CN106548458A - 一种星敏感器抗杂光背景滤波图像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种星敏感器的抗杂光干扰图像处理方法，包含：步骤1、输入原始星图，在设定的局部范围内预测当前中心目标点背景，并构成背景图像；步骤2、利用背景图像，对原始星图进行滤波处理，得到滤波图像；步骤3、对滤波图像做阈值分割得到目标图像；步骤4、辨识目标图像中的星点，去除盐噪声。通过本发明使星敏感器在杂光干扰工况下能够完成星点目标提取，从而保障此种工况下星敏感器输出姿态的有效性，进一步提高星敏感器姿态数据的有效率。

Description

一种星敏感器抗杂光背景滤波图像处理方法

技术领域

本发明涉及星敏感器技术领域，特别涉及一种星敏感器的抗杂光干扰图像处理方法。

背景技术

星敏感器是基于计算机视觉测量理论研制的空间精密仪器，主要用于空间飞行器三轴姿态测量和空间飞行器导航。星敏感器通常由光学及精密结构系统、光电探测器及信号处理电路和软件等三部分组成。基于计算机视觉测量理论，以恒星稳定的光信号作为输入，星敏感器可以得到恒星在其本体坐标系内的精确位置，再由其内部星表存储的恒星基于地心惯性坐标系的位置信息，可以得到星敏感器本体相对于地心惯性坐标系的三轴姿态信息，从而得到空间飞行器本体相对于地心惯性系的三轴姿态信息。

星敏感器具有高精度、高可靠和长寿命的特点，已成为卫星平台姿轨控系统核心的测量部件，在空间飞行任务中具有十分重要的作用。作为光学敏感器，抗杂光干扰成为影响星敏感器性能的一个重要因素。在轨时，星敏感器受杂光干扰的情况有四种：月光干扰、地气光干扰、太阳光干扰和星体反射光干扰。杂光干扰下，星敏感器成像将受到污染，原本起伏均匀的背景将会呈现大幅度变化，灰度值也将整体抬高。这种不均衡的背景严重影响分割阈值的选取，会造成虚警率急剧上升，星点提取率迅速下降，最终或导致星跟踪丢失，星敏感器姿态数据无效。

未受杂光干扰时，星图背景分布均匀，并伴随大量随机噪声，一般地，星敏感器在轨工作时间越长(或星敏感器所处环境温度越高)噪声的能量均值越高，目标与背景、噪声呈叠加关系，三者相互独立，具有可分割性。

图1及图2所示的星图特征，表现了目标、背景、噪声三者间的关系。当受杂光干扰时，星图背景分布的均匀性被打破，呈缓慢过度趋势。当有月亮或太阳存在时，光源在图像上成像近似一个大半径的高斯去顶分布。噪声随机叠加在背景之上。特别的，月亮或者太阳可能在成像时产生光环或光带，成为背景中的高频部分。

发明内容

本发明提供一种星敏感器的抗杂光干扰图像处理方法，旨在使星敏感器在杂光干扰工况下能够完成星点目标提取，从而保障此种工况下星敏感器输出姿态的有效性，进一步提高星敏感器姿态数据的有效率。

本发明的技术方案在于提供一种星敏感器抗杂光图像处理方法，采用了背景预测滤波处理的手段，涉及以下过程：

(1)局部范围内预测当前中心目标点背景，并构成整幅图像的背景；

(2)运用预测背景对原始星图进行滤波处理；

(3)对滤波图像做阈值分割；

(4)辨识目标图像中的星点，去除盐噪声。

其中，每个像素点背景的预测由特殊的掩模与邻域像素点卷积得到，该掩模根据目标分布特征设计，具有以区域边缘像素点灰度均值为基础、添加特定抗噪因子的特点。

星点辨识根据残余噪声特征设置，经前3步处理，目标图像中残余噪声为盐噪声，该噪声在目标图像中呈现单点或双点的特征，由此区别星点与噪点。

本发明提出的方法与现有技术相比，优点在于：本发明能够在杂光干扰工况下，良好地完成星图提取星点，提高星点提取率并控制虚警率，有助于提高星敏感器抗杂光性能。最终，提高星敏感器姿态数据的有效率。

附图说明

下面将结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明：

图1为复杂背景图例；

图2为复杂背景三维灰度分布的示意图；

图3为星敏感器抗杂光背景滤波图像处理方法的流程图；

图4为输入原始星图实例；

图5为预测得到的背景图像；

图6为背景滤波后得到的滤波图像；

图7为滤波图像分割后的目标图像；

图8为星点辨识后输出的结果。

具体实施方式

本发明期望在杂光干扰情况下，完成对星敏感器图像的弱小目标提取。杂光干扰下图像背景的不均匀性导致了星点提取环境的多变性，这就造成了弱小目标提取的难度。

为此，本发明所述的星敏感器抗杂光背景滤波图像处理方法，采用了一种空间域滤波的技术，在局部范围内完成对中心点背景值的预测，从而得到整幅图像的背景，为进一步分割图像做准备。

如图3所示，本发明的该方法，包括如下步骤：

1)对星图上每个目标点进行背景预测。即，输入原始星图(如图4)，对每一像素点进行背景预测；遍历全图得到图像背景(如图5)。

其中，依据目标点邻域7×7范围内像素点灰度值为参考，根据本方法的背景预测模型，即掩模W，计算得到当前目标点背景预测值，见式(1)、式(2)。遍历整幅图像，得到星图预测背景img_bkg。

其中img_bkg(x,y)为背景预测得到的某一像素灰度值，k为模板半径，img(i,j)为原始图像在模板内某一点，W_i,j为其对应权值。

2)利用背景图像，对原始图像进行滤波处理，得到的滤波图像(如图6)中去除了杂光干扰，残留部分高频噪声。

其中，运用预测背景img_bkg对原始星图img作滤波处理，得到滤波图像img_rmt，如式(3)。

3)对滤波图像进行分割，分割得到的滤波图像中，含有部分类似星点形状的虚警目标。但此类虚警目标普遍灰度值较低，像素灰度值之间差值较小，目标像素数在5个之内。鉴于此类虚警目标的特征，选取一个较小的固定阈值，可较好地分割星点与虚警点且通用性强。如式(4)所示，其中T为分割阈值，与探测器型号有关，工程经验一般取0～5。

trg(x,y)＝img_rmt-T (4)

以分割阈值T取1得到的目标图像(如图7)，该步骤去除大部分噪声，剩余少量盐噪声，后续经由星点辨识去除。

4)对目标图像img_trg进行星点辨识，剔除残余的少量盐噪声，其一般呈单点或双点特征。最终输出仅含星点信息(目标点)的图像(如图8)。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种星敏感器的抗杂光干扰图像处理方法，其特征在于，包含以下过程：

步骤1、输入原始星图，在设定的局部范围内预测当前中心目标点背景，并构成背景图像；

步骤2、利用背景图像，对原始星图进行滤波处理，得到滤波图像；

步骤3、对滤波图像做阈值分割得到目标图像；

步骤4、辨识目标图像中的星点，去除盐噪声。

2.如权利要求1所述星敏感器的抗杂光干扰图像处理方法，其特征在于，

步骤1中，对原始星图上的每个像素点进行背景预测，是通过掩模与邻域像素点卷积得到，所述的掩模为W，基于目标点邻域7×7范围内像素点灰度值得到：

$W=\left[\begin{array}{ccccccc}{w}_{11}+w_{11}^{\′}& w_{12}& w_{13}& w_{14}& w_{15}& w_{16}& w_{17}+w_{17}^{\′}\\ w_{21}& 0& 0& 0& 0& 0& w_{27}\\ w_{31}& 0& 0& 0& 0& 0& w_{37}\\ w_{41}& 0& 0& w_{44}& 0& 0& w_{47}\\ w_{51}& 0& 0& 0& 0& 0& w_{57}\\ w_{61}& 0& 0& 0& 0& 0& w_{67}\\ w_{71}+w_{71}^{\′}& w_{72}& w_{73}& w_{74}& w_{75}& w_{76}& w_{77}+w_{77}^{\′}\end{array}\right]$

计算当前目标点背景预测值，遍历整幅图像，得到星图的预测背景img_bkg：

$img\_bkg(x,y)=\underset{i=x-k}{\overset{x+k}{\Σ}}\underset{j=y-k}{\overset{y+k}{\Σ}}{W}_{ij}img(i,j)$

其中，img_bkg(x,y)为背景预测得到的像素灰度值，k为模板半径，img(i,j)为原始图像在模板内的点，W_i,j为其对应权值。

3.如权利要求2所述星敏感器的抗杂光干扰图像处理方法，其特征在于，

步骤2中，运用预测背景img_bkg对原始星图img作滤波处理，得到滤波图像img_rmt：

$img\_{\mathrm{rmt}}_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{img}}_{ij}-img\_{\mathrm{bkg}}_{ij},& {\mathrm{img}}_{ij}>img\_{\mathrm{bkg}}_{ij}\\ 0,& {\mathrm{img}}_{ij}\≤img\_{\mathrm{bkg}}_{ij}\end{array}\right..$

4.如权利要求3所述星敏感器的抗杂光干扰图像处理方法，其特征在于，步骤3中，根据探测器型号决定分割阈值T，T的取值范围为0～5；

对滤波图像做阈值分割后得到的目标图像：

trg(x,y)＝img_rmt-T。

5.如权利要求4所述星敏感器的抗杂光干扰图像处理方法，其特征在于，步骤4中，将目标图像中呈单点或双点特征的盐噪声去除。