CN108827281B - 一种星敏感器的组合成像驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种星敏感器的组合成像驱动方法，生成窗口控制字，其包含驱动控制字和块控制字，块控制字包含行块控制字和列块控制字，驱动控制字用于表征采用全帧驱动模式或窗口驱动模式，行块控制字表征窗口所在位置的行区域，列块控制字表征窗口所在位置的列区域，读取窗口控制存储器的窗口控制字判断要求的驱动模式，若为全帧驱动模式，则逐行逐个读取全部像素获得全帧图像，若为窗口驱动模式，则对探测器进行积分电荷复位，然后累积曝光，最后根据窗口控制字中的块控制字采集窗口图像。本发明有效地提高了星点提取能力，保障了星敏感器的姿态有效性，减少了计算量，缩短了帧周期，提高了星敏感器的数据更新率，节省了资源占用，提高了星敏感器的动态性能。

Description

一种星敏感器的组合成像驱动方法

技术领域

本发明涉及一种星敏感器的组合成像驱动方法。

背景技术

星敏感器是目前卫星配备的精度最高的姿态敏感器，是一种需对星空成像的光学敏感装置，其成像部件为光电探测器，是其最主要的信息输入单元。探测器由驱动信号等控制输出星图，为后续的星图处理、星点提取、姿态解算等一系列工作提供基础。星敏感器的图像预处理是星敏感器运行的关键之一。一般地，为提高星图处理的效果，会在星敏感器进入星跟踪状态后，调整探测器驱动策略，仅输出指定区域星图。这就要求探测器的驱动需要具有全帧图像输出和局部图像输出的组合模式，以适应不同的工作状态。经由星跟踪预测算法指导，在跟踪模式下，预测在一帧中星点所在窗口位置，称为跟踪恒星窗口(简称窗口)，指定驱动时序电路读取相应的图像像素，在窗口中提取星点，以此提高星敏感器的星点提取能力，进而保障星敏感器姿态数据有效，压缩星敏感器的帧周期，进而提高星敏感器的数据更新率，压缩星敏感器的曝光时间，从而有助于提高星敏感器的动态性能。

通常地，采用全帧驱动为最简单的图像采集方式，控制策略较为单一，处理结果不如窗口采集精细。现有的窗口采集驱动方法，或以窗口起始坐标为依据，设计策略不尽相同，探测器的适应性不佳。

发明内容

本发明提供一种星敏感器的组合成像驱动方法，采用窗口驱动模式有效地提高了星点提取能力，保障了星敏感器的姿态有效性，减少了计算量，缩短了帧周期，提高了星敏感器的数据更新率，节省了资源占用，提高了星敏感器的动态性能。

为了达到上述目的，本发明提供一种星敏感器的组合成像驱动方法，包含以下步骤：

星敏感器中的CPU模块根据预测的星点坐标生成窗口控制字存储在窗口控制存储器中，窗口控制字包含驱动控制字和块控制字，块控制字包含行块控制字和列块控制字，驱动控制字用于表征采用全帧驱动模式或窗口驱动模式，行块控制字表征窗口所在位置的行区域，列块控制字表征窗口所在位置的列区域；

星敏感器中的FPGA模块读取窗口控制存储器的窗口控制字，根据驱动控制字判断要求的驱动模式；若为全帧驱动模式，则FPGA模块逐行逐个读取全部像素，获得全帧图像存入图像存储器；若为窗口驱动模式，则FPGA模块首先对探测器进行积分电荷复位，然后根据设定时间累积曝光，曝光完成后，根据窗口控制字中的块控制字采集窗口图像，并将其写入图像存储器。

窗口控制字的每个字占用窗口控制存储器中的一个地址；窗口控制存储器中的首地址存储驱动控制字，该驱动控制字的最高位有效，如果最高位为1，表征驱动模式为全帧驱动，如果最高位为0，表征驱动模式为窗口驱动；窗口控制存储器中除首地址外的其他地址存储块控制字，控制字的最高位为1时，表征该块控制字是行块控制字，该行块控制字的其余位存储的是行块编号，块控制字的最高位为0时，表征该块控制字是列块控制字，该列块控制字的其余位存储的是列块编号，每一个行块控制字配合一个列块控制字即指定一个窗口。

每个行块控制字后可跟多个列块控制字，行块控制字不会连续出现。

整个探测器像面以固定步长划分行块和列块，窗口位置由行块编号和列块编号确定，为每个星点指定以其质心为中心的四连通域相关的共5个块为其所属窗口图像，每个窗口中仅包含1颗跟踪恒星，窗口图像互不重叠，相互独立。

在全帧驱动模式下，将地址寄存器配置至第一个像元，首先产生行选择驱动时序，配置将要读出及复位的行，然后进行行读出，将读出行的像素逐一输出，行读出后，产生像素读取驱动时序，逐个输出像素信息，如此循环往复，直至输出全部像素，完成一帧图像的读取，将该全帧图像存入图像存储器。

在窗口驱动模式下，曝光时间的范围是15ms～80ms。

采集窗口图像时，先读取行块控制字，在行方向上，依次读取一行内全部所需窗口的像素，再转至图像的下一行，依次读取列块控制字，如此反复，直至指定窗口大小的图像全部读出，再读取后续块控制字。

将采集到的窗口图像写入图像存储器之后，将窗口采集控制字作为特征戳记写入图像存储器的指定地址单元。

本发明具有以下优点和有益效果：

1、采用全帧驱动和窗口驱动两种模式组合，分别满足全天识别和星跟踪的需求，有效地提高了星点提取能力，保障了星敏感器的姿态有效性，窗口驱动模式下读出窗口图像所需的时间短，减少了计算量，缩短了帧周期，提高了星敏感器的数据更新率。

2、通过构造窗口控制字来确定窗口数量、各个窗口位置和窗口尺寸，减少了控制信息的数据量，缩短了处理周期，节省了资源占用。

3、采用多窗口独立驱动的控制策略，每个星点的选取相互独立，星点可能出现在像面中的任意位置，对应图像中的多个独立随机窗口，针对性提取目标星点，提高星点提取能力和抗杂散光、虚假目标干扰的能力，从而保障星敏感器数据有效率，提升姿态精度。

4、窗口驱动模式下的曝光时间连续可调，通过缩短曝光时间，提高了星敏感器的动态性能。

附图说明

图1是本发明提供的一种星敏感器的组合成像驱动方法的流程图。

图2是窗口分布示意图。

图3是窗口控制存储器的结构示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图3，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种星敏感器的组合成像驱动方法，包含以下步骤：

步骤S1、星敏感器中的CPU模块根据预测的星点坐标生成跟踪恒星窗口图像采集控制字(简称“窗口控制字”)存储在窗口控制存储器中；

所述的窗口控制字包含512个字，每个字为8字节(8bit)，窗口控制字全部存储在窗口控制存储器中，即窗口控制存储器的大小为512×8bit，窗口控制字的每个字占用窗口控制存储器中的一个地址；窗口控制存储器中的首地址存储驱动控制字，该驱动控制字的最高位有效，如果最高位为1，表征驱动模式为全帧驱动，如果最高位为0，表征驱动模式为窗口驱动；窗口控制存储器中除首地址外的其他地址存储块控制字，所述的块控制器包含行块控制字和列块控制字，行块控制字标识窗口所在位置的行区域，列块控制字标识窗口所在位置的列区域块；整个探测器像面以固定步长划分行块和列块，窗口只能为其中某一个块，其位置由行块编号和列块编号确定，因此在窗口控制存储器中，每一个行块控制字配合一个列块控制字即可指定一个窗口；控制字的最高位为1时，表征该块控制字是行块控制字，该行块控制字的低7位存储的是行块编号，块控制字的最高位为0时，表征该块控制字是列块控制字，该列块控制字的低7位存储的是列块编号；每个行块控制字后可跟多个列块控制字，行块控制字不会连续出现；

在本实施例中，如图2所示，设探测器的像元分辨率为N×N，将像面以步长l均等划分为(N/l)²个网格，行方向对齐的(N/l)个网格称为网格带；每个星点窗口由5个网格组成，设某颗恒星的预测位置由图中黑色十字标示，该恒星所在网格由阴影标示，网格行方向与列方向坐标依次为

其中(x，y)为预测恒星坐标，提出窗口采集要求时，应包含其四邻域联通的5个网格；为每个星点指定以其质心为中心的四连通域相关的共5个图像网格为其所属窗口图像，每个窗口中仅包含1颗跟踪恒星，窗口图像互不重叠，同一行相连的图像可连续输出，跟踪恒星所在窗口彼此相互独立，连通窗口的采集保证了恒星星斑的完整采集，窗口独立保证每个像元曝光时间的一致性；行方向网格边界依次为0，l-1，2l-1，……，N-1，列方向网格边界依次为0，l-1，2l-1，……，N-1，两个方向的网格编号范围0～N/l；设本帧星图包含2个星点，分别以编号1和编号2表示，各占5个网格，如图3所示，窗口控制存储器中的首地址(0地址)中存储驱动控制字，该驱动控制字的最高位为0，表征驱动模式为窗口驱动，地址1到地址15暂不使用，自地址16起，每个地址单元中存储块控制字，地址16的最高位为1，表征该块控制字为行块控制字，该行块控制字的低7位存储的是编号为1的星点的行块编号，地址17的最高位为0，表征该块控制字是列块控制字，该列块控制字的低7位存储的是编号为1的星点的列块编号。

步骤S2、星敏感器中的FPGA模块读取窗口控制存储器的窗口控制字，根据驱动控制字判断要求的驱动模式，若为全帧驱动模式，则进行步骤S3，若为窗口驱动模式，则进行步骤S4；

步骤S3、FPGA模块逐行逐个读取全部像素，获得全帧图像存入图像存储器；

在全帧驱动模式下，将地址寄存器配置至第一个像元，首先产生行选择驱动时序，配置将要读出及复位的行，然后进行行读出，将读出行的像素逐一输出，行读出后，产生像素读取驱动时序，逐个输出像素信息，如此循环往复，直至输出全部像素，完成一帧图像的读取，将该全帧图像存入图像存储器，接下来CPU模块读取图像存储器中的全帧图像数据，提取星点进行姿态解算；

步骤S4、FPGA模块首先对探测器进行积分电荷复位，然后根据设定时间累积曝光，曝光完成后，根据窗口控制字中的块控制字采集窗口图像，并将其写入图像存储器；

所述的曝光时间可以根据成像需求动态调整，一般设置为15ms～80ms。本实施例中，累积曝光80ms；

采集窗口图像时，先读取行块控制字，在行方向上，依次读取一行内全部所需窗口的像素，再转至图像的下一行，依次读取列块控制字，如此反复，直至指定窗口大小的图像全部读出，再读取后续块控制字；

窗口图像依编号大小次序排列，同一窗口图像的像素连续存储；

将采集到的窗口图像写入图像存储器之后，将窗口采集控制字作为特征戳记写入图像存储器的指定地址单元，此时即结束一帧图像的窗口驱动，等待下一个帧周期的到来；CPU模块读取图像存储器中的窗口图像数据(若数据无效，则舍弃该帧数据)，提取星点进行姿态解算；

在窗口驱动模式下，采用“积分电荷复位—累积曝光—图像采集”三步模式，使曝光中点时刻的波动误差达到统计意义上的最小，曝光时间可调有利于实现动态工况下的曝光控制，三步模式控制了曝光中点时刻的稳定性，使姿态计算的误差更小。

本发明具有以下优点和有益效果：

1、采用全帧驱动和窗口驱动两种模式组合，分别满足全天识别和星跟踪的需求，有效地提高了星点提取能力，保障了星敏感器的姿态有效性，窗口驱动模式下读出窗口图像所需的时间短，减少了计算量，缩短了帧周期，提高了星敏感器的数据更新率。

2、通过构造窗口控制字来确定窗口数量、各个窗口位置和窗口尺寸，减少了控制信息的数据量，缩短了处理周期，节省了资源占用。

3、采用多窗口独立驱动的控制策略，每个星点的选取相互独立，星点可能出现在像面中的任意位置，对应图像中的多个独立随机窗口，针对性提取目标星点，提高星点提取能力和抗杂散光、虚假目标干扰的能力，从而保障星敏感器数据有效率，提升姿态精度。

4、窗口驱动模式下的曝光时间连续可调，通过缩短曝光时间，提高了星敏感器的动态性能。

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 (3)

1.一种星敏感器的组合成像驱动方法，其特征在于，包含以下步骤：

星敏感器中的CPU模块根据预测的星点坐标生成窗口控制字存储在窗口控制存储器中，窗口控制字包含驱动控制字和块控制字，块控制字包含行块控制字和列块控制字，驱动控制字用于表征采用全帧驱动模式或窗口驱动模式，行块控制字表征窗口所在位置的行区域，列块控制字表征窗口所在位置的列区域；

星敏感器中的FPGA模块读取窗口控制存储器的窗口控制字，根据驱动控制字判断要求的驱动模式；若为全帧驱动模式，则FPGA模块逐行逐个读取全部像素，获得全帧图像存入图像存储器；若为窗口驱动模式，则FPGA模块首先对探测器进行积分电荷复位，然后根据设定时间累积曝光，曝光完成后，根据窗口控制字中的块控制字采集窗口图像，并将其写入图像存储器；

窗口控制字的每个字占用窗口控制存储器中的一个地址；窗口控制存储器中的首地址存储驱动控制字，该驱动控制字的最高位有效，如果最高位为1，表征驱动模式为全帧驱动，如果最高位为0，表征驱动模式为窗口驱动；窗口控制存储器中除首地址外的其他地址存储块控制字，控制字的最高位为1时，表征该块控制字是行块控制字，该行块控制字的其余位存储的是行块编号，块控制字的最高位为0时，表征该块控制字是列块控制字，该列块控制字的其余位存储的是列块编号，每一个行块控制字配合一个列块控制字即指定一个窗口；

整个探测器像面以固定步长划分行块和列块，窗口位置由行块编号和列块编号确定，为每个星点指定以其质心为中心的四连通域相关的共5个块为其所属窗口图像，每个窗口中仅包含1颗跟踪恒星，窗口图像互不重叠，相互独立；

在窗口驱动模式下，曝光时间的范围是15ms～80ms；

采集窗口图像时，先读取行块控制字，在行方向上，依次读取一行内全部所需窗口的像素，再转至图像的下一行，依次读取列块控制字，如此反复，直至指定窗口大小的图像全部读出，再读取后续块控制字；

在全帧驱动模式下，将地址寄存器配置至第一个像元，首先产生行选择驱动时序，配置将要读出及复位的行，然后进行行读出，将读出行的像素逐一输出，行读出后，产生像素读取驱动时序，逐个输出像素信息，如此循环往复，直至输出全部像素，完成一帧图像的读取，将该全帧图像存入图像存储器。

2.如权利要求1所述的星敏感器的组合成像驱动方法，其特征在于，每个行块控制字后可跟多个列块控制字，行块控制字不会连续出现。

3.如权利要求1所述的星敏感器的组合成像驱动方法，其特征在于，将采集到的窗口图像写入图像存储器之后，将窗口采集控制字作为特征戳记写入图像存储器的指定地址单元。

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