CN111089607B - 一种望远镜系统探测能力自动标校方法 - Google Patents

一种望远镜系统探测能力自动标校方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种望远镜系统探测能力自动标校方法，属于空间目标测量领域。本发明利用望远镜采集获得的实时CCD或者sCMOS图像，通过对图像全帧扫描，获得图像中不同检测门限下的星象数量。根据望远镜的观测时刻、观测视场及指向，结合星库数据计算采集图像区域理论上不同星等恒星数量，通过拟合探测恒星数量与恒星星等实现对望远镜系统探测能力的标校。本发明能够实时或准实时的对望远镜的探测能力进行标校，方便对望远镜系统探测能力的检测，能够在不同观测条件下实时获取望远镜探测能力变化，实现对望远镜观测任务的实时调整优化，可有效提升望远镜使用效率。

Description

一种望远镜系统探测能力自动标校方法
技术领域
本发明涉及一种望远镜系统探测能力自动标校方法，属于空间目标测量领域。
背景技术
在科研、军事等应用领域，对望远镜观测能力的定量实时标定可为望远镜光学系统技术指标和探测器指标的实现提供分析结果，也可对望远镜的实际观测任务进行实时优化调整，提高观测效率。
CCD的发明，替代了传统的照相观测，成为了空间碎片监视的有效手段之一，现有的光学望远镜通常由不同光学结构形式和不同读出方式的CCD探测器组成。对于同一个望远镜而言，由于望远镜指向、探测器积分时间，以及测站天气条件的不同，其探测能力也不同。
目前通常采用比较观测天区实测图像和理论星图方法获得望远镜系统探测能力，操作步骤如下：
1.望远镜转至不同指向天区，获得实测图像；
2.通过实测图像的时刻及指向，获得对应天区的理论星图；
3.目视比较实测星图和理论星图，获得望远镜系统探测能力；
随着观测条件变化，望远镜探测能力也随之变化，由于此种望远镜系统探测能力标定需人工参与，只能在观测前对望远镜探测能力进行标定，无法适用望远镜智能控制日益增长的需求，因此需探索实时或准实时望远镜系统探测能力评估方法。
发明内容
本发明公开的一种望远镜系统探测能力自动标校方法要解决的技术问题是：根据给定的望远镜实测图像及恒星图像信噪比检测门限，通过全视场扫描获得图像上满足检测门限的星象数量；同时通过星库数据获得望远镜在相应时刻及指向理论上可观测得不同星等恒星的数量，自动给出望远镜系统探测能力的标校结果，此方法具有探测效率高和实时性强的优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
针对传统望远镜系统探测能力标校方法的不足，本发明公开的一种望远镜系统探测能力自动标校方法，利用望远镜采集获得的实时CCD或者sCMOS图像，通过对图像的全帧扫描，获得图像上根据不同检测门限下星象的数量。根据望远镜的观测时刻、观测视场及指向，结合星库数据计算采集图像区域理论上不同星等恒星数量，通过拟合探测恒星数量与恒星星等实现对望远镜系统探测能力的标校。
本发明公开的一种望远镜系统探测能力自动标校方法，包括以下步骤：
步骤一：图像背景估计；
根据信噪比检测门限，对望远镜采集图像进行分析，建立图像背景估计的数学模型，获取在无目标区域的背景图像灰度，估计获得望远镜观测方向的天光背景亮度。
步骤二：恒星目标提取；
根据望远镜采集获得的待观测天区原始图像、观测图像估计背景，按照给定的检测门限，对采集图像中的恒星进行全帧扫描，从采集图像中提取获得的恒星数量为K。
步骤三：理论恒星检索；
根据望远镜观测时刻、观测视场及指向，结合星库数据，对望远镜视场内的亮于M星等的恒星进行统计，M星等≥需标定的望远镜探测能力，获取望远镜观测能力为M星等时可观测获得的恒星数量N。对N颗恒星按照每a星等间隔统计恒星数量ni。恒星星等统计方法如下，其中Mj为第j颗恒星的星等。
Figure BDA0002329830320000021
获取每a星等间隔恒星数量ni后，计算亮于特定星等的恒星数量Nk：
Figure BDA0002329830320000022
步骤四：通过探测能力计算自动给出望远镜系统探测能力的标校结果。
利用多项式拟合方式计算获得恒星星等与视场内累积恒星数量关系，拟合时自变量为恒星数量，因变量为恒星星等下限。将步骤三中获得的k组自变量与因变量利用最小二乘方法进行多项式拟合，获得拟合表达式y＝f(x)。
将步骤二从望远镜获取图像中提取恒星数量K作为自变量x带入以上拟合获得的关系式中，计算获得望远镜在当前指向的极限探测星等y，即可给出望远镜系统探测能力的标校结果。
有益效果：
1、本发明公开的一种望远镜系统探测能力自动标校方法，利用望远镜采集获得的实时 CCD或者sCMOS图像，通过对图像的全帧扫描，获得图像上根据不同检测门限下星象的数量。根据望远镜的观测时刻、观测视场及指向，结合星库数据计算采集图像区域理论上不同星等恒星数量，通过拟合探测恒星数量与恒星星等实现对望远镜系统探测能力的标校，具有实时性高的优点。
2、本发明公开的一种望远镜系统探测能力自动标校方法，利用望远镜在相应天区采集的实时图像以及完整星库文件，能够实时或准实时的对望远镜的探测能力进行标校，方便对望远镜系统探测能力的检测，可在不同观测条件下实时获取望远镜探测能力变化，实现对望远镜观测任务的实时调整优化，能够有效提升望远镜使用效率。
附图说明
图1为本发明公开的一种望远镜系统探测能力自动标校方法的流程图；
图2为望远镜获取的图像；
图3为根据星库数据获取的视场内恒星亮度分布图；
图4为理论上望远镜视场内小于指定星等恒星数量图；
图5为拟合获得的探测恒星数量与探测星等的关系图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
为说明方法的可行性，以下以空间目标探测望远镜为例进行说明，假设望远镜的观测仰角为30°(天顶角为60°)，望远镜配属目标提取软件在信噪比为5时可实现对恒星及空间目标99％概率准确提取。
如图1所示，本实施例公开的一种望远镜系统探测能力自动标校方法，具体实现步骤如下：
步骤一：图像背景估计；
获取望远镜图像后，设定目标提取信噪比为5，在图像中选取10个10*10像素区域，保证10个区域内各像素灰度均匀。10个区域的平均灰度值即为观测方向背景亮度。区域内像素灰度均匀的标准如下：
Figure BDA0002329830320000031
其中hmax为相应区域内的最大灰度值，hmean为对应区域内的平均灰度值，σh为对应区域内各像素灰度值的标准差。5为设定的目标提取信噪比。
步骤二：恒星目标提取；
如图2所示，根据获取的望远镜图像、对应方向天空背景亮度以及设定的目标提取信噪比5，在望远镜图像中提取所有目标。在获取图像中提取获得的恒星数量为872。
步骤三：理论恒星检索；
望远镜标定的视场为4°×4°，观测地点为：120°N，50°E，望远镜期望探测能力为9星等，观测方位角0°，观测俯仰角45°，观测时刻2019年9月6日23：00(GMT+8)。根据星库文件，视场内亮于10星等恒星理论数量应为982。将根据星库文件获取的982颗恒星按照每0.05星等的亮度间隔对恒星数量进行统计，获取恒星亮度分布图如图3所示：
根据计算获取小于指定星等的恒星数量，理论上望远镜视场内小于指定星等恒星数量图如4所示：
步骤四：通过探测能力计算自动给出望远镜系统探测能力的标校结果。
根据获取的恒星数量分布，利用指数拟合方式获取恒星星等与视场内累积恒星数量关系，拟合公式如下：y＝axb+c，其中a、b、c为待获得的拟合系数，x为累积恒星数量Nk,y为对应恒星星等下限a·k。将100组测量数据代入以上公式，利用最小二乘方法或matlab拟合工具箱获得拟合系数，拟合获得的探测恒星数量与探测星等的关系如下：
y＝7.401x0.1005-4.821。
拟合结果如图5所示：
将步骤二从望远镜获取图像中提取恒星数量872作为已知量x带入以上拟合获得的关系式中，计算获得望远镜在当前指向的极限探测星等为9.8。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种望远镜系统探测能力自动标校方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：图像背景估计；
根据信噪比检测门限，对望远镜采集图像进行分析，建立图像背景估计的数学模型，获取在无目标区域的背景图像灰度，估计获得望远镜观测方向的天光背景亮度；
步骤二：恒星目标提取；
根据望远镜采集获得的待观测天区原始图像、观测图像估计背景，按照给定的检测门限，对采集图像中的恒星进行全帧扫描，从采集图像中提取获得的恒星数量为K；
步骤三：理论恒星检索；
根据望远镜观测时刻、观测视场及指向，结合星库数据，对望远镜视场内的亮于M星等的恒星进行统计，M星等≥需标定的望远镜探测能力，获取望远镜观测能力为M星等时可观测获得的恒星数量N；对N颗恒星按照每a星等间隔统计恒星数量ni；恒星星等统计方法如下，其中Mj为第j颗恒星的星等；
for j＝1:N
i＝Mj/a；
ni＝ni+1；
end
获取每a星等间隔恒星数量ni后，计算亮于特定星等的恒星数量Nk：
Figure FDA0003060538490000011
步骤四：通过探测能力计算自动给出望远镜系统探测能力的标校结果；
利用多项式拟合方式计算获得恒星星等与视场内累积恒星理论数量关系，拟合时自变量为理论恒星数量，因变量为恒星星等下限；将步骤三中获得的k组自变量与因变量利用最小二乘方法进行多项式拟合，获得拟合表达式y＝f(x)；
将步骤二从望远镜获取图像中提取恒星数量K作为自变量x代入以上拟合获得的关系式中，计算获得望远镜在当前指向的极限探测星等y，即可给出望远镜系统探测能力的标校结果。
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