1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院智能红外感知重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
空间目标监视和检测是维护空间环境安全的重要保障, 天基观测是其中的一个重要观测手段。在天基观测图像中, 恒星和空间小目标形状、大小相似, 影响空间小目标的检测。且空间环境复杂, 图像的噪声也会对空间小目标检测造成干扰。针对以上问题, 提出了一种基于轨迹预判的空间小目标在轨检测方法。首先对图像进行预处理, 包含使用图像滤波剔除坏像元和背景影响以及阈值分割。对相机进行畸变误差校正, 再进行坐标系转换以及匹配星表剔除大部分恒星。然后采集多帧图像, 对候选目标进行轨迹关联、预判, 确定搜索范围。最后实现对空间小目标的检测。本检测方法具有以下几方面的优势: 在低信噪比下, 实现高检测精度和低虚警率; 减少搜索范围, 提高在轨实时检测能力; 具备对连续帧图像上目标不连续出现的检测能力, 适应更复杂的空间环境下目标检测需求。本检测方法的检测能力在硬件系统上得到了验证, 实验结果表明, 该算法在检测信噪比为2的目标时也具有99.9%的检测率和0.002%的虚警率, 为在轨空间小目标检测提供参考。
空间小目标 信息处理 可见光图像 目标检测 星图匹配 space small target information processing visible light image target detection star map matching
1 北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192
2 北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室，北京 100192
3 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
采用摄影测量方法对航天器天线面形进行在轨高精度测量，需对大视场角相机内外参数进行实时在轨标定。恒星可作为不变基准辅助在轨相机标定，但需对所拍星图中的星点进行识别得到其星点矢量信息。提出了一种针对大视场角相机所拍星图的快速识别方法：首先，结合标定结果的星图识别策略，提高匹配准确性；然后，基于四颗星星间角距的标签搜索匹配方法，将复杂度减小至线性，实现快速准确匹配；最后，基于反投误差分析的匹配检验方法，避免误识别。实测实验表明：对采集到的2000张星图进行识别，相比于传统三角形星图识别算法，所提方法兼顾了识别速度和识别率，识别率达到99.5%，识别时间减少75%，证明此方法合理有效，可节省存储空间，提高星图识别速度，提高星图识别率，具有很好的实用价值。
大视场角相机 相机内外参数 畸变校正 快速星图识别 在轨标定 激光与光电子学进展
2023, 60(22): 2210004
1 中国科学院国家天文台，北京 100101
2 中国科学院大学天文与空间科学学院，北京 100049
新疆25 cm望远镜是一台小口径巡天望远镜，用于支撑地球同步轨道（GEO）监测任务。空间物体监测需要依靠快速的光学图像处理技术，采用天文定位方法得到空间物体的赤经-赤纬测量信息。新疆25 cm望远镜具有指向误差较大的问题，严重影响光学图像处理的成功率。本研究分析指向误差对天文定位中星图识别的影响，提出一种改进的以指向搜索为框架的快速星图识别方法，该方法能够自动适应指向误差带来的不利影响。利用新疆南山站25 cm望远镜的图像对该方法进行测试，达到预期效果，验证其有效性和稳定性。
图像处理 光学图像处理 星图识别 天文定位 指向搜索 激光与光电子学进展
2023, 60(6): 0610003
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
2 海军上海航保修理厂, 上海 200083
星图识别的速度决定了姿态更新率。针对基于对数极坐标变换的星图识别算法的循环位移带来的耗时问题,提出了一种改进算法。首先寻找距离视场中心最近的星点来构造新的直角坐标系,并转换为极坐标,然后将星点坐标投影至距离轴,构造星模式的特征向量。由于极坐标变换在距离轴上具有旋转不变性,所以避免了循环位移带来的耗时问题。仿真表明,所提算法平均识别时间减少到传统算法的8.4%,受到位置噪声影响时的识别率下降趋势更小,受到伪星和缺星影响时的识别率依旧高于传统算法。由于受到噪声影响时星模式相较于由恒星构成的三角形模式改变较大,所提算法的识别成功率总体上仍会低于三角形识别算法。
图像处理 星图识别 坐标变换 天文定位 星敏感器 特征向量 光学学报
2021, 41(10): 1010001
为了保障太阳杂光干扰下星像点质心定位的精度,本文提出了一种去阈值和杂光斜面噪声的质心定位新方法。首先,在星像点窗口内将太阳杂光灰度噪声建模为一个斜面。针对质心定位新方法,推导关于杂光斜面模型各参数估计误差的质心定位误差分析公式,尤其是关于开窗大小的函数关系。然后,基于窗口边缘像素给出杂光斜面模型的最小二乘参数估计公式。最后,采用传统的灰度重心法、去阈值灰度重心法和所提方法进行质心定位仿真测试,结果表明,所提方法的精度比传统灰度重心法和去阈值质心法的精度分别提高了2倍和15倍,是太阳杂光干扰下星像点质心定位的有效方法,具有一定的工程应用价值。
测量 星敏感器 太阳杂光 阈值 星图预处理 质心定位 灰度重心法 最小二乘法
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
本文研究了卷帘快门式CMOS成像器件在拍摄星图时引入的快门效应。根据卷帘快门CMOS图像传感器的成像原理和特点, 分析了星图中由于快门效应导致的星点变化情况，对该成像方式引入的图像变形，提出了一种像移补偿方法。该方法在已知星图拍摄帧频、CMOS图形传感器相邻行曝光时间间隔的基础上，通过对相邻星图中的星点进行目标提取、质心计算以及星点质心匹配等操作，完成景物在像面上像移速度的计算，最后结合该速度值和CMOS图像传感器的行曝光时间间隔，计算星点质心在单帧星图中的像移，逆向补偿。通过实际拍摄的星图对算法的效果进行测试，实验结果表明，利用补偿后的星图解算姿态数据时，其中非机动模式下与两个星敏的夹角误差可达到0.5″以内，机动模式下与两个星敏的夹角误差也可达到0.6″左右，不仅明显优于补偿前，且精度高于很多目前主流的星敏感器。该实验结果不仅证明了算法的有效性，而且在一定程度上推广了卷帘快门式CMOS 相机在航空航天领域的应用。
CMOS图像传感器 卷帘快门 星图 星点提取 星点匹配 CMOS image sensor rolling shutter star map star extraction star point matching
中国人民解放军 92941部队 43分队, 辽宁 葫芦岛 125001
惯性平台辅助的小视场星体跟踪器工作受气象条件、惯导精度、伺服测角精度等众多复杂因素的影响。为了能够量化分析各误差因素, 提高天文导航精度, 研究了星体跟踪器的星图模拟技术。根据星体跟踪器测星原理推导并建立了星图模拟的数学模型。依据该模型设计了星图模拟仿真软件, 仿真模拟了各误差因素对测星效果的影响。仿真结果验证了模型的正确性, 从而可以为星体跟踪器测星及天文导航算法设计提供理论依据。
天文导航 星体跟踪器 惯性平台 星图模拟 数学模型 celestial navigation star tracker inertial platform star map simulation mathematical model
1 中国科学院微小卫星创新研究院, 上海 201203
2 中国科学院大学, 北京 100049
星图信噪比是影响星敏感器拍摄星图中星点提取精度的重要因素。软阈值等去噪方法在处理近地面全天时星图时其阈值选取问题引起的噪声残留会影响星点质心的提取精度。针对这一问题,提出一种加权局部异常因子(LOF)的近地全天时星图小波去噪方法。该方法将局部异常因子算法应用于星图的小波去噪中,实现了不依赖阈值的近地全天时星图去噪。以地面真实拍摄的星图作为原始数据,使用峰值信噪比(PSNR)及局部峰值相对误差(LPVRE)对不同去噪方法处理后的星图去噪效果进行对比分析。实验结果表明,本文方法相较传统均值滤波和小波阈值去噪,提高了峰值信噪比,降低了局部峰值相对误差,能较好地去除背景噪声并较好地保留目标信息。
图像处理 小波变换 小波阈值去噪 局部异常因子 近地全天时星图 星图去噪
