基于emccd和cmos的高動(dòng)態(tài)星敏感器的實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】基于EMCCD和CMOS的高動(dòng)態(tài)星敏感器的實(shí)現(xiàn)方法，涉及一種星敏感器技術(shù)，解決現(xiàn)有技術(shù)采用ICCD高速獲取星圖，存在體積大、壽命短、功耗高等問(wèn)題或者采用EMCCD來(lái)獲取星圖不能同時(shí)滿足高分辨率和高幀頻的問(wèn)題，同時(shí)現(xiàn)有采用TDI的方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)二維方式累加積分等問(wèn)題，采用高分辨率高靈敏的CMOS探測(cè)器在大視場(chǎng)內(nèi)獲取多顆低星等的星圖，降低星敏感器自帶星庫(kù)的星數(shù)量；針對(duì)高動(dòng)態(tài)下運(yùn)動(dòng)速度過(guò)大導(dǎo)致星圖像移模糊，利用CMOS四角的四片EMCCD倍增模式高速拍攝高星等圖像提高獲取運(yùn)動(dòng)矢量的幾率，采用軟件方式根據(jù)獲取的運(yùn)動(dòng)矢量實(shí)現(xiàn)CMOS二維方向的TDI工作方式。本發(fā)明避免了單片獲取像移的幾率過(guò)低的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】基于EMCCD和CMOS的高動(dòng)態(tài)星敏感器的實(shí)現(xiàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種星敏感器技術(shù)，具體涉及一種基于EMCCD和CMOS的高精度高動(dòng)態(tài) 星敏感器的實(shí)現(xiàn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 星敏感器是一種高精度姿態(tài)敏感測(cè)量?jī)x器，具有精度高、抗干擾性強(qiáng)、可不依賴其 它系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立導(dǎo)航等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)航天器多采用進(jìn)口的國(guó)外低精度的星敏感器，隨著 航天應(yīng)用的深入，對(duì)其精度和動(dòng)態(tài)性能提出了越來(lái)越高的要求，由于高等級(jí)產(chǎn)品國(guó)外禁運(yùn)， 只能依靠自身力量研制。本發(fā)明提供一種基于高分辨率CMOS和低分辨率基于電子倍增電 荷耦合器件（EMCXD，Electronic Multiplying (XD)的組合高動(dòng)態(tài)星敏感器成像系統(tǒng)。星 敏感器基本工作原理為恒星所發(fā)出的星光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在探測(cè)器靶面上，由成像系統(tǒng)拍 攝視軸指向星空的圖像，通過(guò)信號(hào)處理電路對(duì)數(shù)字化后的星圖進(jìn)行處理，主要包括恒星目 標(biāo)檢測(cè)（星提?。?、星識(shí)別、姿態(tài)計(jì)算等過(guò)程，最后確定星敏感器光軸在慣性空間中的指向， 再利用己知的星敏感器與載體的安裝角和此指向就可以完成載體三軸瞬時(shí)姿態(tài)的測(cè)量。
[0003] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航天器的機(jī)動(dòng)性越來(lái)越高，對(duì)星敏感器的性能要求也就越 來(lái)越高，而目前的星敏感器存在動(dòng)態(tài)性能較低、姿態(tài)更新率不高的缺點(diǎn)，因此，無(wú)法滿足未 來(lái)航天姿態(tài)測(cè)量的需要。北京航天航空大學(xué)提出采用ICCD來(lái)高速獲取星圖，存在體積大、 壽命短、功耗高等問(wèn)題；北京控制工程研究所采用EMCCD來(lái)獲取星圖，受器件性能限制，不 能同時(shí)滿足高分辨率和高幀頻；傳統(tǒng)的TDI工作方式只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的累加積分，不能 實(shí)現(xiàn)二維方式的累加積分等問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)采用ICCD高速獲取星圖，存在體積大、壽命短、功耗高等 問(wèn)題或者采用EMCCD來(lái)獲取星圖不能同時(shí)滿足高分辨率和高幀頻的問(wèn)題，同時(shí)現(xiàn)有采用 TDI的方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)二維方式累加積分等問(wèn)題，提供一種基于EMCCD和CMOS的高動(dòng)態(tài)星敏 感器的實(shí)現(xiàn)方法。
[0005] 基于EMCCD和CMOS的高動(dòng)態(tài)星敏感器的實(shí)現(xiàn)方法，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0006] 步驟一、光學(xué)系統(tǒng)接收星圖信息后同時(shí)在CMOS傳感器以及在所述CMOS傳感器四 角的四片EMCCD傳感器上成像，所述四片EMCCD傳感器以倍增方式高幀頻獲取高星等小視 場(chǎng)的星圖信息，并將星圖信息傳送至圖像處理器；所述圖像處理器獲得當(dāng)前四片EMCCD輸 出的星圖信息從而計(jì)算出每幀在二維方向的像移量；
[0007] 步驟二、所述CMOS傳感器將采集的星圖信息傳送至圖像處理器，所述圖像處理器 根據(jù)步驟一中四片EMC⑶輸出的星圖信息計(jì)算出每幀在二維方向像移量，通過(guò)累加在CMOS 每幀攝像時(shí)間內(nèi)EMCCD輸出的各幀像移量，從而獲得CMOS傳感器每幀間二維方向的像移 量；
[0008] 步驟三、采用外部存儲(chǔ)器對(duì)CMOS傳感器輸出圖像進(jìn)行二維方向的TDI方式疊加， 將TDI疊加后圖像進(jìn)行星圖識(shí)別；獲得高精度的大視場(chǎng)低星等星圖圖像。
[0009] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明主要利用EMCCD倍增模式高速拍攝高星等的星圖，通 過(guò)探測(cè)高星等圖像在小視場(chǎng)內(nèi)獲得更多的探測(cè)星數(shù)量，采用相關(guān)算法計(jì)算出每幀間的二維 方向的相對(duì)像移量；然后綜合CMOS四角的四片EMCCD獲取的像移量來(lái)獲得二維方向的像移 矢量，避免單片EMCCD在某時(shí)間段未拍攝到恒星從而無(wú)法計(jì)算出像移矢量的情況，提高獲 取像移矢量的幾率。若僅有一片EMCCD探測(cè)到恒星，輸出了非0的像移量，則以該片輸出的 像移量為準(zhǔn)；若超過(guò)一片EMCCD探測(cè)到恒星，輸出了非0的像移量，則以所有輸出非0像移 量的平均值作為最終的像移量。最后把通過(guò)四片獲取的像移矢量轉(zhuǎn)換為中心CMOS的二維 方向的像移量，并在中心CMOS曝光輸出一幀圖像時(shí)計(jì)算出在該幀曝光時(shí)間內(nèi)總的像移量， 也就是EMCCD輸出的最終像移量在該幀時(shí)間內(nèi)的疊加；CMOS進(jìn)行二維方向的TDI工作方 式，主要是采用軟件方式基于外部存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)的。
[0010] 本發(fā)明基于四角的四片小EMC⑶在倍增模式下獲取高星等小視場(chǎng)星圖計(jì)算出像 移，對(duì)中心的大CMOS傳感器進(jìn)行像移補(bǔ)償后計(jì)算低星等大視場(chǎng)星圖的基于EMC⑶和CMOS 的高動(dòng)態(tài)星敏感器的實(shí)現(xiàn)方法，將傳統(tǒng)星敏感器和電子倍增技術(shù)結(jié)合起來(lái)，本發(fā)明可獲得 CMOS較長(zhǎng)的積分時(shí)間提高信噪比，避免了像移導(dǎo)致的星圖模糊，而且避免了過(guò)高頻攝像引 起的噪聲增加；采用高星等的EMCCD拍攝星圖獲取像移，降低了大面陣計(jì)算像移對(duì)處理器 的要求；采用四角的四片EMCCD獲取圖像，可獲得二維相反方向的像移，避免了單片獲取像 移的幾率過(guò)低的問(wèn)題。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為本發(fā)明所述的基于EMC⑶和CMOS的高動(dòng)態(tài)星敏感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，基于EMC⑶和CMOS的高動(dòng)態(tài)星敏感器的實(shí)現(xiàn)方法，該 方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0013] 一、天空中的星圖經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后成像大CMOS傳感器及其四角的四片小EMC⑶傳感 器上；四片小EMCXD傳感器以倍增方式高幀頻如1000幀/秒獲取高星等的星圖，并把星圖 數(shù)據(jù)送入圖像處理器；圖像處理器綜合處理四片EMC⑶送入的星圖，計(jì)算出當(dāng)前二維方向 的像移速度；
[0014] 二、CMOS傳感器以較高的幀頻如100幀/秒攝像，并把采集的星圖送入圖像處理 器；圖像處理器根據(jù)四片EMC⑶星圖計(jì)算出四片EMCXD每幀的像移量，通過(guò)累加在CMOS每 幀攝像時(shí)間內(nèi)EMCCD輸出的各幀像移量（假定在CMOS每幀攝像時(shí)間內(nèi)EMCCD成像q次， 行和列方向的像移量分別為Xi和yi，〇 < y < q-Ι)，得到大CMOS每幀間二維方向的像移量 (行和列方向的像移量分別為

【權(quán)利要求】
1. 基于EMCCD和CMOS的高動(dòng)態(tài)星敏感器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征是，該方法由以下步驟實(shí) 現(xiàn)： 步驟一、光學(xué)系統(tǒng)接收星圖信息后同時(shí)在CMOS傳感器以及在所述CMOS傳感器四角的 四片EMCCD傳感器上成像，所述四片EMCCD傳感器以倍增方式高幀頻獲取高星等小視場(chǎng)的 星圖信息，并將星圖信息傳送至圖像處理器；所述圖像處理器獲得當(dāng)前四片EMCCD輸出的 星圖信息從而計(jì)算出每幀在二維方向的像移量； 步驟二、所述CMOS傳感器將采集的星圖信息傳送至圖像處理器，所述圖像處理器根據(jù) 步驟一中四片EMC⑶輸出的星圖信息計(jì)算出每幀在二維方向像移量，通過(guò)累加在CMOS每幀 攝像時(shí)間內(nèi)EMCCD輸出的各幀像移量，從而獲得CMOS傳感器每幀間二維方向的像移量； 步驟三、采用外部存儲(chǔ)器對(duì)CMOS傳感器輸出圖像進(jìn)行二維方向的TDI方式疊加，將TDI 疊加后圖像進(jìn)行星圖識(shí)別；獲得高精度的大視場(chǎng)低星等星圖圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于EMCCD和CMOS的高動(dòng)態(tài)星敏感器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在 于，步驟三中TDI方式疊加的具體過(guò)程為：按照幀間像移量映射不同行地址和列地址的像 素信號(hào)相加，設(shè)定對(duì)應(yīng)與行或列方向巾貞間的像移量為xy m和y μ m，CM0S傳感器在二維方向 的像元尺寸均為ay m，則前一幀地址（m，η)的像元與后一幀地址
的像元疊 加。
【文檔編號(hào)】G01C25/00GK104154932SQ201410367119
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】余達(dá), 周懷得, 李廣澤, 劉金國(guó), 徐東, 王國(guó)良, 張博研 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所