基于飞腾DSP的多视场星敏感器信息处理系统设计

星敏感器是自主导航姿态控制系统中的重要组成部分之一。作为星敏感器的核心部件,信息处理系统对其整机性能有重要影响。基于飞腾多核DSP+复旦微FPGA架构设计了一种全国产化多视场星敏感器信息处理系统。在设计中采用EMIF接口和GPIO接口与复旦微FPGA进行数据交互及控制,将2片串行Flash用于存储星库数据和启动程序,将2片DDR3芯片用于缓存数据。详细介绍了信息处理系统的整体软件流程设计、算法流程设计及实现。经试验验证,该系统可稳定运行并输出正确姿态。在星图分辨率为2048×2048的情况下,系统无初始指向时的数据更新频率为20Hz,有初始指向时的数据更新频率为625Hz。运算性能约为普通ARM架构的3倍,对于提升多视场星敏感器的实时性、丰富其工程化实现方法具有重要意义。

机器视觉多视场协同测量方法

提出了机器视觉多视场协同测量方法以实现二维几何特征的现场高精度自动测量。介绍了该方法的基本原理,研究了实现多视场协同测量的关键技术。首先,建立测量空间,在大视场图像上识别被测特征并规划测量路径,建立大视场图像坐标与测量空间坐标之间的映射关系;根据测量路径,在测量空间中完成小视场序列图像的自动采集。然后,建立大视场图像坐标与小视场图像坐标之间以及相邻小视场图像坐标之间的映射关系,据此关系,在小视场图像的相应位置搜索并构建精细的辅助测量特征。最后,根据小视场序列图像在测量空间中的方位,求解各局部被测特征参数并进一步求和得到整体被测特征参数。应用该方法对φ150mm圆盘上分布的100mm孔距进行测量实验,结果表明,相对误差的绝对值不超过0.03%。该方法测量精度不受机械坐标精度的影响,适用于在工业现场组建高精度自动测量系统。

近红外多视场白天测星分析

近红外多视场恒星探测系统采用3个探测器同时进行恒星探测,分析了近红外波段白天恒星-背景对比度随探测参数的变化情况,对不同视场对比度进行对比,结果表明:随着探测天顶角的增大,恒星-背景对比度呈线性增大;太阳天顶角大于探测器天顶角以后,恒星-背景对比度随太阳天顶角近似于指数增长;一定高度时,对比度随探测器高度的增加近似指数增加;而随着探测方位角的增大,恒星-背景对比度呈高斯分布;三个视场内同一时刻的背景辐射比在主视场0°探测方位角时达到最小,探测到的恒星-背景对比度随主视场探测方位角变化呈对称分布,为星等修正奠定较好的基础。

多视场星敏感器工作模式设计

针对多视场星敏感器的特点设计了两种工作模式:高精度工作模式和高更新率工作模式.中央时序控制器根据指令完成工作模式配置,以相应的时序启动图像采集处理模块.结合工作模式的时序特点,在FPGA(Field Programmable Gate Array)内部设计了3个星点质心提取模块,与各自对应的图像采集模块同步运行,实现了两种工作模式下多视场星图快速质心提取.采用Cypress公司的IBIS5-A-1300作为图像传感器,基于FPGA设计了实验平台,对工作模式配置及数据更新率进行测试.实验结果表明:工作模式可灵活配置和切换,在高更新率工作模式下,星敏感器的数据更新率为传统单视场情况的3倍.

中波/长波双色多视场光学系统设计

设计了一种基于中/长波双色焦平面阵列探测器的红外多视场变焦距光学系统,通过在窄视场光路中插入不同镜组的方式实现宽、中、窄视场的转换,并利用谐衍射原理和非球面设计进行像差平衡,其工作波长范围为中波3～5μm、长波7.7～9.5μm,F数为3,变倍比达到18∶1.设计结果表明,在中长波双色工作模式下,中长波各个视场的MTF均接近衍射极限、中波红外70%的能量分布在一个探测器像元内、长波红外60%的能量分布在一个探测器像元内、温度适应性好.该双色多视场光学系统在军民用光电探测领域有重要作用和广阔的市场前景.

多视场星敏感器结构布局优化

星敏感器是应用于航天器的重要的姿态测量器件。多视场星敏感器与传统单视场星敏感器相比,在测量精度及可靠性方面具有明显优势,是星敏感器技术发展的重要方向。如何对多视场星敏感器的安装结构进行优化布局,获得最佳的姿态测量效果,是多视场星敏感器在设计与应用过程中需要首先解决的关键问题。从测量精度出发,对多视场星敏感器的结构布局进行优化。首先,建立了多视场星敏感器的测量模型;其次,以姿态四元数的误差协方差矩阵的迹为衡量指标,分析影响姿态确定算法(QUEST算法)精度的因素,尤其是星光矢量夹角与星敏感器姿态测量精度的关系;最后,针对不同结构布局下的多视场星敏感器进行仿真实验。结果表明,多视场星敏感器的测量精度随视轴夹角的增大而提高,且各视轴相互正交时,精度最高。

双筒多视场太阳光度计研制

为了解决传统太阳光度计仅能测量气溶胶的局限性问题,研制了一种新型的可用于探测卷云光学性质的双筒多视场太阳光度计(BMFOVSP)。文中分别介绍了仪器的软硬件、光学平台和光路设计。仪器首次采用CCD图像处理技术跟踪太阳,跟踪精度高于1角分,解决了当有不均匀云时传统太阳光度计利用四象限跟踪太阳会不准的问题。该仪器基于VB平台可实现多波长多视场瞬时太阳辐照度的实时测量与显示;并具有电机运转、太阳图像跟踪、变视场调试等在线检测功能。初步的实验结果表明该设备测量精度高,且不同视场的强度比值可以反映云状况的变化,可在地基测量卷云光学特性参数中得到应用。

多视场定焦距CCD摄像系统结构设计及调校

针对多视场定焦距CCD摄像系统按照传统光机结构设计方法造起各光轴平行性容易偏移和系统占用空间较大等问题,提出多视场定焦距CCD摄像系统的光机结构可以以一个精密铸件为基体,铸造出每个视场的内腔毛坯形状,通过数控机械加工和可靠的装调方法保证各视场光轴的平行性和稳定性。装调完成后进行冲击和振动试验,结果表明:该多视场定焦距CCD摄像系统各视场光轴的平行性误差不大于0.2mrad;各视场光轴的稳定性误差不大于0.1mrad。因此,该结构设计方法是可行的,它具有结构紧凑、体积小,各光轴平行性和稳定性容易保证,可靠性高等特点。

多视场星敏感器数学模型与精度分析

多视场星敏感器与传统单视场星敏感器相比不仅具有更高的可靠性和自主性,也具有更高的精度和动态性能,是未来星敏感器发展的重要趋势之一。为获得最佳性能,需要对多视场星敏感器的视场大小和布局进行优化。为此,首先建立了多视场星敏感器的数学模型,重点介绍了星点成像和姿态计算。然后推导了多视场星敏感器测量精度的数学表示,分析了影响精度的因素。通过仿真分析了多视场星敏感器视场大小和布局对各因素和精度的影响。仿真结果表明,视场大小对星敏感器精度的影响取决于星敏感器的运动情况,当角速度较小时,视场越小,精度越高;当角速度较大时,视场越大,精度越高。而各视轴相互正交的视场布局下,多视场星敏感器的测量精度最高。

多视场热像仪变倍机构设计技术研究

介绍了多视场热像仪变倍机构设计技术。从结构设计的角度出发,对多视场热像仪常用的几种变倍机构的工作方式、光机结构特点及设计技术要点进行分析与研究,指出不同机构型式的优缺点和适用性。总结了多视场热像仪变倍机构设计的主要原则。

多视场星敏感器近地轨道自主定位导航方法

传统航天器自主天文导航需要星敏感器、红外地平仪、磁强计等多种敏感器采集导航数据,增加了航天器的成本和复杂度。利用多视场星敏感器的特点,分别对恒星与地球进行成像,在完成姿态测量的同时,得到地心矢量信息,从而进行自主天文导航。首先建立地球几何模型,结合航天器轨道参数与多视场星敏感器的安装布局,实现各个视场内地球边缘的成像模拟,使用Steger算法提取地球边缘。综合考虑地球扁率的影响,对不同视场中观测到的地球边缘进行拟合得到精确地心矢量,最后进行基于星光角距的直接敏感地平导航仿真。仿真结果表明,在一个视场观测恒星,另外两个视场观测地球边缘的布局情况下,地心矢量精度和导航位置精度分别达到0.0172°(1σ)和190m(1σ)。

新型复合多视场光学敏感器及其导航方法

基于利用四面镜结构实现的复合多视场光学敏感器,给出了一种高精度天文导航方法,即通过四面镜同时观测地球、导航星和折射星,利用卫星、地球、恒星之间的位置关系,实现自主导航。通过研究导航量测信息的获取途径,给出了复合多视场光学敏感器的5种实用工作方式。结合卡尔曼滤波算法,建立了自主天文导航的仿真模型,并对5种工作方式进行了仿真与比较。仿真结果表明:双组直接敏感地平与单组间接敏感地平结合的导航方式精度最高,位置精度达到了10 m量级。

基于多视场星敏感器的三角形星图识别方法

为解决现有基于单星敏感器的星图识别中由于成像视角小,星图恒星数量不足而造成的星图识别率偏低的问题,提高星图识别的准确度和精确度,提出了一种基于多视场星敏感器的改进三角形星图识别方法;该方法通过将相同位置相同时间不同姿态角获得的多幅星图基于星图自身径向特征拼接成一幅多视角、不失真的星图,利用拼接后的星图进行星图识别,同时采用分块方式存储星对角距以及利用哈希查找提高星图识别效率;实验随机识别500幅星图,仿真结果表明,与传统的单视场星图匹配算法相比,该方法具有更高的星图识别率和匹配精度,当星图恒星数量达到30以上时,平均识别率能基本达到97%,且识别速度提高了11倍左右。

多视场遥感图像虚拟焦面拼接理论误差分析

随着遥感对地观测技术的发展,对大视场、宽幅数据的需求日益增加,经常需要通过多幅遥感图像拼接来满足图像幅宽的要求。由多台相机同轨同时成像并拼接获取大幅宽遥感图像可以解决图像幅宽的问题。目前主要采用基于匹配的图像域拼接方法或根据成像几何关系生成虚拟拼接图像的方法获取宽幅图像。而生成虚拟拼接图像的方法物理意义明确且拼接后图像具有经典成像几何关系,成为图像拼接发展的趋势。文章根据同轨多视场图像虚拟焦面拼接原理,由摄影测量严格共线方程几何定位模型推导了多台相机不同视场图像的理论拼接误差计算公式,得出拼接误差的主要误差源;并仿真实验分析了拼接理论误差对图像拼接的影响,为多台相机拼接获取宽幅图像的设计和应用提供一定参考。

基于最优路径的多视场全天自主星图识别

为提高低成本小视场星敏感器在全天自主星图识别模式下的识别成功率,提出一种基于最优路径特征的多视场星敏感器星图识别方法。通过多视场观测星图的星图间识别,得到融合后的星图,设置随机分布在星图中主星邻域内各星的蚁群,以迭代的方法得到遍历各星的最优路径,以路径的几何特征作为与导航星库进行匹配的依据。与现有方法相比,该方法表现出高识别率以及针对位置和亮度噪声良好的鲁棒性。

基于广义等值面提取的多视场深度像融合

建立等值面方程是隐式曲面造型问题的一个重要方面。一旦等值面方程被建立起来,可以设计相应的算法从深度数据中提取等值面,从而实现多视场深度像的融合。笔者提出一种广义的等值面方程,其理论依据是“空间点对应的向量图解”和“最小二乘逼近的法则”。在广义的等值面方程中注入了采样点的方向信息,提供了一个清晰的物理和几何含义的描述,由此可以解释设置“权函数”的标准以及隐式曲面造型中其他的一些几何关系。它为设计等值面提取算法提供了一个新的方法。

多视场空间相机成像轨迹计算与应用

多视场空间相机包含多个独立的光学成像系统,为保证在轨连续成像时各视场成像条带满足重叠要求,需要精确的计算相机视场边缘对应的地面轨迹。首先根据空间相机为中心投影成像的特点,以坐标系变换结合共线方程推导像点与地面轨迹点的严格数学关系,接着以某单星双视场相机为例计算在不同纬度和姿态下的成像条带,以条带重叠作为约束,遍历计算安装方位角为-0.28°时,可以保证卫星±40°侧摆范围内成像时,两个视场的条带图像满足重叠要求。该方法同样可应用于其他类型空间相机在任何姿态下的地面轨迹计算。

面向微尺度对象的多视场协同测量方法研究

针对显微视觉下视野小,无法对微小目标对象一次测量等难题,提出面向微尺度对象的多视场协同测量方法。该方法通过谱残差视觉注意模型建立亮度显著图对低分辨率的大视场图像提取兴趣区域,分别对兴趣区域获取高分辨率的小视场图像。然后通过ORB算法将大视场图像与小视场图像匹配起来,将小视场图像融合到大视场图像中。最后对得到的高分辨率图像进行图像处理,返回需要测量的数据。实验结果表明,该方法具有较高的测量精度,并且能够实现面向微尺度对象的自动测量。

多视场法在基于双端激光雷达的大气探测实验中的应用

双端激光雷达用于大气探测实验时,所测散射信号包括单次和多次散射信号,其中大气反演基于单次散射信号。本文利用单次和多次散射信号与双端激光雷达的接收端视场角的不同关系,提出改变利用多视场法进行多次测量,并从测量结果中定量计算出单次和多次散射信号,使用理论模型计算的结果表明多视场法是可行的,基于双端激光雷达的大气探测实验的精度有望得到较大提高。

基于立方体的多视场转换器

介绍了一种结构紧凑的多视场转换器的设计方法 ,它以立方体为基础 ,通过定义不同的旋转轴 ,在立方体各面上安装不同的透镜 ,实现多种间断变化视场的红外光学系统。