CN107507123B - 星敏感器快速波门图像处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种星敏感器快速波门图像处理系统，包括CPU和FPGA；所述FPGA包括波门控制存储器、波门采集模块、波门数据存储器、像素簇首像素地址存储器以及像素簇处理模块。本发明首次在国内星敏感器领域提出以导航星为质心提取的像素簇中心的波门图像处理方法，能够CPU协助处理下，仅由FPGA完成波门数据采集、像素簇的背景估计以及星点特征量的计算；本发明中采用像素簇中所有像素的灰度值评估像素簇内的背景，即计算像素簇内所有像素的灰度均值，能够显著提高星敏感器测量精度；本发明充分发挥FPGA并行处理优势，能够同步处理若干像素簇，同时提取所有像素簇的星点质心。

Description

星敏感器快速波门图像处理系统及方法
技术领域
本发明涉及星敏感器，具体地，涉及一种星敏感器快速波门图像处理系统及方法。
背景技术
星敏感器是一种高精度的航天器姿态测量仪器，主要用于空间飞行器三轴姿态测量和空间飞行器导航，其精度对航天器的姿态测量、控制和可靠性起着重要作用。
星敏感器精度与用于确定姿态的星点数量和质量密切相关，数量指有效的定姿星数，质量指单星定位精度。定姿星数的增加有利于降低噪声等效角(Noise EquivalentAngular,NEA)，NEA反映星敏感器由一定光信号激励再生出相应姿态的能力。实际星空中暗弱星点占据大多数，增加星敏感器定姿星数需从提取弱星着手。另外，星敏感器在轨还会遇到杂光干扰、机动模糊、辐射噪声等复杂问题。这些问题严重时将造成星敏感器姿态数据无效，与弱星问题共同构成了星图处理的前沿难题。
德国Jena-Optronik星敏感器ASTRO10在星跟踪模式下采用以波门外沿像素均值评估波门内背景，减去背景获得残差图像，设置固定阈值偏移量分割残差图像得到目标。
毛晓楠等在《宇航学报》(2011，32<3>：613-619)上发表论文《基于并行运算体系结构的星敏感器图像处理算法》，采用FPGA并行提取星敏感器星点质心的一种算法，该算法以16×16像素为子区域，将探测器像面按顺序划分为若干个同等大小子区域，以每个子区域的灰度均值作为该子区域的背景值，以背景值加上固定的阈值偏移量作为阈值，提取星点质心。但该方法无论星点位置如何，子区域位置总是按照预先划分的固定，缺少灵活性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星敏感器快速波门图像处理系统及方法。
根据本发明提供的星敏感器快速波门图像处理系统，包括CPU和FPGA；所述FPGA包括波门控制存储器、波门采集模块、波门数据存储器、像素簇首像素地址存储器以及像素簇处理模块；
所述CPU，用于根据星敏感器星库中的导航星坐标，生成波门控制数据，并写入到波门控制存储器中，用于将采集到的波门的像素簇中像素簇首像素地址写入像素簇首像素地址存储器中；
所述波门采集模块，用于读取波门控制存储器中的波门控制数据，并根据波门控制数据采集对应波门的像素簇，进而将所述像素簇中所有像素灰度值存储至波门数据存储器中；
所述像素簇处理模块，用于读取像素簇首像素地址存储器中的像素簇首像素地址并根据所述像素簇首像素地址提取以导航星坐标为中心的像素簇，遍历以导航星坐标为中心的像素簇的所有像素，求取所有像素的灰度均值作为估计背景，进而基于估计背景遍历导航星坐标为中心的像素簇的所有像素，提取星点特征量，进而由CPU读取星点特征量，并计算出星点质心坐标。
优选地，所述FPGA还包括星点特征量存储器；
所述星点特征量存储器，用于存储星点特征量。
优选地，所述波门为将星敏感器中探测器像面按照Z×Z像素划分成的若干波门，Z为正整数；
所述波门控制数据为波门的控制信息；所述Z×Z像素形成波门的像素簇。
优选地，每个导航星最少对应的采集波门数为1，最多对应的采集波门数为4。
优选地，所述Z×Z像素为8×8像素。
优选地，所述波门控制数据的1bit对应一个波门的控制信息，0表示无需采集该波门的像素簇，1表示需采集该波门的像素簇。
本发明提供的星敏感器快速波门图像处理方法，采用所述的星敏感器快速波门图像处理系统，包括如下步骤：
步骤S1：根据星敏感器星库中的导航星坐标，生成波门控制数据，并写入到波门控制存储器中；
步骤S2：读取波门控制存储器中的波门控制数据，并将波门控制数据对应波门的像素簇中所有像素灰度值存储至波门数据存储器中；
步骤S3：将采集到的波门的像素簇中像素簇首像素地址写入像素簇首像素地址存储器中；
步骤S4：读取像素簇首像素地址存储器中的像素簇首像素地址并根据所述像素簇首像素地址提取以导航星坐标为中心的像素簇，遍历以导航星坐标为中心的像素簇的所有像素，求取所有像素的灰度均值作为估计背景，进而基于估计背景遍历导航星坐标为中心的像素簇的所有像素，提取星点特征量，进而由CPU读取星点特征量，并计算出星点质心坐标。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明首次在国内星敏感器领域提出以导航星为质心提取的像素簇中心的波门图像处理方法，能够CPU协助处理下，仅由FPGA完成波门数据采集、像素簇的背景估计以及星点特征量的计算；
2、本发明中采用像素簇中所有像素的灰度值评估像素簇内的背景，即计算像素簇内所有像素的灰度均值，能够显著提高星敏感器测量精度；
3、本发明充分发挥FPGA并行处理优势，能够同步处理若干像素簇，同时提取所有像素簇的星点质心；
4、本发明中由于根据星库中的导航星坐标采集波门数据，且像素簇的大小较小，因此可以直接以像素簇的灰度均值作为提取星点的阈值，因此可提高星敏感器的弱星提取能力及星点利用率，显著提高星敏感器测量精度，并进一步提升星敏感器抗杂光能力。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中星敏感器快速波门图像处理系统的示意框图；
图2为本发明中波门控制的示意图；
图3为本发明中波门数据采集的示意图；
图4为本发明中像素簇及质心提取的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。
以星敏感器探测器面阵为1024×1024像素为例。波门大小为8×8像素，将探测器面阵划分为16384个波门。每幅星图最多可处理存储32个星点，每个星点根据坐标位置，最多需采集4个波门数据，少则采集1或2个波门数据。FPGA给每个星点预留了可采集4个波门数据的存储空间，即1024×16bit(像素灰度值为12bit)。
如图1所示，CPU根据导航星坐标，提供需要采集的波门控制数据存储至FPGA中的波门控制存储器中，FPGA读取波门控制存储器中波门控制数据，采集相应的波门图像数据，存储至波门数据存储器中。像素簇处理模块以导航星坐标为中心，根据CPU提供的像素簇首像素地址，从采集的波门中提取8×8的像素簇用于星点质心提取。FPGA根据像素簇进行背景估计和星点质心的计算，并将计算结果存储至星点特征量存储器中，供CPU访问，计算星点质心坐标。
如图2所示，图中红色部分为实际的星点位置，其中标号为1的像素坐标为星库中的导航星坐标(取整后)，根据导航星坐标，需提取以此为中心的8×8的波门对应的像素簇，因此需要采集标号为130、131、258和259的四个波门的像素簇，因此将波门控制存储器中这四个波门对应的地址中写入1，其他无需采集波门数据的地址空间中写入0。
如图3所示，为图2中编号为130、131、258和259的四个波门，FPGA根据波门控制存储器的值，将该四个波门的所有像素灰度值写入到该星点对应的波门数据存储器中，供后续处理。
如图4所示，根据CPU提供的像素簇首像素地址，FPGA以导航星坐标为中心(图中编号为1的像素)，从采集的波门的像素簇中，提取8×8大小的像素簇，遍历像素簇两遍，第一遍用于估计像素簇的背景灰度(像素簇中所有像素的灰度值求平均值)；第二遍根据背景灰度值，求取像素簇中的星点质心特征量，并将特征量存储至星点特征量存储器中，供CPU读取，并计算出导航星的星点质心坐标。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种星敏感器快速波门图像处理系统，其特征在于，包括CPU和FPGA；所述FPGA包括波门控制存储器、波门采集模块、波门数据存储器、像素簇首像素地址存储器以及像素簇处理模块；
所述CPU，用于根据星敏感器星库中的导航星坐标，生成波门控制数据，并写入到波门控制存储器中，用于将采集到的波门的像素簇中像素簇首像素地址写入像素簇首像素地址存储器中；
所述波门采集模块，用于读取波门控制存储器中的波门控制数据，并根据波门控制数据采集对应波门的像素簇，进而将所述像素簇中所有像素灰度值存储至波门数据存储器中；
所述像素簇处理模块，用于读取像素簇首像素地址存储器中的像素簇首像素地址并根据所述像素簇首像素地址提取以导航星坐标为中心的像素簇，遍历以导航星坐标为中心的像素簇的所有像素，求取所有像素的灰度均值作为估计背景，进而基于估计背景遍历导航星坐标为中心的像素簇的所有像素，提取星点特征量，进而由CPU读取星点特征量，并计算出星点质心坐标。
2.根据权利要求1所述的星敏感器快速波门图像处理系统，其特征在于，所述FPGA还包括星点特征量存储器；
所述星点特征量存储器，用于存储星点特征量。
3.根据权利要求1所述的星敏感器快速波门图像处理系统，其特征在于，所述波门为将星敏感器中探测器像面按照Z×Z像素划分成的若干波门，Z为正整数；
所述波门控制数据为波门的控制信息；所述Z×Z像素形成波门的像素簇。
4.根据权利要求1所述的星敏感器快速波门图像处理系统，其特征在于，每个导航星最少对应的采集波门数为1，最多对应的采集波门数为4。
5.根据权利要求3所述的星敏感器快速波门图像处理系统，其特征在于，所述Z×Z像素为8×8像素。
6.根据权利要求3所述的星敏感器快速波门图像处理系统，其特征在于，所述波门控制数据的1bit对应一个波门的控制信息，0表示无需采集该波门的像素簇，1表示需采集该波门的像素簇。
7.一种星敏感器快速波门图像处理方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述的星敏感器快速波门图像处理系统，包括如下步骤：
步骤S1：根据星敏感器星库中的导航星坐标，生成波门控制数据，并写入到波门控制存储器中；
步骤S2：读取波门控制存储器中的波门控制数据，并将波门控制数据对应波门的像素簇中所有像素灰度值存储至波门数据存储器中；
步骤S3：将采集到的波门的像素簇中像素簇首像素地址写入像素簇首像素地址存储器中；
步骤S4：读取像素簇首像素地址存储器中的像素簇首像素地址并根据所述像素簇首像素地址提取以导航星坐标为中心的像素簇，遍历以导航星坐标为中心的像素簇的所有像素，求取所有像素的灰度均值作为估计背景，进而基于估计背景遍历导航星坐标为中心的像素簇的所有像素，提取星点特征量，进而由CPU读取星点特征量，并计算出星点质心坐标。
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