专利名称：一种高动态星敏感器图像非均匀校正方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及航天器姿态测量技术，特别是指一种高动态星敏感器图像非均勻校正方法及装置。
背景技术：
星敏感器(Mar Sensor)是当今航天飞行器中广泛采用的一种高精度、高可靠性的姿态测量部件。高动态载体的运行对星敏感器的动态性能提出了非常高的要求，因此，如何提高星敏感器动态性能成为当前新的研究热点。在高动态的条件下，星点能量的分散会使星敏感器的探测灵敏度急剧下降，视场内观测星的个数明显减少，无法确保正常的姿态输出。因此，为了提高星敏感器的探测灵敏度，出现了以像增强型电荷耦合元件(ICCD)、电子倍增电荷耦合元件(EMCCD)、电子轰击电荷耦合元件(EBCCD)等微光探测器件为图像传感器的高动态星敏感器。由于各种图像传感器的像素倍增系数、量子效率、以及有效感光面积等的差异，I(XD、EM(XD、EB(XD的非均勻性对成像质量有较大影响。星敏感器作为高精度的姿态测量部件，其星点质心计算精度需要达到亚像素级，而ICXD、EMCXD、EBCXD等微光探测器件的非均勻性会对星点质心计算精度造成较大的影响，从而影响星敏感器姿态测量的精度。因此，对星敏感器图像进行非均勻校正，是提高高动态星敏感器可靠性及测量精度的关键环节。非均勻校正方法主要分为基于参考辐射源校正方法及基于场景统计校正方法两类。其中，基于参考辐射源校正方法较为成熟。目前，应用于工程实际的参考辐射源校正方法主要包括R. W. Helfrich等人提出的两点温度定标法及美国海军研究实验室(Naval Research Laboratory)的Α. F. Miltion等人提出的多点温度定标法。其中，两点温度定标法的优点是算法简单，但其动态范围较窄，在ICCD、EMCCD、EBCCD等微光探测器件输出响应非线性严重的情况下，存在较大的校正误差；多点温度定标法具有较高的校正精度，但随着定标点的增多，校正计算量明显增加。为弥补上述不足，提出了基于探测器非线性响应模型的改进的两点温度定标法，该方法具有较宽的动态范围及较理想的校正精度，并且算法简单。然而，在高动态星敏感器的实际应用过程中，需要调整微光探测器件增益及积分时间两个参数，以控制成像质量，因此，经常会出现星敏感器工作时的增益及积分时间条件与定标图像的增益及积分时间条件不同的情况，而现有的非均勻性校正方法均未对定标图像与待校正图像拍摄条件不同的情况进行补偿，如此，严重限制了校正的效果及星敏感器的测量精度。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高动态星敏感器图像非均勻校正方法及装置，能有效地抑制星图的非均勻性，从而提高星敏感器的测量精度。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的
本发明提供了一种高动态星敏感器图像非均勻校正方法，该方法包括确定待校正星图与两个定标图像的增益、和/或积分时间不同后，依据ICXD的成像模型，对所述两个定标图像进行增益条件变换及增益响应非均勻性校正、和/或积分时间变换及积分时间响应非均勻性校正；采用校正后的定标图像对所述待校正星图进行非均勻性校正；所述ICCD 的成像模型，为s = ·(Φ) -exp(c -g+d) · (a-t+b)；其中，S 表示 ICCD 响应，Φ表示星敏感器接收的辐照度，t表示ICXD的曝光时间，g表示ICXD的增益，a、b、 c、d为常数。上述方案中，当确定待校正星图与两个定标图像的增益不同后，所述对所述两个定标图像进行增益条件变换及增益响应非均勻性校正，为获取增益响应非均勻校正定标图像；依据ICCD的成像模型，对每个所述增益响应非均勻校正定标图像的每个像素的灰度进行线性化处理，并采用线性化处理后的数据，计算每个所述增益响应非均勻校正定标图像的线性化处理的均值；从上到下逐行扫描线性化处理后的图像，采用所有所述增益响应非均勻校正定标图像的线性化处理的均值，计算增益响应非均勻性校正系数；从上到下逐行扫描每个所述定标图像，之后根据公式
t expfcYz, j)-(c· gi + d) + d\i, /)1
SUiJ)= 二。 ‘ ^ 、_、(u)，对所述两个定标图像进行增益条件变
exp[c (i,j)-(c-g2 + d) + d (i,j)J
换及增益响应非均勻性校正；其中，S^i，j)表示每个所述定标图像的第(i，j)像素的灰度值，所述增益响应非均勻性校正系数包括c' (i，j)&d' (i，j)，c' (i，j)表示第(i，j)像素的增益的校正增益，d' (i，j)表示第(i，j)像素的增益的校正偏置，
gl表示待校正星图的增益，g2表示所述定标图像的增益，= v r8:~Y"nr .、，
d'a, j) = Ygrn - c\i, j). Ygrn (i, y),或者，d\i, j) = Ygn - c\i, j) ■ Ygn (i, J·)；其中，t 表示增益为 gm
的增益响应非均勻校正定标图像的灰度的线性化处理的均值，表示增益为&的增益响应非均勻校正定标图像的灰度的线性化处理的均值，rim(/，j‘)表示增益为gm的增益响应非均勻校正定标图像的第(i，j)像素的灰度的线性化处理后的数据，YgnHJ) 表示增益为&的增益响应非均勻校正定标图像的第(i，j)像素的灰度的线性化处理
_1 M N_1 M N
后的数据，f^,, Ygjij)=]n[sjij)],
I (U) = In(U)]；其中，Μ、Ν表示所述增益响应非均勻校正定标图像的像素数，&(/, J·)
表示增益为&的增益响应非均勻校正定标图像的第(i，j)像素的灰度值，O'，·/)表示增益为&的增益响应非均勻校正定标图像的第(i，j)像素的灰度值。上述方案中，当确定待校正星图与两个定标图像的积分时间不同后，所述对所述两个定标图像进行积分时间条件变换及积分时间响应非均勻性校正，为获取积分时间响应非均勻校正定标图像；
从上到下逐行扫描积分时间响应非均勻校正定标图像，依据ICXD的成像模型，计算每个所述积分时间响应非均勻校正定标图像的灰度的均值；从上到下逐行扫描积分时间响应非均勻校正定标图像，采用所有所述积分时间响应非均勻校正定标图像的灰度的均值，计算积分时间响应非均勻性校正系数；从上到下逐行扫描每个对所述定标图像进行增益响应非均勻性校正后的图像，
之后根据公式s^a, j)= a^:J)‘H+bJi1: jI.^a, j)，对所述两个定标图像进行积
a (i,j)-(a-t2 + b) + b (i,j)
分时间条件变换及积分时间响应非均勻性校正；其中，Stc (i，j)表示每个所述定标图像的第(i，j)像素的灰度值，所述积分时间响应非均勻性校正系数包括a' (i，j)及b' (i， j)，a' (i，j)表示第(i，j)像素的积分时间的校正增益，b' (i，j)表示第(i，j)像素的积分时间的校正偏置，tl表示待校正星图的积分时间，t2表示所述定标图像的积分时间，
St -5,.、
a(i, j) =-!---,_或者，—
Ste (i, j) - Stf ( , j) b\i, j) = Stc - a\i, j). Stc (i, j) , " b\i, j) = Stf - a(i, j). Stf (i, j)；
其中，&表示积分时间为、的积分时间响应非均勻校正定标图像的灰度的均值，&表示积分时间为tf的积分时间响应非均勻校正定标图像的灰度的均值，&0'，J')表示积分时间为、 的积分时间响应非均勻校正定标图像的第(i，j)像素的灰度值，乂,0'，·/)表示积分时间为、
_1 M N
的积分时间响应非均勻校正定标图像的第(i，j)像素的灰度值，民=ττ^ΣΣ^，·/),
权利要求
1.一种高动态星敏感器图像非均勻校正方法，其特征在于，该方法包括确定待校正星图与两个定标图像的增益、和/或积分时间不同后，依据像增强型电荷耦合元件(ICCD)的成像模型，对所述两个定标图像进行增益条件变换及增益响应非均勻性校正、和/或积分时间变换及积分时间响应非均勻性校正；采用校正后的定标图像对所述待校正星图进行非均勻性校正；所述ICCD的成像模型，为S = f (Φ) · exp(c · g+d) · (a · t+b)；其中，S表示ICCD响应，Φ表示星敏感器接收的辐照度，t表示ICXD的曝光时间，g表示ICXD的增益，a、b、c、 d为常数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当确定待校正星图与两个定标图像的增益不同后，所述对所述两个定标图像进行增益条件变换及增益响应非均勻性校正，为获取增益响应非均勻校正定标图像；依据ICCD的成像模型，对每个所述增益响应非均勻校正定标图像的每个像素的灰度进行线性化处理，并采用线性化处理后的数据，计算每个所述增益响应非均勻校正定标图像的线性化处理的均值；从上到下逐行扫描线性化处理后的图像，采用所有所述增益响应非均勻校正定标图像的线性化处理的均值，计算增益响应非均勻性校正系数；从上到下逐行扫描每个所述定标图像，之后根据公式t expfcYz, j)-(c· gi + d) + d\i, /)1SUiJ)= 二。 ‘ ^ 、_、(u)，对所述两个定标图像进行增益条件变exp[c (i,j)-(c-g2 + d) + d (i,j)J换及增益响应非均勻性校正；其中，S^i，j)表示每个所述定标图像的第(i，j)像素的灰度值，所述增益响应非均勻性校正系数包括c' (i，j)&d' (i，j)，c' (i，j)表示第(i，j)像素的增益的校正增益，d' (i，j)表示第(i，j)像素的增益的校正偏置，gl表示待校正星图的增益，g2表示所述定标图像的增益，= v r8:~Y"nr .、，d'a, j) = Ygrn - c\i, j). Ygrn (i, y),或者，d\i, j) = Ygn - c\i, j) ■ Ygn (i, J·)；其中，表示增益为aJ勺增益响应非均勻校正定标图像的灰度的线性化处理的均值，ζ 表示增益为&的增益响应非均勻校正定标图像的灰度的线性化处理的均值，、0'，·/)表示增益为Sd的增益响应非均勻校正定标图像的第(i，j)像素的灰度的线性化处理后的数据，10'，·/) 表示增益为&的增益响应非均勻校正定标图像的第(i，j)像素的灰度的线性化处理_1 M N_1 M N后的数据，^,—ΣΣ^ο·^·)‘^ο·,,·)= η[^ο·,,·)],I (i, j) = In ( , j)]淇中，Μ、N表示所述增益响应非均勻校正定标图像的像素数，& (i, j)表示增益为&的增益响应非均勻校正定标图像的第(i，j)像素的灰度值，0'，·/)表示增益为&的增益响应非均勻校正定标图像的第(i，j)像素的灰度值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当确定待校正星图与两个定标图像的积分时间不同后，所述对所述两个定标图像进行积分时间条件变换及积分时间响应非均勻性校正，为获取积分时间响应非均勻校正定标图像；从上到下逐行扫描积分时间响应非均勻校正定标图像，依据ICCD的成像模型，计算每个所述积分时间响应非均勻校正定标图像的灰度的均值；从上到下逐行扫描积分时间响应非均勻校正定标图像，采用所有所述积分时间响应非均勻校正定标图像的灰度的均值，计算积分时间响应非均勻性校正系数；从上到下逐行扫描每个对所述定标图像进行增益响应非均勻性校正后的图像，之后根据公式
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当确定待校正星图与两个定标图像的增益及积分时间不同后，且依次对两个定标图像进行增益条件变换及增益响应响应非均勻性校正、积分时间条件变换及积分时间响应非均勻性校正时，所述对所述两个定标图像进行增益条件变换及增益响应非均勻性校正，为 获取增益响应非均勻校正定标图像；依据ICCD的成像模型，对每个所述增益响应非均勻校正定标图像的每个像素的灰度进行线性化处理，并采用线性化处理后的数据，计算每个所述增益响应非均勻校正定标图像的线性化处理的均值；从上到下逐行扫描线性化处理后的图像，采用所有所述增益响应非均勻校正定标图像的线性化处理的均值，计算增益响应非均勻性校正系数；从上到下逐行扫描每个所述定标图像，之后根据公式
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当确定待校正星图与两个定标图像的增益及积分时间不同后，且依次对两个定标图像进行积分时间条件变换及积分时间响应非均勻性校正、增益条件发变换及增益响应非均勻性校正时，所述对所述两个定标图像进行积分时间条件变换及积分时间响应非均勻性校正，为 获取积分时间响应非均勻校正定标图像；从上到下逐行扫描积分时间响应非均勻校正定标图像，依据ICCD的成像模型，计算每个所述积分时间响应非均勻校正定标图像的灰度的均值；从上到下逐行扫描积分时间响应非均勻校正定标图像，采用所有所述积分时间响应非均勻校正定标图像的灰度的均值，计算积分时间响应非均勻性校正系数；从上到下逐行扫描每个所述定标图像，之后根据公式
6.根据权利要求2或4所述的方法，其特征在于，所述获取增益响应非均勻校正定标图像，为利用积分球作为均勻光源，获取增益为&及&条件下ICCD输出的两个图像，作为增益响应非均勻校正定标图像。
7.根据权利要求3或5所述的方法，其特征在于，所述获取积分时间响应非均勻校正定标图像，为利用积分球作为均勻光源，获取积分时间为、及tf条件下ICCD输出图像作为积分时间响应非均勻校正定标图像。
8.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括 依据成像器件的光电响应模型，建立ICCD的成像模型。
9.一种高动态星敏感器图像非均勻校正装置，其特征在于，该装置包括增益及积分时间校正模块及非均勻性校正模块；其中，增益及积分时间校正模块，确定待校正星图与两个定标图像的增益、和/或积分时间不同后，依据ICCD的成像模型，对所述两个定标图像进行增益条件变换及增益响应非均勻性校正、和/或积分时间条件变换及积分时间响应非均勻性校正，并将校正后的图像发送给非均勻性校正模块；非均勻性校正模块，用于收到增益及积分时间校正模块发送的校正后的图像后，采用校正后的定标图像对所述待校正星图进行非均勻性校正；所述ICCD的成像模型，为S = f (Φ) · exp(c · g+d) · (a · t+b)；其中，S表示ICCD响应，Φ表示星敏感器接收的辐照度，t表示ICXD的曝光时间，g表示ICXD的增益，a、b、c、 d为常数。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括设置模块，用于成像器件的光电响应模型，建立ICCD的成像模型。
全文摘要
本发明公开了一种高动态星敏感器图像非均匀校正方法，方法包括确定待校正星图与两个定标图像的增益、和/或积分时间不同后，依据ICCD的成像模型，对所述两个定标图像进行增益条件变换及增益响应非均匀性校正、和/或积分时间条件变换及积分时间响应非均匀性校正；采用校正后的定标图像对所述待校正星图进行非均匀性校正。本发明同时公开了一种高动态星敏感器图像非均匀校正装置，采用本发明的方法及装置，能有效地抑制星图的非均匀性，从而有效地提高星敏感器的测量精度。
文档编号G01C25/00GK102410844SQ20111023127
公开日2012年4月11日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者张广军, 江洁, 金雁 申请人:北京航空航天大学