示为经过光谱滤波以后1.35-1.45um波段内的成像图，该波段范围内天空背景辐射相对较高且大气透过率相对较低，所以白天微弱的红外星点信号被淹没在天空背景中，从而获得无星点信息且由于大气湍流效应造成的图像灰度波动明显的复杂天空背景图，图9中D所示为对实际测星图像和复杂天空背景图像进行对应像素灰度相减并加上图像灰度均值处理以后的差分图像，Vn2为差分图像中背景噪声的峰峰值，Vs2为差分图像中星点信号的幅值，可以看出进行图像差分处理以后的图像信噪比>>1，由此得到抑制白天低空大气湍流效应影响的大视场测星图像(如图11所示)，以此提高白天测星图像的信噪比。
根据本发明的一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器，能够降低白天低空大气湍流效应对大视场测星图像的影响，提高白天测星图像的信噪比，使大视场白天测星能够运用到大气层内的近空间载体，与传统小视场单星跟踪测量的白天测星传感器相比，本发明的抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器，系统无跟踪轴系，可与惯性导航设备刚性互嵌，从传感器级别实现天文/惯性信息的深度融合，保证长航时状态下的高精度天文/惯性组合导航，从而使其能够广泛应用在航海、航空天文导航领域。
相对于现有的只能在大气层外全天时使用的以传统CCD为探测器的单光路大视场测星传感器，本发明能够在大气层内的载体上应用，实现在晴朗的白天对近红外星体进行大视场多星测量，能够广泛应用在航海、航空天文导航领域。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器，其特征在于：包括分光谱双光路光学系统、图像探测及预处理组件和差分图像处理标定方法与算法单元；
所述的分光谱双光路光学系统包括遮光罩、光学镜头、分光棱镜以及结构框架，所述的遮光罩采用圆锥形消光筒和网格式消光栅两级消光结构，所述的光学镜头采用焦距300mm、工作波段0.9-1.7um的透射式光学镜头，所述的结构框架用于提供遮光罩、光学镜头、分光棱镜以及图像探测及预处理组件的安装接口和固定功能；
所述的图像探测及预处理组件包括近红外探测器和信号采集与处理电路，所述的近红外探测器采用InGaAs材料，像素为320×256，响应波段为0.9um-1.7um，所述的信号采集与处理电路包括前置处理板、控制处理电路以及图像处理电路；所述的近红外探测器有两个，分别实时探测实际测星图像和复杂天空背景图像，所述的前置处理板有两块，分别对两个近红外探测器的信号进行采集，提供近红外探测器所必须的工作电压和固定偏压，同时将近红外探测器输出的模拟信号转换为数字信号以后传给控制处理电路；
所述的差分图像处理标定方法与算法单元用来实时对实际测星图像和复杂天空背景图像进行差分处理，以此减弱白天大气湍流效应对大视场测星的影响，提高白天测星图像信噪比，包括双探测器协同处理模块、双光路图像像素对齐标定模块、差分图像灰度匹配模块和图像差分算法模块。
2.根据权利要求1所述的一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器，其特征在于，所述的分光棱镜选择在透射率大于90%，透射光谱波段为1.55um-1.65um获得实际测星图。
3.根据权利要求1所述的一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器，其特征在于，所述的分光棱镜选择在反射率大于90%，反射光谱波段为1.35-1.45um获得复杂天空背景图。
4.一种如权利要求1所述抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器的使用方法，其特征在于，步骤如下：
a）、通过透射1.55-1.65um波段和反射透射1.35-1.45um波段的分光棱镜获得实际测星图和复杂天空背景图；
b）、集中控制两个近红外探测器，分别实时探测实际测星图像和复杂天空背景图像，采取包括双探测器协同处理、双光路图像像素对齐标定、差分图像灰度匹配在内的方法，保证图像采集时间、位置以及灰度特征的一致性；
c）、对经过处理的实际测星图像和复杂天空背景图像进行对应像素灰度相减并加上图像灰度均值，完成图像差分处理后能得到抑制白天大气湍流效应影响的大视场测星图像，以此提高白天测星图像信噪比。
5.根据权利要求4所述的一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器的使用方法，其特征在于，所述的双光路图像像素对齐标定步骤为：在平行光管前端放置覆盖0.9um-1.7um的宽光谱光源，采用十字框靶标进行标定，在近红外探测器采集的图像正中通过软件绘制十字框，分别调节两个近红外探测器与分光棱镜透射光束和反射光束的位置，使近红外探测器图像中自身绘制的十字框与光源靶标上的十字框在像素点上完全重合，保证两个探测器对十字靶标的成像状态完全一致，由此完成两路图像的像素对齐标定。
6.根据权利要求4所述的一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器的使用方法，其特征在于，所述的差分图像灰度匹配包括图像对比度匹配和灰度均值匹配。
7.根据权利要求6所述的一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器的使用方法，其特征在于，所述的对比度匹配先是在硬件电路放大倍数上调节，在完成双光路图像像素对齐标定以后，在天气恶劣无法测星的情况下，将镜头对向复杂的天空背景分别录制1.35-1.45um波段的成像图和1.55-1.65um波段的成像图，通过Matlab分析两幅图像数据，将图像数据按像素点展开，得到1.35-1.45um波段的成像图像部分素点灰度差异峰峰值为Vpp1，1.55-1.65um波段的成像图像与1.35-1.45um波段的成像图相同位置部分素点灰度差异峰峰值为Vpp2，按照Vpp1与Vpp2的比值调节两路前置处理板上的放大器放大倍数，最终使Vpp1与Vpp2近似相等，即完成两路图像的对比度匹配。
8.根据权利要求6所述的一种抑制白天大气湍流效应的大视场测星传感器的使用方法，其特征在于，所述的灰度均值匹配步骤为：在测星过程中实时对经过对比度匹配以后的1.35-1.45um波段的成像图均值V1和1.55-1.65um波段的成像图的图像均值V2进行计算，通过调节两探测器SKIMMING偏压值使得两幅图的图像均值均接近于设定的图像期望均值Vexp，以此完成图像灰度均值匹配。
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