本發(fā)明涉及星敏感器成像的
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種像增強(qiáng)型星敏感器的多重曝光成像方法。
背景技術(shù)：
：星敏感器以恒星為觀測(cè)對(duì)象，能夠提供相對(duì)于天球坐標(biāo)系的姿態(tài)信息，是目前已知的最高精度姿態(tài)測(cè)量?jī)x器。隨著空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，如敏捷衛(wèi)星、空間武器等，對(duì)星敏感器的動(dòng)態(tài)性能提出了越來(lái)越高的要求。動(dòng)態(tài)條件下，像面上的星點(diǎn)產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，使得能量彌散、信噪比降低，造成質(zhì)心定位精度下降，這將對(duì)星敏感器星圖識(shí)別率、跟蹤穩(wěn)定性和姿態(tài)精度均產(chǎn)生不利影響。JinyunYan等發(fā)表文獻(xiàn)“Dynamicimagingmodelandparameteroptimizationforastartracker”，對(duì)動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)成像過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的建模，并給出動(dòng)態(tài)情況下的最優(yōu)曝光時(shí)間參數(shù)，指出動(dòng)態(tài)情況下過(guò)長(zhǎng)的曝光時(shí)間只能帶來(lái)更大的拖尾現(xiàn)象，影響質(zhì)心定位精度。然而，短曝光時(shí)間意味著探測(cè)靈敏度低，使得可探測(cè)星數(shù)目減少，反過(guò)來(lái)影響動(dòng)態(tài)性能的提高。為了解決探測(cè)靈敏度低的問(wèn)題，AnupKatake等發(fā)表文獻(xiàn)“StarCamSG100:Ahighupdaterate,highsensitivitystellargyroscopeforspacecraft”，首次將像增強(qiáng)型圖像探測(cè)器引入星敏感器領(lǐng)域，能夠?qū)斎氲奈⑷豕庑盘?hào)進(jìn)行顯著放大，在很短的曝光時(shí)間內(nèi)即可獲得高探測(cè)靈敏度，提高了星敏感器的動(dòng)態(tài)性能。從信號(hào)處理的角度出發(fā)，星敏感器姿態(tài)測(cè)量相當(dāng)于對(duì)姿態(tài)連續(xù)變化過(guò)程的離散采樣，姿態(tài)更新率相當(dāng)于采樣頻率，因此，根據(jù)采樣定理，星敏感器姿態(tài)更新率應(yīng)當(dāng)隨著星敏感器動(dòng)態(tài)性能的提高而提高。然而，實(shí)際中，星敏感器的姿態(tài)更新率不僅與曝光時(shí)間有關(guān)，還與星圖像素?cái)?shù)據(jù)傳輸與處理時(shí)間、星跟蹤及姿態(tài)解算時(shí)間等有關(guān)。鐘紅軍等發(fā)表文獻(xiàn)“流水線并行處理提高星敏感器數(shù)據(jù)更新率”，指出當(dāng)采用流水線并行處理時(shí)，相比于串行處理方式，姿態(tài)更新率能夠有效提高，此時(shí)更新率由流水線中耗時(shí)最長(zhǎng)階段決定。傳統(tǒng)星敏感器，由于探測(cè)器靈敏度低，必須以長(zhǎng)曝光時(shí)間獲得足夠的靈敏度，因此，曝光時(shí)間是傳統(tǒng)星敏感器姿態(tài)更新率的主要瓶頸；現(xiàn)有像增強(qiáng)型星敏感器，由于像增強(qiáng)器的引入，使得曝光時(shí)間大為縮短，此時(shí)流水線中耗時(shí)最長(zhǎng)的階段為星圖像素?cái)?shù)據(jù)傳輸與處理，特別的，當(dāng)大面陣圖像探測(cè)器應(yīng)用于星敏感器時(shí)，這一階段的耗時(shí)更長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了星敏感器更新率的提高。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于：為了突破星圖像素?cái)?shù)據(jù)傳輸與處理時(shí)間對(duì)星敏感器更新率的限制，本發(fā)明提出一種像增強(qiáng)型星敏感器的多重曝光成像方法，相比于現(xiàn)有的曝光成像方法，本發(fā)明提出的方法大大壓縮了星圖像素?cái)?shù)據(jù)量，在不增加星圖幀數(shù)的情況下，提高了星敏感器的姿態(tài)更新率。此外，對(duì)于單個(gè)像素上獲得能量不足的暗星點(diǎn)，采用本發(fā)明方法還可以將星點(diǎn)多個(gè)位置的能量進(jìn)行累積，有效提高暗星點(diǎn)的信噪比。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種像增強(qiáng)型星敏感器的多重曝光成像方法，該方法步驟如下：步驟(1)、像增強(qiáng)型圖像探測(cè)器具有圖像探測(cè)器和像增強(qiáng)器兩級(jí)曝光控制結(jié)構(gòu)，將圖像探測(cè)器的曝光時(shí)間展寬；在展寬后的曝光時(shí)間內(nèi)控制像增強(qiáng)器N次短時(shí)間曝光；步驟(2)、每次短曝光時(shí)間內(nèi)在圖像探測(cè)器上記錄當(dāng)前時(shí)刻的星點(diǎn)位置信息，直至圖像探測(cè)器的曝光時(shí)間結(jié)束，此時(shí)形成的一幀星圖實(shí)際上記錄了星點(diǎn)在N個(gè)時(shí)刻的位置；通過(guò)對(duì)N個(gè)時(shí)刻位置的星點(diǎn)分別進(jìn)行星跟蹤與姿態(tài)解算，可以獲得N幀姿態(tài)信息，相當(dāng)于將星敏感器的姿態(tài)更新率提高N倍。其中，該方法所述的一幀星圖多次曝光記錄了星點(diǎn)N個(gè)時(shí)刻的位置，然后分別進(jìn)行星跟蹤與姿態(tài)解算，獲得N幀姿態(tài)信息，其中，多次曝光的準(zhǔn)則為屬于同一恒星的相鄰兩次曝光的星點(diǎn)像不能混疊，否則將無(wú)法從各次曝光成像中解算出相應(yīng)的姿態(tài)信息，從而失去多次曝光的意義。其中，該方法共包含Vstar、TL、Ton、Toff和N五個(gè)參數(shù)，其中，為了便于流水線處理，星敏感器工作周期TL為固定值，而星點(diǎn)移動(dòng)線速度Vstar由星敏感器運(yùn)動(dòng)角速度ω確定，為此，首先建立了星點(diǎn)移動(dòng)線速度Vstar的模型，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)Ton、Toff和N三個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)加以優(yōu)化，當(dāng)采用上述優(yōu)化參數(shù)時(shí)，多重曝光成像方法能夠獲得最佳性能。其中，對(duì)于能量較弱的暗星點(diǎn)，該方法將星點(diǎn)多個(gè)位置的能量進(jìn)行累積，相比于現(xiàn)有的單次曝光成像方法，能夠有效提高暗星點(diǎn)的信噪比。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)本發(fā)明提出一種多重曝光成像方法，通過(guò)利用像增強(qiáng)型圖像探測(cè)器具有的圖像探測(cè)器和像增強(qiáng)器兩級(jí)曝光控制結(jié)構(gòu)，突破了現(xiàn)有的像增強(qiáng)型星敏感器中星圖像素?cái)?shù)據(jù)傳輸與處理時(shí)間對(duì)更新率的限制。相比于現(xiàn)有的曝光成像方法，本發(fā)明提出的方法大大壓縮了星圖像素?cái)?shù)據(jù)量，在不增加星圖幀數(shù)的情況下，提高了星敏感器的姿態(tài)更新率。(2)對(duì)于能量較弱的暗星點(diǎn)，本方法將星點(diǎn)多個(gè)位置的能量進(jìn)行累積，相比于現(xiàn)有的單次曝光成像方法，能夠有效提高暗星點(diǎn)的信噪比。附圖說(shuō)明圖1為像增強(qiáng)型圖像探測(cè)器曝光成像控制原理示意圖，其中，1為恒星，2為光學(xué)鏡頭，3為像增強(qiáng)器，4為光纖耦合器，5為圖像探測(cè)器，6為入射窗，7為光陰極，8為微通道板，9為熒光屏；圖2為不同模式星敏感器的流水線工作時(shí)序原理圖，其中，圖2(a)為傳統(tǒng)星敏感器的流水線工作原理圖；圖2(b)為現(xiàn)有像增強(qiáng)型星敏感器的流水線工作原理圖，圖2(c)為多重曝光成像星敏感器的流水線工作原理圖；圖3為多重曝光成像方法效果示意圖，其中，圖3(a)為多重曝光仿真星圖，圖3(b)為多重曝光成像過(guò)程示意圖；圖4為多重曝光成像工作模式圖；圖5為星點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模糊示意圖；圖6為Vstar(min)、Vstar(max)隨夾角變化規(guī)律圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。圖1是像增強(qiáng)型圖像探測(cè)器曝光成像控制原理示意圖，如圖1所示，本發(fā)明提出的一種像增強(qiáng)型星敏感器多重曝光成像方法，其實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于像增強(qiáng)型圖像探測(cè)器具有圖像探測(cè)器和像增強(qiáng)器兩級(jí)曝光控制結(jié)構(gòu)：圖像探測(cè)器曝光控制快門C(t)與傳統(tǒng)圖像探測(cè)器工作方式下的曝光快門功能完全相同，用于直接控制整幅圖像的成像過(guò)程，當(dāng)快門C(t)關(guān)閉時(shí)表明曝光結(jié)束，隨后啟動(dòng)星圖像素的傳輸與處理過(guò)程，根據(jù)快門C(t)的上述功能，可以將其命名為成像快門；而像增強(qiáng)器曝光控制快門I(t)則用于控制輸入信號(hào)放大環(huán)節(jié)，并不直接決定星圖成像過(guò)程，當(dāng)I(t)開啟時(shí)，表示可以有星光信號(hào)經(jīng)過(guò)像增強(qiáng)器放大后傳輸至圖像探測(cè)器處，反之，則表示像增強(qiáng)器關(guān)閉，此時(shí)將禁止任何光信號(hào)傳輸至圖像探測(cè)器，同理，根據(jù)快門I(t)的上述功能，可以將其命名為增益快門，或者采樣快門；當(dāng)且僅當(dāng)二者同時(shí)開啟時(shí)，才能對(duì)恒星進(jìn)行成像。在上述兩級(jí)曝光控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明詳細(xì)闡述了多重曝光成像方法的原理，對(duì)比其與現(xiàn)有方法的異同點(diǎn)，明確了本發(fā)明提出方法的優(yōu)勢(shì)；然后，對(duì)多重曝光成像方法的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而使其能夠獲得最佳的工作性能。1)多重曝光成像方法原理圖2(a)是傳統(tǒng)星敏感器的流水線工作時(shí)序原理圖，圖中，流水線結(jié)構(gòu)由曝光、像素傳輸處理和星跟蹤與姿態(tài)解算三個(gè)階段組成，各階段所需時(shí)間分別為Te、Tp和Tq，T為星敏感器的工作周期，F(xiàn)為星敏感器的更新率。如圖2(a)所示，星敏感器工作周期必須滿足T≥Te，而由于探測(cè)器靈敏度低，傳統(tǒng)星敏感器必須以長(zhǎng)曝光時(shí)間獲得足夠的靈敏度，因此，長(zhǎng)曝光時(shí)間Te成為傳統(tǒng)星敏感器姿態(tài)更新率F的主要瓶頸。圖2(b)是現(xiàn)有像增強(qiáng)型星敏感器的流水線工作原理圖，由圖2(b)可知，像增強(qiáng)器的引入，使得曝光時(shí)間Te大為縮短，從而在一定程度上提高了星敏感器的姿態(tài)更新率F；然而，曝光時(shí)間Te的減小，使得像素傳輸處理時(shí)間Tp成為整個(gè)流水線中耗時(shí)最長(zhǎng)的階段，對(duì)于大面陣圖像探測(cè)器，Tp時(shí)間更長(zhǎng)，由于星敏感器工作周期必須滿足T≥Tp，因此星圖像素?cái)?shù)據(jù)傳輸與處理時(shí)間Tp已成為現(xiàn)有像增強(qiáng)型星敏感器姿態(tài)更新率F進(jìn)一步提高的主要瓶頸。為了突破星圖像素?cái)?shù)據(jù)傳輸與處理時(shí)間Tp對(duì)現(xiàn)有像增強(qiáng)型星敏感器姿態(tài)更新率F的限制，本發(fā)明提出一種像增強(qiáng)型星敏感器的多重曝光成像方法，其流水線工作原理圖如圖2(c)所示，這種方法的核心思想是根據(jù)曝光時(shí)間Te遠(yuǎn)小于星圖像素?cái)?shù)據(jù)傳輸與處理時(shí)間Tp的特點(diǎn)，在Tp時(shí)間內(nèi)不再是進(jìn)行一次曝光成像，而是插入多次曝光，若曝光次數(shù)為N，則最終成像獲得的一幀星圖實(shí)際上包含了N個(gè)時(shí)刻的星點(diǎn)位置信息，當(dāng)對(duì)這N個(gè)時(shí)刻的星點(diǎn)信息分別進(jìn)行星跟蹤與姿態(tài)解算時(shí)，可以在一幀星圖內(nèi)獲得多幀姿態(tài)信息，相當(dāng)于將星敏感器的姿態(tài)更新率提高N倍。本發(fā)明研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)Tp時(shí)間內(nèi)插入多次曝光的目的，其關(guān)鍵在于像增強(qiáng)型圖像探測(cè)器具有圖像探測(cè)器和像增強(qiáng)器兩級(jí)曝光控制結(jié)構(gòu)。如圖2(b)所示，若采樣快門I(t)與成像快門C(t)的曝光時(shí)間完全相同，均為Te，則每周期內(nèi)僅能成像一次；若將成像快門C(t)的曝光時(shí)間由Te展寬為TL，則如圖2(c)所示，由于采樣快門I(t)的曝光時(shí)間Te很小，因此可以在成像快門C(t)的曝光時(shí)間TL插入N個(gè)I(t)，每個(gè)I(t)的曝光時(shí)間Te相當(dāng)于在TL中進(jìn)行一次成像，從而實(shí)現(xiàn)在成像快門C(t)內(nèi)多次成像的目的。特別的，當(dāng)N＝1時(shí)，圖2(c)的成像方法與圖2(b)所示方法的成像結(jié)果完全相同，有效曝光時(shí)間為采樣快門I(t)的曝光時(shí)間Te。實(shí)際中，如圖2(c)所示，TL不能無(wú)限制的增大，而是存在上限值，即當(dāng)TL≤T時(shí)，曝光時(shí)間TL的展寬不會(huì)改變星敏感器原有工作周期T的大小，此時(shí)T的大小仍然由像素傳輸處理時(shí)間Tp決定，且滿足T≥Tp。理想情況下，忽略相鄰兩個(gè)Tp的間隔時(shí)間，則此時(shí)滿足式(1)所示，后續(xù)對(duì)T、Tp和TL將不加區(qū)分，均以TL表示。T＝Tp＝TL(1)對(duì)比圖2(b)可知，圖2(c)所示多重曝光成像方法在不改變像素傳輸處理時(shí)間情況下，提高了整個(gè)工作周期的利用率，此時(shí)若已知曝光時(shí)間TL內(nèi)采樣快門I(t)的間隔時(shí)間為Ti，則星敏感器更新率F如式(2)所示，從而突破了像素傳輸處理時(shí)間對(duì)更新率F的限制。由式(2)可知，相比于現(xiàn)有像增強(qiáng)型星敏感器的曝光成像方法，本發(fā)明提出方法的更新率F由間隔時(shí)間Ti確定。F=1Ti---(2)]]>如果星敏感器以角速度ω運(yùn)動(dòng)，則在成像快門C(t)的曝光時(shí)間TL內(nèi)利用采樣快門I(t)多次曝光成像的仿真星圖示意圖如圖3(a)所示，圖3(b)是其中一顆恒星多次曝光成像的示意圖。由圖3可知，式(2)中，Ti的選取準(zhǔn)則是同一星點(diǎn)相鄰兩次成像不能混疊，否則將無(wú)法從各次曝光成像中解算出相應(yīng)的姿態(tài)信息，從而失去多次曝光的意義。圖3(b)中星敏感器的運(yùn)動(dòng)造成星點(diǎn)在像面上以線速度Vstar移動(dòng)，因此星點(diǎn)在一個(gè)工作周期TL內(nèi)移動(dòng)的距離L滿足式(3)；而在采樣快門I(t)的曝光時(shí)間Te內(nèi)，星點(diǎn)寬度L1滿足式(4)，式中σ為高斯半徑，a為探測(cè)器的正方形像素邊長(zhǎng)，Le為Te時(shí)間內(nèi)的星點(diǎn)拖尾長(zhǎng)度；對(duì)于間隔時(shí)間Ti內(nèi)，相鄰兩個(gè)成像星點(diǎn)的間隔距離L2則滿足式(5)。L＝TLVstar(3)L1＝TeVstar+2×3σa＝Le+6σa(4)L2＝TiVstar(5)如圖3(b)所示，若要相鄰兩個(gè)成像星點(diǎn)能夠完全分離，則其間距L2應(yīng)滿足式(6)，當(dāng)且僅當(dāng)式(6)取等時(shí)，相鄰兩個(gè)成像星點(diǎn)恰好完全分離。L2≥L1(6)將式(4)、(5)代入式(6)可得式(7)，由式(7)可知，間隔時(shí)間Ti存在下限值，故而不能無(wú)限制提高星敏感器更新率F。但是，式(7)中，第一項(xiàng)采樣快門I(t)的曝光時(shí)間Te采用最優(yōu)曝光時(shí)間，而這一最優(yōu)曝光時(shí)間隨著星敏感器運(yùn)動(dòng)角速度ω的增大而近似反比例減?。坏诙?xiàng)中，星敏感器運(yùn)動(dòng)角速度ω增大，像面上星點(diǎn)移動(dòng)線速度Vstar增大，因此第二項(xiàng)整體減小。綜上所述，隨著星敏感器運(yùn)動(dòng)角速度ω增加，間隔時(shí)間Ti下限值不斷減小，相應(yīng)的星敏感器更新率F極限不斷提高，因此，本發(fā)明提出的多重曝光成像方法具有隨著星敏感器運(yùn)動(dòng)角速度ω增加而自動(dòng)增大更新率F的性質(zhì)，這一性質(zhì)可以稱為自適應(yīng)更新率特性。Ti≥Te+6σaVstar---(7)]]>實(shí)際中，一個(gè)工作周期TL內(nèi)的多重曝光成像工作模式如圖4所示，定義像增強(qiáng)器開啟時(shí)間為Ton，關(guān)閉時(shí)間為Toff，則其表達(dá)式如式(8)所示，圖4中C(t)、I(t)分別滿足式(9)、(10)，式中，1表示曝光開啟，0表示曝光關(guān)閉。Ton=TeToff=Ti-Te---(8)]]>C(t)=1,t∈TL0,t∉TL---(9)]]>I(t)=Σnd(t-n+1)(t∈TL,n=1,2,...,N),]]>d(t-n+1)=1,(t-n+1)∈Ton0,(t-n+1)∈Toff---(10)]]>若多重曝光成像次數(shù)為N，則由圖4可知，曝光次數(shù)N與成像快門C(t)的曝光時(shí)間TL、像增強(qiáng)器開啟時(shí)間Ton和關(guān)閉時(shí)間Toff的關(guān)系滿足式(11)。TL＝N·(Ton+Toff)＝N·Ti(11)對(duì)于固定的工作周期TL，多重曝光成像方法的更新率F如式(12)所示。F=1Ti=NTL---(12)]]>式(3)～(12)表述了多重曝光成像方法的基本原理，其中移動(dòng)距離L、星點(diǎn)寬度L1、間隔距離L2可以由式(3)～(5)確定，而由式(8)可知，參數(shù)Te、Ti可以由像增強(qiáng)器開啟時(shí)間Ton和關(guān)閉時(shí)間Toff獲得，因此多重曝光成像方法包含Vstar、TL、Ton、Toff和N共五個(gè)參數(shù)。此外，隨著星敏感器運(yùn)動(dòng)角速度ω不斷增加，星點(diǎn)在像面上的移動(dòng)線速度Vstar相應(yīng)增大，星點(diǎn)在單個(gè)像素上停留時(shí)間逐漸變短，使得單個(gè)像素上獲得的能量減少，星點(diǎn)信噪比降低。此時(shí)，利用本發(fā)明提出的多重曝光成像方法，通過(guò)將能量不足的星點(diǎn)在N個(gè)位置的能量進(jìn)行累積，能夠有效提高暗星點(diǎn)的信噪比，從而實(shí)現(xiàn)暗星點(diǎn)能量增強(qiáng)的目的。2)多重曝光成像方法的參數(shù)優(yōu)化如前所述，多重曝光成像方法共包含Vstar、TL、Ton、Toff和N五個(gè)參數(shù)。其中，為了便于流水線處理，星敏感器工作周期TL一般為固定值，而星點(diǎn)移動(dòng)線速度Vstar由星敏感器運(yùn)動(dòng)角速度ω確定。為了獲得多重曝光成像方法的最佳性能，本發(fā)明首先建立星點(diǎn)移動(dòng)線速度Vstar的模型，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)Ton、Toff和N三個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)加以優(yōu)化。(1)星點(diǎn)移動(dòng)線速度Vstar模型星敏感器通過(guò)觀測(cè)恒星的位置能夠獲得自身相對(duì)于天球坐標(biāo)系的絕對(duì)姿態(tài)。設(shè)Wi和Vi分別表示視場(chǎng)內(nèi)第i顆恒星的觀測(cè)矢量和參考矢量，則二者在星敏感器坐標(biāo)系和天球坐標(biāo)系下的單位方向矢量如式(13)所示，式中(xi,yi)表示成像面上星點(diǎn)的坐標(biāo)，f表示星敏感器的焦距，(αi,δi)表示導(dǎo)航星在天球坐標(biāo)系下的赤經(jīng)和赤緯。若A表示星敏感器的姿態(tài)矩陣，則Wi和Vi滿足式(14)，式中，N為視場(chǎng)內(nèi)恒星數(shù)目，這里，可以利用QUEST算法求解A的最優(yōu)估計(jì)值。Wi=1xi2+yi2+f2-xi-yifVi=cosδicosαicosδisinαisinδi---(13)]]>Wi＝AVi(i＝1,2,...,N)(14)如圖5所示，當(dāng)星敏感器工作于動(dòng)態(tài)環(huán)境時(shí)，運(yùn)動(dòng)角速度如式(15)所示，，式中ω為角速度的模，為與成像面O'XY的夾角，β為在成像面上的投影與X軸的夾角。星敏感器運(yùn)動(dòng)等效為恒星相對(duì)于星敏感器的位置發(fā)生改變，若t時(shí)刻，像面上星點(diǎn)位置為點(diǎn)P，則經(jīng)過(guò)Δt時(shí)間后，星點(diǎn)位置為點(diǎn)P'。由式(14)可知，t、t+Δt時(shí)刻，第i顆恒星的觀測(cè)矢量分別滿足式(16)，由于參考矢量不隨時(shí)間發(fā)生改變，即Vi(t)＝Vi(t+Δt)，則由式(16)可得，t、t+Δt時(shí)刻的觀測(cè)矢量滿足式(17)，式中AtT表示t時(shí)刻星敏感器坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，Rtt+Δt表示星敏感器坐標(biāo)系自t時(shí)刻變化到t+Δt時(shí)刻的轉(zhuǎn)移矩陣。Wi(t)=AtVi(t)Wi(t+Δt)=At+ΔtVi(t+Δt)---(16)]]>Wi(t+Δt)=At+ΔtAtTWi(t)=Rtt+ΔtWi(t)---(17)]]>當(dāng)Δt充分小時(shí)，轉(zhuǎn)移矩陣Rtt+Δt滿足式(18)，式中，Δξ表示Δt時(shí)間內(nèi)的角度變化量，[[Δξ]]表示Δξ的交叉乘積矩陣。Rtt+Δt=I+[[Δξ]]+O(|Δξ|)(Δξ=ωtΔt)---(18)]]>忽略Δξ的高階無(wú)窮小量，則式(18)改寫為：Rtt+Δt=I+[[ωtΔt]]=1ωz(t)Δt-ωy(t)Δt-ωz(t)Δt1ωx(t)Δtωy(t)Δt-ωx(t)Δt1---(19)]]>將式(13)和式(19)代入式(17)，可得t、t+Δt時(shí)刻的觀測(cè)矢量之間的關(guān)系表達(dá)式，其中焦距f不隨時(shí)間變化，故而將上述關(guān)系表達(dá)式簡(jiǎn)化為二維形式如式(20)所示。xi(t+Δt)yi(t+Δt)=1(-xi(t)ωy(t)Δt+yi(t)ωx(t)Δt)/f+1·xi(t)+yi(t)ωz(t)Δt+fωy(t)Δtyi(t)-xi(t)ωz(t)Δt-fωx(t)Δt---(20)]]>由本發(fā)明中星敏感器參數(shù)計(jì)算可知，式(20)中的(-xi(t)ωy(t)△t+yi(t)ωx(t)△t)/f≤0.01，可以忽略不計(jì)，因此式(20)簡(jiǎn)化為式(21)。xi(t+Δt)=xi(t)+yi(t)ωz(t)Δt+fωy(t)Δtyi(t+Δt)=yi(t)-xi(t)ωz(t)Δt-fωx(t)Δt---(21)]]>當(dāng)Δt充分小時(shí)，由式(21)可以得到式(22)，式(22)就是星點(diǎn)在像面上移動(dòng)的瞬時(shí)線速度表達(dá)式，(Vx,Vy)分別表示瞬時(shí)線速度的X軸、Y軸分量。Vx=limΔt→0xi(t+Δt)-xi(t)Δt=yi(t)ωz(t)+fωy(t)Vy=limΔt→0yi(t+Δt)-yi(t)Δt=-xi(t)ωz(t)-fωx(t)---(22)]]>由式(22)可知，星點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的線速度(Vx,Vy)與星敏感器焦距f，運(yùn)動(dòng)角速度ω以及星點(diǎn)在像面上的位置(xi,yi)有關(guān)。將(Vx,Vy)進(jìn)行合成，并利用圖5所示夾角關(guān)系進(jìn)行化簡(jiǎn)，可得星點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的線速度Vstar模型如式(23)所示。式(23)中，線速度Vstar表示為焦距f，運(yùn)動(dòng)角速度模ω以及夾角θ、γ、β的函數(shù)，其中，各夾角變化范圍為：0deg≤θ≤θmax，0deg≤γ<360deg，0deg≤β<360deg。本發(fā)明采用星敏感器視場(chǎng)FOV＝20deg，因此θmax＝FOV/2＝10deg。由式(23)可知，線速度Vstar包含三個(gè)項(xiàng)，即ω垂直分量有關(guān)項(xiàng)、ω水平分量有關(guān)項(xiàng)以及二者的交叉項(xiàng)，由于均為關(guān)于的偶函數(shù)，同時(shí)，雖然為的奇函數(shù)，但是根據(jù)cos(β-γ)∈[-1,1]的性質(zhì)，使得上述交叉項(xiàng)關(guān)于具有對(duì)稱性質(zhì)。因此，當(dāng)夾角即時(shí)，對(duì)于確定的夾角由式(23)可知，線速度Vstar存在最小值Vstar(min)和最大值Vstar(max)，其表達(dá)式如式(24)所示，式中θmax＝10deg。為了求解Vstar(min)，定義函數(shù)如式(25)所示，其中0≤θ<90deg，當(dāng)時(shí)，令可得θ1＝0，且θ1≤θ2<90deg，則由式(25)易知，當(dāng)θ>θ2時(shí)，當(dāng)θ1<θ<θ2時(shí)，因此，對(duì)于確定的夾角存在最小值其中θ1<θm<θ2。對(duì)求偏導(dǎo)數(shù)，并令其為0，如式(26)所示，可得由此可知，當(dāng)0deg≤θ≤θmax時(shí)，對(duì)于確定夾角的最小值如式(27)所示。由式(24)、(27)可知，當(dāng)0deg≤θ≤θmax時(shí)，若取最小值則此時(shí)Vstar取得最小值Vstar(min)，其表達(dá)式如式(28)所示。結(jié)合式(24)、(27)、(28)，可得線速度Vstar的最小值Vstar(min)和最大值Vstar(max)隨夾角變化的規(guī)律如圖6所示，為簡(jiǎn)化表述，圖中取系數(shù)fω＝1mm/s。由圖6可知，對(duì)于確定的夾角視場(chǎng)內(nèi)不同星點(diǎn)的線速度Vstar介于最小值Vstar(min)和最大值Vstar(max)之間。特別的，當(dāng)夾角即角速度ω位于像面O'XY內(nèi)時(shí)，垂直分量項(xiàng)及交叉項(xiàng)為0，Vstar＝fω，此時(shí)像面上所有星點(diǎn)的線速度相同，而與星點(diǎn)位置無(wú)關(guān)；當(dāng)夾角即角速度ω與像面O'XY垂直時(shí)，水平分量項(xiàng)及交叉項(xiàng)為0，Vstar＝fωtanθ，此時(shí)像面上不同星點(diǎn)的線速度相差較大，視場(chǎng)中心星點(diǎn)θ＝0deg，因此Vstar＝0，而視場(chǎng)邊緣星點(diǎn)θ＝θmax，因此Vstar＝fωtanθmax。(2)像增強(qiáng)器開啟時(shí)間Ton由式(8)可知，像增強(qiáng)器開啟時(shí)間Ton選擇與單次曝光的最優(yōu)曝光時(shí)間Te相等，此時(shí)理論上每個(gè)采樣星點(diǎn)均可以獲得最高的質(zhì)心定位精度。JinyunYan等發(fā)表文獻(xiàn)“Dynamicimagingmodelandparameteroptimizationforastartracker”，對(duì)單次曝光星點(diǎn)的最佳拖尾長(zhǎng)度Le及最優(yōu)曝光時(shí)間Te等進(jìn)行了詳細(xì)的研究，由式(4)可知，最優(yōu)曝光時(shí)間Te可以由最佳拖尾長(zhǎng)度Le導(dǎo)出，因此僅需對(duì)Le進(jìn)行分析：首先，理論上不同星等、不同角速度等條件下對(duì)應(yīng)的最佳拖尾長(zhǎng)度是不同的，只有確定參數(shù)下才能得到該組參數(shù)對(duì)應(yīng)的最佳拖尾長(zhǎng)度，然而實(shí)際視場(chǎng)內(nèi)不同星等的星點(diǎn)分布情況是隨機(jī)的，并且星敏感器角速度是變化的，因此，無(wú)法給出最佳拖尾長(zhǎng)度Le的確定表達(dá)式，能夠完全適用于星敏感器的全部工作狀態(tài)；其次，雖然最佳拖尾長(zhǎng)度Le不存在適于全部情況的確定表達(dá)式，但其取值范圍確定，即Le∈[Lmin,Lmax]，其中最佳拖尾長(zhǎng)度的下限Lmin＝4.899σa、上限Lmax＝14.289σa?；谝陨蟽牲c(diǎn)，同時(shí)考慮到星敏感器視場(chǎng)內(nèi)不同星點(diǎn)移動(dòng)線速度Vstar不同，其變化范圍為Vstar∈[Vstar(min),Vstar(max)]，因此，定義全局最優(yōu)曝光時(shí)間Te，是當(dāng)視場(chǎng)內(nèi)具有中值線速度Vstar(middle)的星點(diǎn)的拖尾長(zhǎng)度為中值拖尾長(zhǎng)度Le(middle)時(shí)所對(duì)應(yīng)曝光時(shí)間，則全局最優(yōu)曝光時(shí)間Te，也是像增強(qiáng)器開啟時(shí)間Ton的表達(dá)式如式(29)所示。(3)像增強(qiáng)器關(guān)閉時(shí)間Toff經(jīng)過(guò)多重曝光成像后，相鄰兩個(gè)成像星點(diǎn)可能出現(xiàn)能量混疊，如圖3(b)所示，若要相鄰兩個(gè)成像星點(diǎn)能夠完全分離，則其間距L2應(yīng)滿足式(6)，同時(shí)，由式(7)、(8)可知，像增強(qiáng)器關(guān)閉時(shí)間Toff應(yīng)滿足式(30)。Toff=Ti-Te≥6σaVstar---(30)]]>由于視場(chǎng)內(nèi)不同位置星點(diǎn)的移動(dòng)線速度Vstar大小不同，因此由式(30)可知，當(dāng)且僅當(dāng)具有Vstar(min)的星點(diǎn)不產(chǎn)生混疊時(shí)，視場(chǎng)內(nèi)全部星點(diǎn)均不產(chǎn)生混疊，因此像增強(qiáng)器關(guān)閉時(shí)間Toff(min)應(yīng)滿足式(31)，式中夾角滿足這是因?yàn)椋鐖D6所示，當(dāng)時(shí)，Vstar(min)＝0，此時(shí)不存在Toff能夠使得全部相鄰采樣點(diǎn)不發(fā)生混疊。(4)多重曝光成像次數(shù)N由式(11)、(29)和(31)可得，曝光成像次數(shù)N滿足式(32)，式中[x]表示小于等于x的整數(shù)，由式(32)可知，當(dāng)總曝光時(shí)間TL內(nèi)無(wú)法完成多重曝光成像時(shí)，多重曝光成像方法退化為傳統(tǒng)單次曝光成像模型。N=[TLTon+Toff(min)],Ton+Toff(min)<TL1,Ton+Toff(min)≥TL---(32)]]>由式(32)確定多重曝光成像次數(shù)N后，根據(jù)式(11)、(29)可以確定實(shí)際的像增強(qiáng)器關(guān)閉時(shí)間Toff的取值如式(33)所示。Toff=TLN-Ton---(33)]]>需要注意的是，當(dāng)角速度模ω很小時(shí)，可以認(rèn)為星敏感器工作于靜態(tài)環(huán)境下，此時(shí)星點(diǎn)移動(dòng)線速度Vstar很小，由式(29)確定的Ton>>TL，不適于采用多重曝光成像方法。為了符合實(shí)際，像增強(qiáng)器開啟時(shí)間Ton的取值范圍限定為0<Ton≤TL，并且根據(jù)式(29)，對(duì)于確定的夾角定義多重曝光成像方法的最小有效角速度模ωmin如式(34)所示。式(29)～(34)對(duì)多重曝光成像方法中Ton、Toff和N三個(gè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，這里涉及星敏感器工作周期TL、像素邊長(zhǎng)a、焦距f、半視場(chǎng)角θmax、高斯半徑σ、角速度模ω和角速度與像面夾角共7個(gè)參數(shù)，其中參數(shù)ω、由三軸捷聯(lián)陀螺或者星敏感器運(yùn)動(dòng)學(xué)公式給出，其余參數(shù)為星敏感器設(shè)計(jì)參數(shù)。當(dāng)采用上述優(yōu)化參數(shù)時(shí)，多重曝光成像方法能夠獲得最佳性能。以上就是本發(fā)明提出的一種像增強(qiáng)型星敏感器多重曝光成像方法的技術(shù)內(nèi)容和方案。需要注意的是，以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3