CN109141403A - 一种星敏感器小窗口访问的图像处理系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星敏感器小窗口访问的图像处理系统及其方法，CPU提供需要采集的小窗口坐标，FPGA根据坐标采集小窗口内像素的灰度数据。本发明由CPU协助FPGA处理，CPU提供需采集的小窗口行块号和列块号，FPGA根据CPU提供的行、列块号，采集对应的小窗口内像素的灰度数据，再将采集的数据提供给CPU作图像处理。本发明采用的通过行块号和列块号的波门采集策略可以在不显著提高数据量的基础上，设定一个较小的采集窗口；本发明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。

Description

一种星敏感器小窗口访问的图像处理系统及其方法

技术领域

本发明涉及星敏感器探测领域，特别涉及一种星敏感器小窗口访问的图像处理系统及其方法。

背景技术

星敏感器是一种高精度的航天器姿态测量仪器，是卫星平台姿轨控系统的核心测量部件，其精度、抗杂散光能力等对航天器的姿态测量、控制精度和可靠性起着重要作用。

星敏感器测量精度与用于姿态确定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、机动模糊等问题。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。

余路伟等在《上海航天》(2016，33<4>：26-31)上发表论文《星敏感器抗杂光背景滤波图像处理方法研究》，采用边缘估计中心点背景，并将目标点本身引入背景估计。但该方法设计复杂，不利于软件设计，且通用性较差，不同工况下，较多参数需要调整。

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，且16×16像素的子区域偏大，缺少灵活性。

发明内容

本发明的目的是提供一种星敏感器小窗口访问的图像处理系统及其方法，采用CPU和FPGA协同工作，CPU给出小窗口访问控制数据，FPGA采集小窗口访问数据，可提高星敏感器的弱星提取能力及星点利用率，以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。

为了达到上述目的，本发明提供了一种星敏感器小窗口访问的图像处理系统，包含：

FPGA模块，其内部设置有CPU接口模块、小窗口访问控制存储器和小窗口访问数据采集模块；所述小窗口访问控制存储器分别与所述CPU接口模块和所述小窗口访问数据采集模块连接；

CPU，其与所述CPU接口模块连接，将小窗口访问控制数据写入至所述小窗口访问控制存储器；

外部SRAM，其分别与所述CPU接口模块和所述小窗口访问数据采集模块连接；所述小窗口访问数据采集模块根据小窗口访问控制存储器的数据，采集相应的小窗口图像数据，并按顺序写入至所述外部SRAM中；所述CPU以导航星坐标为中心，从所述外部SRAM中采集的小窗口访问数据中提取窗口，并通过所述CPU接口模块读取至所述CPU内并进行处理。

优选地，所述星敏感器的探测器面阵按照8×8像素大小划分为若干小窗口。

优选地，所述星敏感器的探测器面阵为1024×1024像素，所述探测器面阵被划分为16384个小窗口。

优选地，每幅星图最多处理存储32个星点。

优选地，所述小窗口访问控制存储器为所述FPGA模块内的块RAM。

优选地，所述CPU以导航星的坐标为中心，从采集的4个小窗口的数据中再提取9×9大小的窗口，用于背景估计和星点质心提取。

优选地，所述小窗口图像数据包含根据所述小窗口访问控制数据指定的小窗口中所有像素灰度值。

优选地，所述小窗口访问数据采集模块根据所述小窗口访问控制存储器的数据，将4个小窗口的所有像素灰度值写入到该星点对应的外部SRAM的相关地址空间中。

优选地，所述小窗口访问控制数据包括行块信息和列块信息，所述小窗口访问数据采集模块根据行块、列块信息采集小窗口数据；每个小窗口对应一组行块号和列块号，最高位为1的控制数据为行块信息，最高位为0的控制数据为列块信息；除了最高位1，剩余的位表征行块号；除了最高位0，剩余的位表征列块号。

本发明还提供了一种基于如上文所述的星敏感器小窗口访问的图像处理系统的星敏感器小窗口访问的图像处理方法，该方法包含以下步骤：

S1、CPU根据星敏感器星库中的导航星信息，生成小窗口访问控制数据，并写入FPGA模块中的小窗口访问控制存储器中；

S2、FPGA模块中的小窗口访问数据采集模块根据读取的小窗口访问控制存储器的数据，将采集的对应小窗口访问数据存储至外部SRAM中；

S3、所述CPU读取从所述外部SRAM中采集的小窗口访问数据，进行背景估计和星点质心的提取；

S4、CPU根据提取的星点质心和导航星信息，计算出星敏感器姿态，并生成下一帧小窗口访问控制数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明在星敏感器领域提出将星敏感器探测器像面按照8×8像素大小划分为若干小窗口，采用CPU和FPGA协同工作的方式，以导航星信息为中心采集小窗口，并从采集的小窗口数据中再以导航星坐标为中心提取N×N(可根据实际情况调整)大小的窗口，用于背景估计和星点提取。本发明通过行块号和列块号的波门采集策略可以在不显著提高数据量的基础上，设定一个较小的采集窗口。本发明由于根据星库中的导航星坐标采集的窗口数据，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

图1本发明的星敏感器小窗口访问的图像处理方法及系统总体框图；

图2本发明的小窗口访问控制设计示意图；

图3本发明的小窗口访问数据采集设计示意图；

图4本发明的背景估计及质心提取设计示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种星敏感器小窗口访问的图像处理系统及其方法，为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的星敏感器小窗口访问的图像处理系统包含CPU(中央处理器)、FPGA模块和外部SRAM(静态随机存取存储器)。

FPGA模块内设置有CPU接口模块、小窗口访问控制存储器和小窗口访问数据采集模块。其中，CPU接口模块分别与CPU、小窗口访问控制存储器和外部SRAM连接；小窗口访问数据采集模块分别与小窗口访问控制存储器和外部SRAM连接。

CPU根据导航星坐标，提供需要采集的小窗口访问控制数据，CPU通过CPU接口模块将小窗口访问控制数据写入(存储)至FPGA模块的小窗口访问控制存储器中。FPGA模块中的小窗口访问数据采集模块根据小窗口访问控制存储器的值，采集相应的小窗口图像数据(即根据小窗口访问控制数据指定的小窗口中所有像素的灰度值)，并按顺序写入(存储)至外部SRAM(静态随机存取存储器)中。

每颗导航星需要采集M(可根据实际情况调整)个小窗口的数据，CPU以导航星的坐标为中心，从采集的M(可根据实际情况调整)个小窗口的数据中再提取N×N(可根据实际情况调整)大小的窗口，用于背景估计和星点质心提取。

例如，CPU以导航星坐标(取整)为中心，从外部SRAM中采集的小窗口访问数据中提取9×9大小的窗口，并通过CPU接口模块读取至CPU内并进行处理(例如背景估计及质心提取等处理)。

示例地，小窗口访问控制存储器为FPGA模块内部的块RAM。

如图2所示，设本帧星图包含2个星点，分别以编号1、2表示，各占4个小窗口(图2中一个格子表示一个窗口)。

本实施例中，小窗口的位置信息通过小窗口访问控制数据表征，即意味着CPU提供需要采集的小窗口坐标。每个小窗口对应一组行块号和列块号，字节的最高位表征行块信息或列块信息，即小窗口访问控制数据包括行块信息和列块信息。其中，最高bit(位)为1的控制数据为行块信息，除了最高bit的1，剩余的bit表征行块号；最高bit为0的控制数据为列块信息，除了最高bit的0，剩余的bit表征列块号。

FPGA模块中的小窗口访问数据采集模块根据行、列块信息采集小窗口数据。坐标轴的X轴表示列块信息，坐标轴的Y轴表示行块信息。

如图2所示，以编号1的星点为例，行块号为4、5，列块号为2、3，小窗口访问控制存储器中首先存放某一行块的行块信息，接着存放该行块上所有需要采集的小窗口的列块信息，再接着存放下一行块的行块信息和下一行块上所有需要采集的小窗口的列块信息。

本发明将星敏感器探测器像面按照8×8像素大小划分为若干小窗口，例如，以星敏感器探测器面阵为1024×1024像素为例。设定窗口大小为8×8像素，则可将探测器面阵划分为16384个小窗口。每幅星图最多可处理存储32个星点。

如图3所示，FPGA模块中的小窗口访问数据采集模块根据小窗口访问控制存储器的数据，将4个小窗口的所有像素灰度值写入到该星点对应的SRAM的相关地址空间中(例如图3中的地址0、地址1、地址2、地址3等)，供后续处理。

如图4所示，根据导航星坐标位置，每颗导航星需采集4个小窗口数据，CPU以导航星坐标(取整)为中心，从外部SRAM内采集的4个小窗口数据中提取9×9大小的窗口用于背景估计及质心提取，例如，图4中编号为1的点为导航星的坐标(取整)，CPU根据该坐标，提取9×9大小的窗口(即图4中虚线框中的P处所指的像素)。

CPU根据提取的星点质心及导航星信息，计算出星敏感器姿态信息，并根据计算的姿态信息预估下一帧星敏感器姿态信息，根据预估的下一帧姿态信息，给出下一帧需要采集的小窗口访问控制数据，供后续处理。

由上所述，本发明的星敏感器小窗口访问的图像处理方法，包括如下步骤：

S1、CPU根据星敏感器星库中的导航星信息，生成小窗口访问控制数据，并写入小窗口访问控制存储器中；

S2、FPGA模块中的小窗口访问数据采集模块根据读取的小窗口访问控制存储器的数据，将采集的对应小窗口中的所有像素灰度值存储至外部SRAM中；

S3、CPU读取从外部SRAM中采集的小窗口访问数据，进行背景估计和星点质心的提取；

S4、CPU根据提取的星点质心和导航星信息，计算出星敏感器姿态，并生成下一帧小窗口访问控制数据。

综上所述，本发明将星敏感器探测器像面划分为若干小窗口，采用CPU和FPGA协同工作的方式，以导航星信息为中心采集小窗口，并从采集的小窗口数据中再以导航星坐标为中心提取N×N大小的窗口，用于背景估计和星点提取。另，还通过行块号和列块号的波门采集策略可以在不显著提高数据量的基础上，设定一个较小的采集窗口。本发明由于根据星库中的导航星坐标采集的窗口数据，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。

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 (10)

1.一种星敏感器小窗口访问的图像处理系统，其特征在于，包含：

FPGA模块，其内部设置有CPU接口模块、小窗口访问控制存储器和小窗口访问数据采集模块；所述小窗口访问控制存储器分别与所述CPU接口模块和所述小窗口访问数据采集模块连接；

CPU，其与所述CPU接口模块连接，将小窗口访问控制数据写入至所述小窗口访问控制存储器；

外部SRAM，其分别与所述CPU接口模块和所述小窗口访问数据采集模块连接；所述小窗口访问数据采集模块根据小窗口访问控制存储器的数据，采集相应的小窗口图像数据，并按顺序写入至所述外部SRAM中；所述CPU以导航星坐标为中心，从所述外部SRAM中采集的小窗口访问数据中提取窗口，并通过所述CPU接口模块读取至所述CPU内并进行处理。

2.如权利要求1所述的星敏感器小窗口访问的图像处理系统，其特征在于，

所述星敏感器的探测器面阵按照8×8像素大小划分为若干小窗口。

3.如权利要求2所述的星敏感器小窗口访问的图像处理系统，其特征在于，

所述星敏感器的探测器面阵为1024×1024像素，所述探测器面阵被划分为16384个小窗口。

4.如权利要求2或3所述的星敏感器小窗口访问的图像处理系统，其特征在于，

每幅星图最多处理存储32个星点。

5.如权利要求1所述的星敏感器小窗口访问的图像处理系统，其特征在于，

所述小窗口访问控制存储器为所述FPGA模块内的块RAM。

6.如权利要求1所述的星敏感器小窗口访问的图像处理系统，其特征在于，

所述CPU以导航星的坐标为中心，从采集的4个小窗口的数据中再提取9×9大小的窗口，用于背景估计和星点质心提取。

7.如权利要求1所述的星敏感器小窗口访问的图像处理系统，其特征在于，

所述小窗口图像数据包含根据所述小窗口访问控制数据指定的小窗口中所有像素灰度值。

8.如权利要求7所述的星敏感器小窗口访问的图像处理系统，其特征在于，

所述小窗口访问数据采集模块根据所述小窗口访问控制存储器的数据，将4个小窗口的所有像素灰度值写入到该星点对应的外部SRAM的相关地址空间中。

9.如权利要求1或7或8所述的星敏感器小窗口访问的图像处理系统，其特征在于，

所述小窗口访问控制数据包括行块信息和列块信息，所述小窗口访问数据采集模块根据行块、列块信息采集小窗口数据；

每个小窗口对应一组行块号和列块号，最高位为1的控制数据为行块信息，最高位为0的控制数据为列块信息；除了最高位1，剩余的位表征行块号；除了最高位0，剩余的位表征列块号。

10.一种基于如权利要求1-9任意一项所述的星敏感器小窗口访问的图像处理系统的星敏感器小窗口访问的图像处理方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

S1、CPU根据星敏感器星库中的导航星信息，生成小窗口访问控制数据，并写入FPGA模块中的小窗口访问控制存储器中；

S2、FPGA模块中的小窗口访问数据采集模块根据读取的小窗口访问控制存储器的数据，将采集的对应小窗口访问数据存储至外部SRAM中；

S3、所述CPU读取从所述外部SRAM中采集的小窗口访问数据，进行背景估计和星点质心的提取；

S4、CPU根据提取的星点质心和导航星信息，计算出星敏感器姿态，并生成下一帧小窗口访问控制数据。