星敏感器是自主导航姿态控制系统中的重要组成部分之一。作为星敏感器的核心部件，信息处理系统对其整机性能有重要影响。基于飞腾多核DSP+复旦微FPGA架构设计了一种全国产化多视场星敏感器信息处理系统。在设计中采用EMIF接口和GPIO接口与复旦微FPGA进行数据交互及控制，将2片串行 Flash用于存储星库数据和启动程序，将2片DDR3芯片用于缓存数据。详细介绍了信息处理系统的整体软件流程设计、算法流程设计及实现。经试验验证，该系统可稳定运行并输出正确姿态。在星图分辨率为2048×2048的情况下，系统无初始指向时的数据更新频率为20Hz，有初始指向时的数据更新频率为625Hz。运算性能约为普通ARM架构的3倍，对于提升多视场星敏感器的实时性、丰富其工程化实现方法具有重要意义。

当星敏感器在动态条件下工作时, 在成像的过程中星点会因能量的分散而出现运动模糊现象, 导致图像的信噪比降低, 星点的模糊区域很难被提取, 从而降低了星点质心的定位精度, 严重影响星敏感器的姿态测量精度。为此, 文中提出了一种基于区域滤波的模糊星图复原方法, 在有效提高图像信噪比的同时可提高星点质心的定位精度。首先, 根据星敏感器的工作特性, 建立了不同工作条件下星点质心的运动模型。然后, 根据运动模型确定星点质心的运动轨迹, 进而提取星点的模糊区域, 再利用图像处理算法对模糊区域内外的图像分别进行预处理。最后, 利用图像复原算法对模糊星图进行复原。实验结果表明: 在2(°)/s的动态条件下, 区域滤波算法能够有效提高模糊星图的信噪比, 并且复原图像中星点质心的定位误差不超过01 pixel, 可以满足星敏感器对高质心定位精度的要求。

高光谱成像的应用效果非常依赖于所获取的图像信噪比(SNR)。在高空间分辨率下,帧速率高、信噪比低,由于光谱成像包含了两维空间-光谱信息,不能使用时间延迟积分(TDI)模式解决光能量弱的问题;目前多采用摆镜降低应用要求,但增加了体积和质量,获取的图像不连续,且运动部件降低了航天的可靠性。基于此,将超高速电子倍增与成像光谱有机结合,构建了基于电子倍增的高分辨率高光谱成像链模型,综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于成像链路信噪比的完整分析。采用LOWTRAN 7软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳高度角和地物反射率计算像面的照度,根据电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下的SNR。对SNR的分析和实验,选择适当的电子倍增增益,可使微弱光谱信号SNR提高6倍。

导航相机是深空探测领域中关键的导航敏感部件, 本文通过提高导航相机的灵敏度来提高导航相机的综合性能, 特别是提高时间分辨率, 解决高动态条件下的目标探测问题。首先, 根据导航相机的工作模式和EMCCD的性能特点, 分析了影响导航相机成像质量的多个因素, 建立了目标信噪比理论分析模型; 然后, 在理论计算基础上, 重点研究EMCCD导航相机的样机设计技术, 说明了EMCCD高频高幅驱动、模拟前端设计、TEC真空制冷、时序控制与数据处理等关键技术的实现方法; 最后, 介绍了相关实验工作, 并分析实验数据。实验结果表明: 样机最大目标信噪比在倍增增益M=10时达到68.6 dB, 在口径13 mm条件下, 可在积分时间1 ms内实现对月球成像。基本满足深空探测导航相机高动态条件下短积分时间成像的要求。

生成式对抗神经网络在约束图像生成表现出了巨大潜力, 使得其适合运用于图像超分辨率重建。但是使用生成式对抗神经网络重建后的超分辨率图像存在过度平滑, 缺少高频细节信息的缺点。针对单帧图像超分辨率重建方法不能有效利用图像序列间的时间-空间相关性的问题, 提出了一种基于生成式对抗神经网络的多帧红外图像超分辨率重建方法(M-GANs)。首先, 对低分辨率图像序列进行运动补偿; 其次, 使用权值表示卷积层对运动补偿后的图像序列进行权值转换计算; 最后, 将其输入生成式对抗重建网络, 输出重建后的高分辨率图像。实验结果表明: 文中方法在主观及客观评价中均优于当前代表性的超分辨率重建方法。

研究了多视点下三维目标的识别问题。针对传统的采用单一特征的方法在目标描述方面的不足, 提出了一种融合多种特征的识别算法。首先, 利用各向异性高斯方向导数相关矩阵提取目标角点, 采用骨架约束提取特征角点, 将各特征角点到目标质心的归一化距离作为角点描述子。接着, 分别提取目标的几何矩不变量、仿射矩不变量、目标边界的傅里叶描述子; 计算4种特征的类内和类间散布矩阵; 以样本散布矩阵的迹作为权重, 加权融合4种特征。然后, 对融合后的特征向量进行独立成分分析(ICA), 得到相互独立的特征分量。最后, 采用支持向量机的分类方法进行分类。实验结果表明, 本文提出的方法比采用单一特征的方法的正确识别率平均提高10%以上, 且在小训练样本(10%总体样本)情况下仍能获得80%以上的识别率, 可满足经纬仪实时目标识别系统的要求。

电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Coupled Device, EMCCD)是一种新型高灵敏度 图像传感器。近年来，EMCCD相机在微光探测领域的应用越来越广泛。为了在微光相机中 应用新型EMCCD器件，设计了一种探测能力强、数据更新快、具有一体化光纤接口的微光成像系统。 主要研究了EMCCD相机的设计方法，说明了EMCCD的工作原理，论述了基于TC253SPD-B0的EMCCD微光相机的 设计方案。用成像实验和信噪比测试实验验证了所设计的一体化微光相机的性能。结果表明，该相机不仅可以实现20 km 以上的数据传输和30 f/s的拍摄帧频，而且还可实现弱光条件下的探测功能，并具有较高的系统信噪比。

近地面用全天时星敏感器用于大型飞机、临界空间飞行器等航空器的导航。近年来，随着星惯组合导航技术的快速发展，国外开始重视该项技术的研究。主要研究近地面用全天时星敏感器中基于 EMCCD的星相机的设计与应用。分析了星相机的全天时探测的原理，提出采用高灵敏度 EMCCD成像技术解决白天强背景下的探测问题。在原理研究的基础上，完成了基于 CCD201探测器的星相机及实时图像处理器的硬件设计和调试，采用硬件实时中值滤波的方法实现全天时星图的预处理。设计的星相机系统信噪比可达 50 dB左右。通过进行白天观星实验获得恒星图像，并成功进行了目标提取。实验说明所设计的 EMCCD相机具备白天恒星探测能力。

为了能够方便、准确地评价星敏感器的成像质量，设计了一款专门用于 评价成像质量的图像采集系统。该系统基于PCI总线接口，以FPGA作为核心控制逻辑，用双SRAM的 双缓存结构实现了图像数据的大量传输。在软件上采用多线程方法实现了图像的显示和存储，并加入了图 像评价模块，从而精确检测出了星敏感器的工作性能。多次严格试验表明，该系统工作稳定、可靠， 其采集的图像数据不失真。当系统运行在16位的情况下，其峰值图像传输速率可达到40 Mbps。

为了提高星敏感器的测角精度，提出了一种采用系统辨识法对星敏感器模型进行修正以及测角精度检测的方法。首先分析了星敏感器的理论测量模型以及像面坐标与星点目标的空间位置关系，然后给出了用模型修正来提高星敏感器测角精度的原理和数学模型。修正模型由系统辨识方法得到，同时为了提高辨识精度，文中采用将星敏感器像面划分为多个区域，每个区域单独建模辨识的方式。最后利用某星敏感器进行了实验，利用该方法进行模型修正后，星敏感器的测角精度为 σx=1.68″、σy=1.91″，而修正前的测角精度为 σx=17.43″、σy=23.46″。结果表明，采用该方法可以使星敏感器测角精度得到大幅提高，同时也完成了测角精度的检测。