CN110849354A - 一种星敏感器寿命末期条件下星点提取与补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种星敏感器寿命末期条件下星点提取与补偿方法，包含以下步骤：建立星点像斑模板；在星点窗口中逐点计算模板与窗口图像的相关响应，找到最大响应区域作为星点所在区域；调整模板灰度值；利用调整后的模板补偿星点像斑；计算窗口内星点质心坐标。本发明的方法在星敏感器全寿命期均能稳定运行，可以在星敏感器信噪比较低的情况下，稳定提取星点，并且保证精度满足要求。

Description

一种星敏感器寿命末期条件下星点提取与补偿方法
技术领域
本发明涉及一种星敏感器寿命末期条件下星点提取与补偿方法。
背景技术
目前，以大气环境探测、风云四号卫星为代表的重点型号任务对星敏感器的探测精度提出了更高的要求，为确保卫星正常执行在轨任务，要求星敏感器在全寿命期保证精度。对于LEO轨道，通常要求8年以上寿命，对于GEO轨道，通常要求10年以上寿命。其主要难点在于，相对于入轨初期，长期在轨运行后，由于器件老化、太空辐射等因素，导致噪声增大，图像信噪比显著降低，影响星点提取率与星点质心定位精度。如果没有相关算法，仅凭高等级的探测器与致冷等硬件手段，很难保证姿态测量的有效率和精度，在星敏感器寿命末期很难保证稳定输出姿态信息和保证精度达到要求。
一般来说，星敏感器在轨工作时间越长，噪声能量均值越高，且方差越大，目标与背景、噪声呈叠加关系，如式(1)所示，三者相互独立且可分割。
G(x,y)＝S(x,y)+B(x,y)+η(x,y) (1)
式中，G(x,y)为某像素灰度值，S(x,y)为星点在该像素上的灰度值，B(x,y)为背景在该像素上的灰度值，η(x,y)为噪声。
在低信噪比条件下，由于S(x,y)过小与η(x,y)过大，阈值分割法无法选取合适的阈值T分割出星点像斑，即使能够分割出能量较高的个别像素，也会由于像素过少被连通域法判定为高能量噪点。
因此，在低信噪比条件下，以灰度值作为判据判断一个像素是否为星点像斑是不可行的。亟需一种新的方法，在星敏感器寿命末期低信噪比的条件下，实现星点稳定提取。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够在星敏感器寿命末期低信噪比条件下稳定运行的星点提取方法，作为现有星点提取方法的补充，以提高星点提取率和星点定位精度。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种星点提取与补偿方法，包含：
步骤1，基于星敏感器恒星成像模型建立星点像斑模板；
步骤2，在星敏感器预测的星点所在窗口中，以星点像斑模板与窗口图像的相关性最大为判据，通过图像配准提取星点，得到星点所在区域；
步骤3，基于实际星点像斑与星点像斑模板的灰度值差异，以第一灰度比例来调整星点像斑模板的灰度值，得到调整后的模板；
步骤4，以调整后的模板对星点像斑进行补偿，得到提取完毕的星点像斑；
步骤5，利用提取完毕的星点像斑，计算星点质心坐标。
可选地，步骤1中，在恒星成像模型中，以模型能量分布峰值坐标为中心，截取设定范围的图像作为星点像斑模板w。
可选地，步骤2中，在星点所在窗口中，逐点计算星点像斑模板w与窗口图像的相关响应，找到最大响应区域s作为星点所在区域。
可选地，步骤3，以第一灰度比例α调整星点像斑模板w的灰度值，得到调整后的模板为w'，w'＝αw。
可选地，步骤3中，进一步包含求取第一灰度比例α的以下过程：
利用灰度均值法对星点所在区域进行预处理，得到预处理后的区域s'；
选取星点像斑模板w中灰度值次大的三个像素，记其灰度和为G1；
选取预处理后的区域s'中灰度值次大的三个像素，记其灰度和为G2；
求取第一灰度比例α＝G1/G2。
可选地，步骤4中，逐一计算预处理后的区域s'与调整后的模板w'每一像元的灰度比例β，与设定的阈值T比较；
若β>T则采用调整后的模板w'补偿预处理后的区域s'；
补偿完毕，得到提取完毕的星点像斑s”。
可选地，步骤5，对于提取完毕的星点像斑s”，利用灰度加权的质心法计算星点质心坐标。
可选地，所述星点提取与补偿方法应用于星敏感器寿命末期条件下。
本发明提出的星敏感器寿命末期星点提取与补偿方法，其优点在于：
本发明基于星敏感器恒星成像模型建立星点像斑模板；采用相关性最大的图像配准方法提取星点，在星敏感器寿命末低信噪比条件下星点提取率高；利用模板对星点补偿，能够降低背景噪声影响，提高星点定位精度。
本发明以恒星成像模型能量峰值坐标为中心，截取一定范围图像作为模板，使该模板与实际恒星成像像斑能量分布拟合精度高，用于图像配准的准确性高。
不同于现有的以灰度阈值与连通域为判据提取星点的方法，本发明的方法以模板与窗口图像的相关性最大为判据通过图像配准提取星点，能够适用于星敏感器全寿命期，特别是在低信噪比情况下星点提取率高，定位精度稳定。
本发明建立的星点模板与实际星点像斑的灰度值存在差异，基于实际像斑灰度值调整模板灰度值，使模板更准确，满足后续补偿的要求。
不同于现有的星点提取定位方法，本发明在得到星点所在区域(即星点像斑)后，利用模板补偿星点像斑，能够消除、降低高能量噪点的影响，并一定程度补全星点像斑，使低信噪比条件下的星点质心定位精度更高。
附图说明
图1为星点提取算法的主要步骤流程图。
具体实施方式
为了能够使星敏感器在寿命末期低信噪比的条件下实现星点稳定提取，本发明提出一种基于恒星成像模型的星点配准与补偿方法。
恒星成像模型即描述星点像斑能量分布的模型，能够精确拟合星点能量分布，这为星点提取提供了一种新的判据，即利用灰度分布特征，采用图像配准的方法提取星点。
G(x,y)＝S(x,y)+B(x,y)+η(x,y) (1)
根据式(1)，背景灰度B(x,y)一般为常值，噪声η(x,y)随机分布，因此星点灰度S(x,y)能够影响其所在像元的灰度值G(x,y)，使其呈现与S(x,y)类似的分布特征。
如图1所示，本发明所述的星点提取与补偿方法，包含以下步骤：
步骤1，利用恒星成像模型建立模板。令恒星成像模型为w0(s,t)，以模型能量分布峰值坐标(s0,t0)为中心，建立星点像斑模板w。
步骤2，在大小为M×N的星敏感器预测星点所在窗口f(x,y)中，通过图像配准的方法，确定星点所在区域(即最大响应区域s)。
步骤3，对s预处理后得到s'，根据s'的灰度值调整模板整体灰度值。
步骤4，依据调整后的模板w'补偿s'，得到提取完毕的星点像斑s”。
步骤5，利用灰度加权的质心法计算星点质心坐标。
各环节的具体实施方式如下：
步骤1中，建立星点像斑模板w：
在恒星成像模型w0中以模型能量分布峰值坐标(s0,t0)为中心，截取一定范围(本例为3×3大小)的图像作为星点像斑模板w。
步骤2中，找到最大响应区域s：
在星敏感器预测的星点所在窗口f(x,y)中逐点移动模板w，使模板w的左上角(s0-1,t0-1)与点(x,y)重合，计算w与“f中被w覆盖的图像区域”的相关响应，遍历窗口中所有点后找到最大响应区域s。
步骤3中，调整模板灰度值，得到w'：
利用灰度均值法对s预处理，分别选取w和s'中灰度值次大的三个像素，记其灰度和分别为G1、G2，求取灰度比例α＝G1/G2，按灰度比例α调整模板灰度值，记调整后的模板为w'，w'＝αw。
步骤4中，利用调整后的模板w'补偿星点像斑：
逐一计算s'与w'每一像元的灰度比例β，设定阈值T(可依据工程经验确定)；若β>T则采用模板w'补偿s'；补偿完毕得到提取完毕的星点像斑s”。
步骤5中，计算窗口内星点质心坐标：对提取完毕的星点像斑s”采用灰度加权法求取星点像斑质心坐标(xc,yc)。
综上所述，本发明提供的一种星敏感器星点提取与补偿算法，基于星敏感器恒星成像模型生成模板，利用模板进行星点配准与补偿，从而实现星敏感器寿命末期信噪比较低的情况下的星点提取，有别于已有的利用灰度阈值进行星点与背景的分割提取的方法，可作为现有星点提取方法的有效补充，提高星点提取率和星点定位精度。
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 (8)

1.一种星点提取与补偿方法，其特征在于，包含：
步骤1，基于星敏感器恒星成像模型建立星点像斑模板；
步骤2，在星敏感器预测的星点所在窗口中，以星点像斑模板与窗口图像的相关性最大为判据，通过图像配准提取星点，得到星点所在区域；
步骤3，基于实际星点像斑与星点像斑模板的灰度值差异，以第一灰度比例来调整星点像斑模板的灰度值，得到调整后的模板；
步骤4，以调整后的模板对星点像斑进行补偿，得到提取完毕的星点像斑；
步骤5，利用提取完毕的星点像斑，计算星点质心坐标。
2.如权利要求1所述的星点提取与补偿方法，其特征在于，
步骤1中，在恒星成像模型中，以模型能量分布峰值坐标为中心，截取设定范围的图像作为星点像斑模板w。
3.如权利要求2所述的星点提取与补偿方法，其特征在于，
步骤2中，在星点所在窗口中，逐点计算星点像斑模板w与窗口图像的相关响应，找到最大响应区域s作为星点所在区域。
4.如权利要求1或3所述的星点提取与补偿方法，其特征在于，
步骤3，以第一灰度比例α调整星点像斑模板w的灰度值，得到调整后的模板为w'，w'＝αw。
5.如权利要求4所述的星点提取与补偿方法，其特征在于，
步骤3中，进一步包含求取第一灰度比例α的以下过程：
利用灰度均值法对星点所在区域进行预处理，得到预处理后的区域s'；
选取星点像斑模板w中灰度值次大的三个像素，记其灰度和为G1；
选取预处理后的区域s'中灰度值次大的三个像素，记其灰度和为G2；
求取第一灰度比例α＝G1/G2。
6.如权利要求5所述的星点提取与补偿方法，其特征在于，
步骤4中，逐一计算预处理后的区域s'与调整后的模板w'每一像元的灰度比例β，与设定的阈值T比较；
若β>T则采用调整后的模板w'补偿预处理后的区域s'；
补偿完毕，得到提取完毕的星点像斑s”。
7.如权利要求6所述的星点提取与补偿方法，其特征在于，
步骤5，对于提取完毕的星点像斑s”，利用灰度加权的质心法计算星点质心坐标。
8.如权利要求1～7中任意一项所述的星点提取与补偿方法，其特征在于，所述星点提取与补偿方法应用于星敏感器寿命末期条件下。
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