星敏感器星點運動模糊機理與復原方法研究.pdf

1、星敏感器是天文導航中一種重要的敏感器，是現(xiàn)有的絕對姿態(tài)測量敏感器中精度最高的敏感器，其精度能達到亞角秒量級，可為其他姿態(tài)測量方法提供高精度標定和校準源，在導航與姿態(tài)測量中應用廣泛。星敏感器在地面應用時，測量精度受天氣、動態(tài)環(huán)境的影響很大，特別是載體高速機動的繞軸旋轉(zhuǎn)運動時，星敏感器的成像會出現(xiàn)嚴重的星點拖尾，形成星點運動模糊，使得星點提取難度增大，提取精度迅速降低甚至失敗，導致星圖識別和姿態(tài)解算無法正常完成。本文針對星敏感器在海面艦艇姿

2、態(tài)測量與標校的應用背景，對星敏感器星點運動模糊機理與復原方法展開研究，論文的主要工作如下：
　　1.簡要簡紹了星敏感器的基本工作原理與發(fā)展歷程，對星敏感器星點運動模糊補償?shù)难芯楷F(xiàn)狀作了充分的調(diào)研，一切補償星點運動模糊的努力最終都是要試圖減弱或者消除探測器與目標恒星之間相對運動的影響。
　　2.圍繞星點運動模糊產(chǎn)生的機理與影響因素，從恒星光源的輻射特性開始，結(jié)合星點圖像的能量分布特點，進而介紹卷積的概念及其在圖像空間濾波的應用

3、，最后將光源圖像在運動情況下的分布用退化函數(shù)卷積的數(shù)學形式表達出來，闡述了運動退化函數(shù)對星點圖像模糊的作用機制，得到造成星點圖像模糊的兩個成因即相對運動和噪聲。對載體運動特性進行了分析，在本文應用背景下，星點模糊主要由旋轉(zhuǎn)運動引起。分析并實驗驗證了地球自轉(zhuǎn)運動對星敏感器成像的影響，指出星點的能量分布的梯度方向與地球自轉(zhuǎn)運動方向在像平面上的投影移動方向一致；當星點提取精度有限、等效噪聲轉(zhuǎn)動角速率大于地球自轉(zhuǎn)速率時，則在此時無需再對地球自轉(zhuǎn)

4、運動進行額外補償，星點提取精度成為關鍵制約因素。提出利用地球自轉(zhuǎn)運動評估亞像素星點提取算法精度的方法。研究了曝光時間的影響，并從器件角度考慮如何減小運動模糊的影響，給出了相機鏡頭選型的基本原則。
　　3.建立了星點運動模糊的簡化模型，通過該模型說明了模糊長度與外部參量曝光時間、運動轉(zhuǎn)速及相機鏡頭參數(shù)—焦距f和像元尺寸d的比值成正比。模型的模擬仿真與實驗初步驗證了該簡化模型。對該簡化模型的外部參量影響及自身誤差進行了分析，當簡化模型

5、在入射角或轉(zhuǎn)動角速度較大時會帶來很大誤差，必須采用包含入射角正切值二次項的復雜模糊長度模型。
　　4.介紹了反卷積圖像復原的基本原理與幾種傳統(tǒng)復原方法，仿真對比了這些復原方法，說明了噪聲是影響復原質(zhì)量的關鍵因素。對噪聲特性及其影響進行了分析計算與實驗，證明了背景雜散光是星敏感器在地面應用時最大的噪聲源。
　　5.提出了一種基于相關模板匹配的逆濾波復原方法，仿真結(jié)果表明該方法與未去噪時相比星點提取精度可提高2~3倍，對其抗噪聲