CN108088441A - 一种星敏感器星点图像在轨实时下传系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种星敏感器星点图像在轨实时下传系统及方法，可实现星敏感器星点图像在轨实时下传，属于图像在轨下传技术领域。本发明根据星敏感器不同工作模式，对星图中的有效星点图像信息进行存储并下传，在保证不丢失有效星点图像信息的基础上，下传数据量大幅度减小，对于4Mbytes大小的图像，亦可实现50帧/秒的下传速度，保证了下传的实时性。

Description

一种星敏感器星点图像在轨实时下传系统及方法
技术领域
本发明涉及一种星敏感器星点图像在轨实时下传系统及方法，可实现星敏感器星点图像在轨实时下传，属于图像在轨下传技术领域。
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，经过图像处理计算得到航天器的惯性姿态。在轨图像下传为多数星敏感器具有的常规功能，通过在轨下传的图像可以进行故障诊断、精度评估、在轨标定。特别是对于精度高于1”的高精度星敏感器，通过在轨下传的图像进行精度评估、在轨标定是一项必需功能。当前一般星敏感器单帧图像数据量在1Mbytes以上，高精度星敏感器单帧图像数据量则达到4Mbytes以上，每秒拍摄星图可达到10帧以上，如此大的数据量在轨很难实现全帧实时下传。
目前，常见星敏感器在轨下图方法有如下几种。第一种是由FPGA控制将一帧图像缓存到外部大容量图像存储器中，处理器软件从存储器中读出所关注的图像区域，通过通讯接口进行局部图像区域下传。该方法星图处理与下传都需要处理器软件来完成，下图与处理需要分时进行，即在下图的时候，不能进行星图处理，在星图处理的时候不能下图，且受限于通讯接口速度，难以实现实时下传。第二种是抽帧进行下传，即不是每帧图像都下传，而是隔几帧抽取其中一帧图像进行下传，通常由FPGA先将一幅图像快速存储到大容量图像存储器中，然后再从存储器中读出慢速下传。该方法不能实现所有帧图像的下传，制约了星图数据的使用。第三种是采用FPGA先对图像数据进行压缩，然后再进行下传。该方法需要较复杂的算法对图像进行压缩，对FPGA速度及容量均提出了较高的要求，且不同图像压缩后数据量大小不同，对于高分辨率含杂光背景的星图，难以满足实时性要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星敏感器星点图像在轨实时下传系统及方法，该系统及方法能够实现星敏感器的快速、实时星点图像下传，且实现简单、下传时不影响处理器软件的正常星图处理计算。
本发明的技术解决方案是：
一种星敏感器星点图像在轨实时下传系统，该系统包括：图像传感器模块、FPGA模块和处理器模块；所述的FPGA模块中包括图像采集处理模块、星图存储器a模块、星图存储器b模块和图像下传控制模块；
所述的图像传感器模块用于对星空成像，得到原始图像，并将原始图像传输给FPGA模块中的图像采集处理模块；
所述的FPGA模块中的图像采集处理模块用于接收图像传感器模块发送的原始图像，且根据处理器模块设置的参数对接收到的原始图像进行处理得到有效星点图像信息，并将有效星点图像信息写入到星图存储器a模块和星图存储器b模块中进行备份存储；
所述的FPGA模块中的图像下传控制模块用于从星图存储器b模块中读出有效星点图像信息从下图接口进行下传；
所述的处理器模块用于从星图存储器a模块中读出存储的有效星点图像信息然后进行星点坐标提取、星图匹配识别、姿态数据解算处理，并将处理过程中得到的工作模式标志、星点窗口位置等参数写入到FPGA模块中的图像采集处理模块内，由图像采集处理模块根据处理器模块设置的参数对原始图像进行处理。
一种星敏感器星点图像在轨实时下传方法，该方法的步骤包括：
(1)图像传感器模块对星空进行周期性曝光成像，每获得一幅图像，将得到的原始图像逐像素输出给FPGA模块中的图像采集处理模块；
(2)FPGA模块中的图像采集处理模块在逐像素接收原始图像数据过程中，根据工作模式标志判断所要进行的处理，如果是捕获模式，则自主采用低通滤波器进行滤波处理得到高于背景阈值的有效星点像素信息，将有效星点像素信息写入到其内部的星图存储器a模块和星图存储器b模块中进行备份存储，如果是跟踪模式，则根据处理器设置的星点所在窗口的个数、大小、起始行列坐标等星点窗口位置参数，截取出星点所在的窗口图像信息，将窗口图像信息写入到其内部的星图存储器a模块和星图存储器b模块中进行备份存储，在一幅图像采集处理完成后，执行步骤(3)；
(3)处理器模块从星图存储器a模块中读出有效星点图像信息进行星点坐标提取、星图匹配识别、姿态数据解算处理，并根据处理结果对FPGA模块中的图像采集处理模块内的工作模式标志进行设置，同时将处理过程中得到的星点窗口位置写入到FPGA模块中的图像采集处理模块内；FPGA模块中的图像下传控制模块，从星图存储器b模块中读出有效星点图像信息从下图接口输出。所述的有效星点图像信息是指有效星点像素信息或窗口图像信息。
所述步骤2中，工作模式标志由步骤(3)中处理器模块在前一幅图像处理时得到并写入到图像采集处理模块中；有效星点像素信息包括像素个数、像素的行列坐标、像素灰度值、像素背景阈值；星点窗口位置由步骤(3)中处理器模块在前一幅图像处理时得到并写入到图像采集处理模块中，窗口个数取值范围为4～40，窗口大小为NxN个像素，N取值范围为20～40；窗口图像信息包括窗口个数、窗口大小、各个窗口的起始行列坐标、各个窗口内像素的灰度值。
有益效果
(1)本发明根据星敏感器不同工作模式，对图像中的有效星点图像信息进行存储并下传，在保证不丢失有效星点图像信息的基础上，下传数据量大幅度减小，对于4Mbytes大小的图像，亦可实现50帧/秒的下传速度，保证了下传的实时性。
(2)本发明中图像采集、存储、下传均由硬件FPGA完成，且处理简单，对FPGA速度及容量要求很低。在图像下传过程中，不影响处理器软件的正常星图处理计算。
附图说明
图1为本发明星敏感器星点图像在轨实时下传系统组成；
图2为本发明星敏感器星点图像在轨实时下传方法流程示意图。
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为本发明星敏感器星点图像在轨实时下传系统组成，主要包括图像传感器模块、FPGA模块和处理器模块，其中FPGA模块包括图像采集处理模块、星图存储器a模块、星图存储器b模块和图像下传控制模块；
所述的图像传感器模块用于对星空成像，得到原始图像，并将原始图像传输给FPGA模块中的图像采集处理模块；
所述的FPGA模块中的图像采集处理模块用于接收图像传感器模块发送的原始图像，且根据处理器模块设置的参数对接收到的原始图像进行处理得到有效星点图像信息，并将有效星点图像信息写入到星图存储器a模块和星图存储器b模块中进行备份存储。星图存储器a模块和星图存储器b模块容量各为20Kx12bit；
所述的FPGA模块中的图像下传控制模块用于从星图存储器b模块中读出有效星点图像信息从下图接口进行下传。图像下传接口采用高速同步串行LVDS接口；
所述的处理器模块用于从星图存储器a模块中读出存储的有效星点图像信息然后进行星点坐标提取、星图匹配识别、姿态数据解算处理，并将处理过程中得到的工作模式标志、星点窗口位置等参数写入到FPGA模块中的图像采集处理模块内，由图像采集处理模块根据处理器模块设置的参数对原始图像进行处理。
图2为本发明星敏感器星点图像在轨实时下传方法步骤，具体步骤如下：
(1)图像传感器模块对星空进行周期性曝光成像，每获得一幅图像，将得到的原始图像逐像素输出给FPGA模块中的图像采集处理模块；
(2)FPGA模块中的图像采集处理模块在逐像素接收原始图像数据过程中，根据工作模式标志判断所要进行的处理，如果是捕获模式，则自主采用低通滤波器进行滤波处理得到高于背景阈值的有效星点像素信息，将有效星点像素信息写入到其内部的星图存储器a模块和星图存储器b模块中进行备份存储，如果是跟踪模式，则根据处理器设置的星点所在窗口的个数、大小、起始行列坐标等星点窗口位置参数，截取出星点所在的窗口图像信息，将窗口图像信息写入到其内部的星图存储器a模块和星图存储器b模块中进行备份存储，在一幅图像采集处理完成后，执行步骤(3)；
(3)处理器模块从星图存储器a模块中读出有效星点图像信息进行星点坐标提取、星图匹配识别、姿态数据解算处理，并根据处理结果对FPGA模块中的图像采集处理模块内的工作模式标志进行设置，同时将处理过程中得到的星点窗口位置写入到FPGA模块中的图像采集处理模块内；FPGA模块中的图像下传控制模块，从星图存储器b模块中读出有效星点像素信息从下图接口输出。所述的有效星点图像信息是指有效星点像素信息或窗口图像信息。
所述步骤2中，工作模式标志由步骤(3)中处理器模块在前一幅图像处理时得到并写入到图像采集处理模块中；有效星点像素信息包括像素个数、像素的行列坐标、像素灰度值、像素背景阈值，表1为本发明FPGA内捕获模式有效星点像素信息存储格式；星点窗口位置由步骤(3)中处理器模块在前一幅图像处理时得到并写入到图像采集处理模块中，窗口个数取值范围为4～40，窗口大小为NxN个像素，N取值范围为20～40；窗口图像信息包括窗口个数、窗口大小、各个窗口的起始行列坐标、各个窗口内像素的灰度值，表2为本发明FPGA内跟踪模式窗口图像信息存储格式，其中窗口个数取值为19个、窗口大小取值为32x32个像素。
所述步骤(3)中处理器模块根据处理结果对FPGA模块中图像采集处理模块内的工作模式标志进行设置，具体为：初始采集处理第一幅图像时，FPGA模块内工作模式标志为捕获模式；在处理器模块求解出姿态数据后，将FPGA模块内的工作模式标志设置为跟踪模式；在处理器模块姿态求解失败时，将FPGA模块内的工作模式设置为捕获模式。
所述步骤(3)中处理器模块将处理过程中得到的星点窗口位置写入到FPGA模块中的图像采集处理模块内。具体为：处理器根据当前图像计算出的姿态数据及运动速度，预报下一帧敏感器视场中出现的星点并计算出这些星点在图像上的坐标位置。星点个数即为窗口个数。假设第i个星点在图像上的坐标位置为(ui,vi)，窗口大小为NxN，第i个窗口的起始行列坐标为(Ui,Vi)，则：
Ui＝ui-N/2
Vi＝vi-N/2
表1为本发明FPGA内捕获模式有效星点像素信息存储格式；
表2为本发明FPGA内跟踪模式窗口图像信息存储格式。
表1
表2
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 (10)

1.一种星敏感器星点图像在轨实时下传系统，其特征在于：该系统包括图像传感器模块、FPGA模块和处理器模块；所述的FPGA模块中包括图像采集处理模块、星图存储器a模块、星图存储器b模块和图像下传控制模块；
所述的图像传感器模块用于对星空成像，得到原始图像，并将原始图像传输给FPGA模块中的图像采集处理模块；
所述的FPGA模块中的图像采集处理模块用于接收图像传感器模块发送的原始图像，且根据处理器模块设置的参数对接收到的原始图像进行处理得到有效星点图像信息，并将有效星点图像信息写入到星图存储器a模块和星图存储器b模块中进行备份存储；
所述的FPGA模块中的图像下传控制模块用于从星图存储器b模块中读出有效星点图像信息从下图接口进行下传；
所述的处理器模块用于从星图存储器a模块中读出存储的有效星点图像信息，并对读取的有效星点图像信息进行处理，并将处理过程中得到的工作模式标志和星点窗口位置写入到FPGA模块中的图像采集处理模块内，由图像采集处理模块根据处理器模块设置的参数对原始图像进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种星敏感器星点图像在轨实时下传系统，其特征在于：所述的处理器模块对读取的有效星点图像信息进行处理的过程包括星点坐标提取、星图匹配识别和姿态数据解算，且在进行处理的过程中会产生工作模式标志和星点窗口位置。
3.一种星敏感器星点图像在轨实时下传方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)图像传感器模块对星空进行周期性曝光成像，得到原始图像，并将得到的原始图像逐像素输出给FPGA模块中的图像采集处理模块；
(2)FPGA模块中的图像采集处理模块在逐像素接收原始图像数据过程中，根据工作模式标志判断所要进行的处理，如果是捕获模式，则自主采用低通滤波器进行滤波处理得到高于背景阈值的有效星点像素信息，将有效星点像素信息写入到其内部的星图存储器a模块和星图存储器b模块中进行备份存储，如果是跟踪模式，则根据处理器设置的星点窗口位置，截取出星点所在的窗口图像信息，将窗口图像信息写入到其内部的星图存储器a模块和星图存储器b模块中进行备份存储，在一幅图像采集处理完成后，执行步骤(3)；
(3)处理器模块从星图存储器a模块中读出有效星点图像信息进行处理，并根据处理过程中产生的工作模式标志对FPGA模块中的图像采集处理模块内的工作模式标志进行设置，同时将处理过程中产生的星点窗口位置写入到FPGA模块中的图像采集处理模块内；FPGA模块中的图像下传控制模块，从星图存储器b模块中读出有效星点图像信息从下图接口输出；所述的有效星点图像信息是指有效星点像素信息或窗口图像信息。
4.根据权利要求3所述的一种星敏感器星点图像在轨实时下传方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，工作模式标志是由处理器模块对读取的前一幅图像的有效星点图像信息进行处理的过程中产生的，处理器模块将产生的工作模式标志发送给FPGA模块中的图像采集处理模块。
5.根据权利要求3所述的一种星敏感器星点图像在轨实时下传方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，所述的有效星点像素信息包括像素个数、像素的行列坐标、像素灰度值和像素背景阈值。
6.根据权利要求3所述的一种星敏感器星点图像在轨实时下传方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，所述的星点窗口位置包括星点窗口的个数、星点窗口的大小和星点窗口的起始行列坐标，星点窗口位置是由处理器模块对读取的前一幅图像的有效星点图像信息进行处理的过程中产生的，处理器模块将产生的星点窗口位置发送给FPGA模块中的图像采集处理模块。
7.根据权利要求6所述的一种星敏感器星点图像在轨实时下传方法，其特征在于：窗口个数取值范围为4～40。
8.根据权利要求6所述的一种星敏感器星点图像在轨实时下传方法，其特征在于：窗口大小为NxN个像素，N取值范围为20～40。
9.根据权利要求3所述的一种星敏感器星点图像在轨实时下传方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，所述的窗口图像信息包括窗口个数、窗口大小、各个窗口的起始行列坐标和各个窗口内像素的灰度值。
10.根据权利要求3所述的一种星敏感器星点图像在轨实时下传方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，处理器模块读取有效星点图像信息进行处理的过程包括星点坐标提取、星图匹配识别和姿态数据解算处理。
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