重构点目标有效点扩散函数的光学载荷质心定位方法与流程

本发明涉及光学载荷航天应用领域，尤其涉及一种重构点目标有效点扩散函数的光学载荷质心定位方法。

背景技术：

1、超高精度的质心定位和角距测量广泛应用于深空天文导航、光行差自主导航、高精度空间天体测量、高精度空间大地测绘和下一代高精度星敏等基础领域。

2、对于如何提高星点质心定位精度，国内外主要通过改进星点质心算法来实现更高精度的星间质心偏移估计，但仅能达到10-2像素左右。由于仅提升算法，并没有关注光学系统点扩散函数的形状以及探测器本身的物理特性，从而无法真正达到高精度的空间测量与定位。

3、目前星点质心算法有高斯拟合法、中值法、寻导法以及可调阈值的修正矩方法，仅关注图像数据的处理算法，限制了空间定位和测角精度的提高，无法达到亚毫角秒甚至微角秒的空间天体测量要求。所以需要一种新的从光学系统点扩散函数和探测器自身着手的质心定位方法。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提供一种重构有效点扩散函数的光学载荷质心定位方法，可以实现星点质心定位精度达到亚毫像素，星间角距达到亚毫角秒精度。

2、为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种重构点目标有效点扩散函数的光学载荷质心定位方法，包括：

4、步骤s1：首先依据参考星点像位置的像素响应函数，建立有效点扩散函数重构模型，对参考星点像进行离散化傅里叶变换，得到载荷探测器像素平面平均有效点扩散函数的傅里叶变换；

5、步骤s2：接着利用传统质心求解算法算出参考星点像和待匹配星点像之间的初始质心偏移估计值；

6、步骤s3：然后利用星点质心初始偏移估计值，将参考星点像离散化在频域上按照初始质心偏移距离从小数点后按位进行移动；

7、步骤s4：算出移动后的新参考星点像与待匹配星点像之间的相关系数，将初始偏移距离小数点后每一位的相关系数最大的质心偏移距离作为下一位搜寻的初始值；

8、步骤s5：重复上述过程，不停迭代，直到相关系数不再变化，无限逼近于1，得到优于毫像素的星点质心定位精度。

9、可选地，在建立有效点扩散函数重构模型中，设像素光强的有效点扩函数为点扩散函数与像素响应函数的卷积，定义平均有效点扩散函数为：

10、

11、其中，fps(x,y)为点扩散函数，为平均像素响应函数，对平均有效点扩散函数进行傅里叶变换，形式为：

12、

13、其中，其中kx,ky分别为条纹在x轴和y轴的空间频率；根据光学载荷探测器像素尺寸a和星点像窗口大小n，对像素光强模型进行离散化，可得到像素有效点扩散函数重构模型为：

14、

15、其中为待匹配星点像的像素响应函数，ajl为平均有效点扩函数，其定义为

16、

17、依据该模型和参考星点像所在像素位置的像素响应函数，对参星点像像素值进行傅里叶变换，得到参数ajl。

18、可选地，将参考星点像离散化在频域上移动的过程中，将有效点扩散函数重构模型中像素响应函数项进行泰勒展开，可表示为：

19、

20、其中，qmn代表像素点(m,n)的平场响应不均匀性，(δxmn,δymn)代表是像素(m,n)的实际中心位置和理想中心位置之间的偏差。

21、则将参考星点像离散化在频域上移动，得到由一定位置偏移的离散星点像，可表示为：

22、

23、其中，为平移后的像素响应函数，是将参考星点像离散化后位移了(δxc,δyc)距离得到的离散星点像上像素(m,n)的输出值。

24、可选地，所述步骤s3中，利用底片常数法校准理想坐标和量度坐标，利用校准后的理想坐标，投影转换为天球坐标。

25、可选地，在计算参考星点像和待匹配星点像的相关系数时，先在初始星点质心偏移值小数点后一位，生成有一定位置偏移后的新参考星点像，计算出移动后的新参考星点像与待匹配星点像之间的相关系数，将相关系数最大的偏移值作为小数点后第二位的初始偏移距离，继续步进0.01，依次增加10次，计算出相关系数最大时的偏移距离，重复上述过程，小数点继续往后一位移动，直到算出的相关系数不再变化，得到优于毫像素的星点质心定位精度。

26、可选地，计算移动后的新参考星点像与待匹配星点像之间的相关系数：

27、

28、其中，s表示参考星点像，scorr表示待匹配星点像，gp、和gpcorr、分别表示参考星点像上像素点的灰度值和待匹配星点像上的灰度值。

29、本发明主要提出了重构有效点扩散函数的光学载荷质心定位方法，该方法指在为具有超高精度的质心定位和角距测量的应用领域提供技术支撑。

30、本发明至少具有以下技术效果之一：

31、(1)本发明提出了对星点像重构有效点扩散函数的方法，可摆脱因探测器制作工艺、像素空间排列、物理尺寸变化、环境温度等对星点质心定位精度的影响，质心定位精度达到亚毫像素。

32、(2)本发明提出了利用参考星点像在频域上进行移位，再利用相关系数来不断迭代更新的方式，在提高定位精度的同时，也可提高星点质心定位计算的效率。

33、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种重构点目标有效点扩散函数的光学载荷质心定位方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的重构有效点扩散函数的光学载荷质心定位方法，其特征在于，在建立有效点扩散函数重构模型时，设像素光强的有效点扩函数为点扩散函数与像素响应函数的卷积，定义平均有效点扩散函数为：

3.如权利要求2所述的重构有效点扩散函数的光学载荷质心定位方法，其特征在于，将参考星点像离散化在频域上移动的过程中，将有效点扩散函数重构模型中像素响应函数项进行泰勒展开，表示为：

4.如权利要求1所述的重构有效点扩散函数的光学载荷质心定位方法，其特征在于，在计算参考星点像和待匹配星点像的相关系数时，先在初始星点质心偏移值小数点后一位，步进0.1，依次增加10次，生成有一定位置偏移后的新参考星点像，计算出移动后的新参考星点像与待匹配星点像之间的相关系数，将相关系数最大的偏移值作为初始偏移距离，继续步进、依次增加，计算出相关系数最大时的偏移距离，重复上述过程，小数点继续往后一位移动，直到算出的相关系数不再变化，得到优于毫像素的星点质心定位精度。

5.如权利要求4所述的重构有效点扩散函数的光学载荷质心定位方法，其特征在于，计算移动后的新参考星点像与待匹配星点像之间的相关系数：

技术总结
本发明公开一种重构点目标有效点扩散函数的光学载荷质心定位方法，以参考星点像和待匹配星点像位置像素响应函数，建立有效点扩散函数重构模型，对参考星点像做离散化傅里叶变换，得到载荷探测器像素平面平均有效点扩散函数的傅里叶变换。以传统质心求解算法算出参考星点像和待匹配星点像之间的初始质心偏移估计值，再将参考星点像离散化在频域上按照初始质心偏移距离从小数点后按位进行移动。算出移动后的新参考星点像与待匹配星点像之间的相关系数，将初始偏移距离小数点后每一位的相关系数最大的质心偏移距离作为下一位搜寻的初始值，重复上述过程进行迭代，直到相关系数不再变化，得到优于毫像素的星点质心定位精度。

技术研发人员：黄飞,陈鼎,张宇,张硕,刘宗明
受保护的技术使用者：上海航天控制技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24