专利名称：：一种紫外导航敏感器的双模式控制方法
技术领域：
：本发明涉及一种紫外导航敏感器的控制与信息处理方法，尤其涉及一种紫外导航敏感器的双模式控制方法。
背景技术：
：目前，在轨的其它空间成像敏感器或者空间相机通常为固定靶面的像素成像，只有一种成像模式与尺寸，例如靶面为1024*1024，正常方式下只能采用1024*1024的图像拍摄与处理。在紫外导航敏感器设计中当碰到目标较暗、计算量大导致运算速度慢，这时单一工作方式会出现信噪比、刷新率较低的问题，如何解决该问题一直困扰着航天工程技术人员。Bi皿ing是一种图像读出模式，将相邻的像元中感应的电荷被加在一起，以一个像素的模式读出，Binning模式下将多个像元合并为512*512阵列或者256*256阵列，如图l所示。在某些商业用、工业用的CCD相机中已设置了这种模式，这种方式可以有效提高图像信噪比，但同时也会降低图像的分辨率，因此在CCD相机中很少被用到。紫外导航敏感器是一种新研制的光学敏感器，同时对恒星/地球进行成像，尤其对较暗的目标进行成像时存在灵敏度不高的问题，目前还没有一个很好的解决办法。为此提出了紫外敏感器两种工作方式，正常模式下拍摄1024*1024阵列图像，Bi皿ing模式下拍摄512*512图像，在较暗目标情况下Bi皿ing模式解决了灵敏度不高的问题，同时还提高了运算速度。专利号为US7，402，789B2的"Methodsforpixelbinninginanimagesensor"主要讲述了成像探测器芯片Binning功能的实现，而并没有涉及光学敏感器整机对Binning功能的应用，当然也谈不到双模式设计以及对应信息处理设计。《微计算机信息》第25巻16期公开的"基于CCD场输出模式下成像系统设计"一文提到成像中垂直方向的bi皿nig实现，但是文中对光学敏感器Bi皿ing模式使用、信息处理设计均没有提及。
发明内容本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种紫外导航敏感器的双模式控制方法，当目标较暗时，本发明通过控制导航敏感器采用binning模式工作，其它情况下采用正常模式进行工作，从而提高了图像的信噪比、敏感器感光能力并提高了运算速度，拓宽了紫外导航敏感器的工作能力。本发明的技术解决方案是一种紫外导航敏感器的双模式控制方法，当星上计算机判断出紫外导航敏感器在连续8-12个周期内提取的星点数目低于事先设好的星点数目阈值时，星上计算机向紫外导航敏感器发送模式设置指令，将紫外导航敏感器的工作模式由正常工作模式转成binning工作模式，紫外导航敏感器上的信息处理算法转成binning工作模式下的信息处理算法，当紫外导航敏感器提取的星点高于事先设好的星点数目阈值的3倍时，星上计算机向紫外导航敏感器发送模式设置指令，将紫外导航敏感器由binning工作模式转成正常工作模式；所述bi皿ing工作模式下的信息处理算法是4(1)首先对紫外导航敏感器获取的图像进行灰度阈值确定，分别在恒星区域以及地球成像区的采集图像点进行灰度统计1\=M+3o，得到所要确定的灰度阈值T"其中M为采集图像点灰度的均值，o为灰度均方差；(2)阈值确定后进行地球边缘点提取，依据灰度阈值1\将图像分割为背景区与目标区，由背景区向目标区的过渡点即为边缘点A(x，y)，x、y为边缘点坐标；(3)对提取的地球边缘点进行点坐标模式影射，影射关系为将bi皿ing模式下的图像坐标(xb，yb)转换到正常模式下的图像坐标(xz，yz)，即Xz=(2Xb+l)-0.5，Yz=(2Yb+l)-0.5;(4)对经过点坐标模式影射后的图像进行标定修正，根据标定矩阵把边缘点坐标(xz，yz)转化为校正后的空间矢量ep;<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中R为标定矩阵，大小为3Xm，其中m取值为3或4或5;(5)依据边缘点坐标进行图像拟合得到地心坐标BOq，y》，拟合算法采用基于圆方程的最小二乘法，由地心坐标B经标定修正后得到地心矢量；(6)对恒星区域进行星点提取，得到星点坐标C(x2，y2)，提取的方法为将大于恒星区域的灰度阈值T2的非孤立点或非长条像斑且点数大于4小于100的记为星点，对星点像斑采取质心算法得到星点坐标C(X2，y》；(7)对经过星点提取后的图像进行点坐标模式影射，影射关系为将bi皿ing模式下的图像坐标(xb，yb)转换到正常模式下的图像坐标(xz，yz)即Xz=(2Xb+l)-0.5，Yz=(2Yb+l)-0.5;(8)对经过步骤(7)处理后的图像重新进行标定修正，根据标定矩阵把星点坐标C(x2，y2)转化为校正后的空间矢量ep;<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中R为标定矩阵，大小为3Xm，其中m取值为3或4或5;(9)最后通过星图识别、姿态计算得到惯性姿态下的三轴坐标。本发明与现有技术相比的有益效果是本发明在紫外导航敏感器正常模式的前提下，采用了Binning工作模式，在Binning工作模式下紫外导航敏感器可探测的星等提高了1个等级、运算速度提高了1倍以上，使紫外导航敏感器在目标比较暗的前提下，提高了图像的信噪比和敏感器的感光能力，拓宽了紫外导航敏感器的工作能力，本专利可推广用于地球成像敏感器、月球车成像敏感器等。图1为Bi皿ing模式下图像像元与正常模式下图像的影射关系图；图2为正常模式下紫外导航敏感器的信息处理流程图；图3为Bi皿ing模式下紫外导航敏感器的信息处理流程图；图4为由紫外导航敏感器正常模式下的图像与Binning模式下的图像。具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述本发明的控制方法是当星上计算机判断出紫外导航敏感器在连续多个周期内提取的星点数目低于事先设好的星点数目阈值时，星上计算机向紫外导航敏感器发送模式设置指令，将紫外导航敏感器的工作模式由正常工作模式转成binning工作模式，紫外导航敏感器上的信息处理算法转成binning工作模式下的信息处理算法，当紫外导航敏感器提取的星点高于事先设好的星点数目阈值的3倍时，星上计算机向紫外导航敏感器发送模式设置指令，将紫外导航敏感器由binning工作模式转成正常工作模式；多个周期一般为8-12个周期，在本发明进行星点提取时利用连续10周期进行判断，数目阈值一般为5。紫外导航敏感器使用的CCD相机具有1024*1024阵列成像与bi皿ing成像功能，通过FPGA设计功能寄存器，通过指令改变赋值，完成对CCD成像方式的指定与转换。光学敏感器仅针对正常1024*1024阵列成像标定一次，通过标定工作确定了像素方位(X，Y)与空间矢量(Vx，Vy，Vz)的对应关系，在Binning工作方式下这种对应关系需要进行更改。如图2所示，对于正常模式下，紫外导航敏感器的信息处理过程为(1)首先对紫外导航敏感器获取的图像进行阈值确定，阈值确定的方法采用传统方法确定阈值1\，分别在恒星区域以及地球成像区的采集图像点进行灰度统计1\=M+3o，其中M为采集图像点灰度的均值，。为灰度均方差。(2)阈值确定后进行地球边缘点提取，边缘点的提取是按照"梯度"值得到的，直接选择最大梯度位置作为边缘点坐标，即依据灰度阈值T将图像分割为背景区与目标区，由背景向目标过渡点为边缘点A(x，y)，x、y为边缘点坐标，判断标准为A(x，y)>1\，且x，y的领域存在背景点。有关图像目标边缘点提取方法很多，也可使用。(3)地球边缘点提取后进行标定修正，标定是在整个耙面1024X1024范围内实施的，正常模式下使用统一的标定数据。标定修正方法如下校正算法是根据标定矩阵把前面的特征点(边缘点或星点)坐标(x，y)转化为校正后的空间矢量ep。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>一其中，R为标定矩阵，大小为3Xm，其中m可选择[3，4，5]。(4)完成标定修正后需要对地心矢量进行计算，地心矢量计算是依据边缘点进行图像拟合得到地心坐标，拟合算法为基于圆方程的最小二乘法。具体计算方法可参考发明人在2007年《宇航学报》Vol2S，Nol发表的《一种成像敏感器对月定姿算法》。(5)地心矢量计算完后需要进行星点提取，星点提取的方法为将大于恒星区域的灰度阈值T2的非孤立点或非长条像斑且点数大于4小于100的记为星点，对星点像斑采取质心算法得到星点坐标。具体参见《卫星姿态动力学与控制(3)》的第161166页。(6)当星点提取完成后再次进行标定修正，标定修正的方法与步骤(3)相同。(7)最后通过星图识别、姿态计算得到，具体的星图识别与姿态计算方法参见《卫星姿态动力学与控制(3)》的第149181页。如图3所示，对于Bi皿ing模式下，紫外导航敏感器的信息处理过程为(1)首先对紫外导航敏感器获取的图像进行阈值确定，阈值确定的方法采用传统方法确定阈值1\，分别在恒星区域以及地球成像区的采集图像点进行灰度统计1\=M+3o，其中M为采集图像点灰度的均值，。为灰度均方差。(2)阈值确定后进行地球边缘点提取，边缘点的提取是按照"梯度"值得到的，直接选择最大梯度位置作为边缘点坐标，即依据灰度阈值T将图像分割为背景区与目标区，由背景向目标过渡点为边缘点A(x，y)，x、y为边缘点坐标，判断标准为A(x，y)>T，且x，y的领域存在背景点。有关图像目标边缘点提取方法很多，也可使用。(3)当地球边缘点提取后需要进行点坐标模式影射，每一个binning后的点代表了四点合一不是一个单纯的乘2关系，例如bi皿ing图像的(O，O)实际上在靶面上的位置是(0.5，0.5)，因为他是(O，O)(O，l)(l，O)(l，l)的合并。影射关系建立方式为bi皿ing图像中的坐标(xb，yb)反推到正常模式下坐标(xz，yz)有如下关系XZ=(2Xb+l)-0.5Yz=(2Yb+l)-0.5。(4)点坐标模式影射完成后进行标定修正，标定是在整个靶面1024X1024范围内实施的，正常模式下使用统一的标定数据。标定修正方法如下校正算法是根据标定矩阵把前面的特征点(边缘点或星点)坐标(xz，yz)转化为校正后的空间矢量ep。1其中R为标定矩阵，大小为3Xm，其中m可选择[3，4，5]。(5)完成标定修正后需要对地心矢量进行计算，地心矢量计算是依据边缘点进行图像拟合得到地心坐标，拟合算法为基于圆方程的最小二乘法。具体计算方法可参考发明人在2007年《宇航学报》Vol28，Nol发表的《一种成像敏感器对月定姿算法》。(6)地心矢量计算完后需要进行星点提取，星点提取也正是星图识别的基础，提取的方法为将大于恒星区域的灰度阈值T2的非孤立点或非长条像斑且点数大于4小于100的记为星点，对星点像斑采取质心算法得到星点坐标C(x2，y2);具体参见《卫星姿态动力学与控制(3)》的第161166页。=及7(7)对经过星点提取后的图像进行点坐标模式影射，影射关系为将bi皿ing模式下的图像坐标(xb，yb)转换到正常模式下的图像坐标(xz，yz)即Xz=(2Xb+l)-0.5，Yz=(2Yb+l)-0.5;(8)对经过步骤(7)处理后的图像重新进行标定修正，根据标定矩阵把星点坐标C(x2，y2)转化为校正后的空间矢量ep;<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中R为标定矩阵，大小为3Xm，其中m取值为3或4或5;(9)最后通过星图识别与姿态计算得到惯性姿态下的三轴坐标，星图识别的方法很多例如三角形法、四边形法等，而惯性三轴姿态确定一般采取多星矢量估计算法。导航计算机根据惯性三轴姿态与地心矢量可以进行导航计算了。参见《卫星姿态动力学与控制(3)》的第149181页。如图4所示，图中左上角的图像为紫外导航敏感器在Bi皿ing模式下获取的图像，图中较大的图像为紫外导航敏感器在正常模式下获取的图像，在Binning工作模式下紫外导航敏感器可探测的星等提高了l个等级，使紫外导航敏感器在目标比较暗的前提下，提高了图像的信噪比和敏感器的感光能力，本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知常识。权利要求一种紫外导航敏感器的双模式控制方法，其特征在于当星上计算机判断出紫外导航敏感器在连续8-12个周期内提取的星点数目低于事先设好的星点数目阈值时，星上计算机向紫外导航敏感器发送模式设置指令，将紫外导航敏感器的工作模式由正常工作模式转成binning工作模式，紫外导航敏感器上的信息处理算法转成binning工作模式下的信息处理算法，当紫外导航敏感器提取的星点高于事先设好的星点数目阈值的3倍时，星上计算机向紫外导航敏感器发送模式设置指令，将紫外导航敏感器由binning工作模式转成正常工作模式；所述binning工作模式下的信息处理算法是(1)首先对紫外导航敏感器获取的图像进行灰度阈值确定，分别在恒星区域以及地球成像区的采集图像点进行灰度统计R1＝M+3σ，得到所要确定的灰度阈值T1，其中M为采集图像点灰度的均值，σ为灰度均方差；(2)阈值确定后进行地球边缘点提取，依据灰度阈值T1将图像分割为背景区与目标区，由背景区向目标区的过渡点即为边缘点A(x，y)，x、y为边缘点坐标；(3)对提取的地球边缘点进行点坐标模式影射，影射关系为将binning模式下的图像坐标(xb，yb)转换到正常模式下的图像坐标(xz，yz)，即Xz＝(2Xb+1)-0.5，Yz＝(2Yb+1)-0.5；(4)对经过点坐标模式影射后的图像进行标定修正，根据标定矩阵把边缘点坐标(xz，yz)转化为校正后的空间矢量ep；<mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>e</mi><mi>x</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>e</mi><mi>y</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>e</mi><mi>z</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mi>R</mi><mo>·</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msup><msub><mi>x</mi><mi>z</mi></msub><mi>m</mi></msup></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><msub><mi>x</mi><mi>z</mi></msub><mrow><mi>m</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>·</mo><msub><mi>y</mi><mi>z</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>z</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>z</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>其中R为标定矩阵，大小为3×m，其中m取值为3或4或5；(5)依据边缘点坐标进行图像拟合得到地心坐标B(x1，y1)，拟合算法采用基于圆方程的最小二乘法，由地心坐标B经标定修正后得到地心矢量；(6)对恒星区域进行星点提取，得到星点坐标C(x2，y2)，提取的方法为将大于恒星区域的灰度阈值T2的非孤立点或非长条像斑且点数大于4小于100的记为星点，对星点像斑采取质心算法得到星点坐标C(x2，y2)；(7)对经过星点提取后的图像进行点坐标模式影射，影射关系为将binning模式下的图像坐标(xb，yb)转换到正常模式下的图像坐标(xz，yz)即Xz＝(2Xb+1)-0.5，Yz＝(2Yb+1)-0.5；(8)对经过步骤(7)处理后的图像重新进行标定修正，根据标定矩阵把星点坐标C(x2，y2)转化为校正后的空间矢量ep；<mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>e</mi><mi>x</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>e</mi><mi>y</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>e</mi><mi>z</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mi>R</mi><mo>·</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msup><msub><mi>x</mi><mi>z</mi></msub><mi>m</mi></msup></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><msub><mi>x</mi><mi>z</mi></msub><mrow><mi>m</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>·</mo><msub><mi>y</mi><mi>z</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>z</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>z</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>其中R为标定矩阵，大小为3×m，其中m取值为3或4或5；(9)最后通过星图识别、姿态计算得到惯性姿态下的三轴坐标。全文摘要一种紫外导航敏感器的双模式控制方法，当星上计算机判断出紫外导航敏感器在连续多个周期内提取的星点数目低于事先设好的星点数目阈值时，星上计算机向紫外导航敏感器发送模式设置指令，将紫外导航敏感器的工作模式由正常工作模式转成binning工作模式，紫外导航敏感器上的信息处理算法转成binning工作模式下的信息处理算法，当紫外导航敏感器提取的星点高于事先设好的星点数目阈值的3倍时，星上计算机将紫外导航敏感器由binning工作模式转成正常工作模式。在Binning工作模式下紫外导航敏感器可探测的星等提高了1个等级、运算速度提高了1倍以上，提高了图像的信噪比和敏感器的感光能力，拓宽了紫外导航敏感器的工作能力。文档编号G01C21/24GK101713655SQ20091023814公开日2010年5月26日申请日期2009年11月16日优先权日2009年11月16日发明者刘鲁,尉志军,李春江,王立,王艳宝,龚德铸申请人:北京控制工程研究所