一種星敏感器行像元噪聲自適應(yīng)濾除方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種噪聲自適應(yīng)濾除方法，特別是一種星敏感器行像元噪聲自適應(yīng)濾 除方法，適用于空間飛行器用恒星敏感器圖像預(yù)處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 星敏感器是一種光學(xué)成像式敏感器，用于空間姿態(tài)的高精度測量。星敏感器在軌 工作時，采用敏感器視場恒星光電成像與局域天區(qū)或全天球星圖匹配的方法，確定星敏感 器光軸在慣性空間的指向，利用敏感器本體坐標(biāo)系和衛(wèi)星姿態(tài)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，確定衛(wèi) 星姿態(tài)。星敏感器具有高精度、高可靠性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、飛船及導(dǎo)彈等飛行器平 臺上。
[0003] 星敏感器在實(shí)際在軌運(yùn)行期間，需要面對復(fù)雜的太空環(huán)境，如太空帶電粒子、大西 洋粒子異常區(qū)、太陽光，月光，地氣光以及星體反射光進(jìn)入視場、高溫工況以及圖像傳感器 自身的壞像素點(diǎn)及噪聲等，使得星敏感器拍攝的圖像中經(jīng)常含有噪聲點(diǎn)，這些噪聲點(diǎn)表現(xiàn) 為離散的單像素噪聲點(diǎn)，或者大面積光斑。這些噪聲點(diǎn)會增加星敏感器內(nèi)存占用率，使得星 圖識別時間增長，更嚴(yán)重的會使得噪聲占滿星敏感器內(nèi)存空間，影響星敏感器正常輸出姿 態(tài)。如果一味的增大星敏感器內(nèi)存容量來解決上述問題，則不利于其實(shí)現(xiàn)整機(jī)輕小化和姿 態(tài)快速捕獲的優(yōu)化目標(biāo)。因此設(shè)計一種有效的星敏感器像元噪聲自適應(yīng)濾除方法，不僅可 以實(shí)現(xiàn)整機(jī)小型化設(shè)計要求，還可以滿足星圖快速識別的要求。
[0004] 田金文等在《華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》（2005, 33 (4) :38-40)發(fā)表論文 《一種星圖中星的提取方法》，給出了一種基于PC機(jī)實(shí)現(xiàn)的星點(diǎn)提取算法，其先將星圖存儲 至外部存儲器，再進(jìn)行星圖濾波處理，該方法為串行處理方式，計算效率不高。江潔等在《航 空學(xué)報》（2006, 27 (5) :913-916)發(fā)表論文《一種快速的星敏感器星跟蹤方法研宄》，給出了 一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)的星圖提取算法，該方法充分利用了 FPGA并行處理優(yōu)勢，計算速度具有 快速性，但是對于噪聲的濾除沒有給出解決策略。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的局限性和不足，提出了一種星敏感器 行像元噪聲自適應(yīng)濾除方法，該方法利用了自適應(yīng)濾波、自適應(yīng)閾值設(shè)定和內(nèi)存回退技術(shù) 進(jìn)行在軌圖像預(yù)處理，可以濾除由于空間粒子、高溫工況出現(xiàn)的熱噪聲，圖像傳感器性能衰 退帶入的噪聲，以及雜散光進(jìn)入星敏感器視場而導(dǎo)致星敏感器工作異常的情況。具有快速 濾除噪聲的特點(diǎn)，并且可以針對多種噪聲特點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)濾波。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種星敏感器行像元噪聲自適應(yīng)濾除方法，所述行像 元為圖像矩陣中處于同一行的像元；步驟如下：
[0007] (1)在地面進(jìn)行實(shí)地觀星試驗(yàn)，采集星敏感器觀星圖像，并利用直方圖法統(tǒng)計星敏 感器觀星圖像的灰度分布，確定灰度分布中各個波峰對應(yīng)的灰度值，并利用各個波峰的灰 度值確定初始濾波背景估值修改量BckGndAdj ;所述星敏感器觀星圖像灰度值的取值范圍 根據(jù)不同的傳感器位數(shù)確定；
[0008] (2)將步驟⑴中確定的初始濾波背景估值修改量BckGndAdj寫入星敏感器的背 景估值修改量寄存器中；
[0009] (3)在星敏感器FPGA內(nèi)部設(shè)計乒乓SRAM用于緩存圖像行；在圖像緩存入乒SRAM 時，對乓SRAM中的圖像進(jìn)行濾波，在圖像緩存入乓SRAM時，對乒SRAM中的圖像進(jìn)行濾波；
[0010] (4)星敏感器獲得一幅在軌圖像，利用步驟（3)中的乒乓SRAM，以行像元為處理單 元，對獲得的在軌圖像進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理；
[0011] (5)統(tǒng)計進(jìn)行步驟（4)中濾波處理時內(nèi)部圖像存儲SRAM統(tǒng)計占用率，并根據(jù)內(nèi) 部圖像存儲SRAM統(tǒng)計占用率，自適應(yīng)設(shè)置星敏感器FPGA內(nèi)部圖像濾除像素數(shù)下限寄存器 Ndown和上限寄存器Nup的值；
[0012] (6)星敏感器獲得一幅新的在軌圖像，進(jìn)行步驟（4)中的濾波處理，若連續(xù)存儲像 素數(shù)小于步驟（5)中的Ndown或者大于步驟（5)中的Nup，則利用內(nèi)存回退技術(shù)進(jìn)行噪聲像 元自適應(yīng)濾波；
[0013] (7)統(tǒng)計進(jìn)行步驟（6)中濾波處理時內(nèi)部圖像存儲SRAM統(tǒng)計占用率，并根據(jù)內(nèi) 部圖像存儲SRAM統(tǒng)計占用率，自適應(yīng)設(shè)置星敏感器FPGA內(nèi)部圖像濾除像素數(shù)下限寄存器 Ndown和上限寄存器Nup的值，重復(fù)步驟（6)?步驟（7)，直至所有圖像均處理完畢。
[0014] 所述步驟（1)中利用波峰和波谷的灰度值確定初始濾波背景估值修改量 BckGndAd j，具體為：
[0015] BckGndAdj = GRAYmax+A
[0016] 所述GRAYmax為星敏感器觀星圖像直方圖中概率最大的波峰對應(yīng)的灰度值，A為灰 度值修正量，A的取值范圍為：0?2 6。
[0017] 所述步驟（5)和步驟（7)中根據(jù)內(nèi)部圖像存儲SRAM統(tǒng)計占用率，自適應(yīng)設(shè)置星敏 感器FPGA內(nèi)部圖像濾除像素數(shù)下限寄存器Ndown和上限寄存器Nup的值，具體根據(jù)表1中 的對應(yīng)關(guān)系查表完成；
[0018] 表 1
[0019]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種星敏感器行像元噪聲自適應(yīng)濾除方法，所述行像元為圖像矩陣中處于同一行的 像元；其特征在于步驟如下： (1) 在地面進(jìn)行實(shí)地觀星試驗(yàn)，采集星敏感器觀星圖像，并利用直方圖法統(tǒng)計星敏感器 觀星圖像的灰度分布，確定灰度分布中各個波峰對應(yīng)的灰度值，并利用各個波峰的灰度值 確定初始濾波背景估值修改量BckGndAdj ;所述星敏感器觀星圖像灰度值的取值范圍根據(jù) 不同的傳感器位數(shù)確定； (2) 將步驟（1)中確定的初始濾波背景估值修改量BckGndAdj寫入星敏感器的背景估 值修改量寄存器中； (3) 在星敏感器FPGA內(nèi)部設(shè)計兵鳥SRAM用于緩存圖像行；在圖像緩存入兵SRAM時， 對鳥SRAM中的圖像進(jìn)行濾波，在圖像緩存入鳥SRAM時，對兵SRAM中的圖像進(jìn)行濾波； (4) 星敏感器獲得一幅在軌圖像，利用步驟（3)中的兵鳥SRAM, W行像元為處理單元， 對獲得的在軌圖像進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理； (5) 統(tǒng)計進(jìn)行步驟（4)中濾波處理時內(nèi)部圖像存儲SRAM統(tǒng)計占用率，并根據(jù)內(nèi)部圖像 存儲SRAM統(tǒng)計占用率，自適應(yīng)設(shè)置星敏感器FPGA內(nèi)部圖像濾除像素數(shù)下限寄存器Ndown 和上限寄存器Nup的值； (6) 星敏感器獲得一幅新的在軌圖像，進(jìn)行步驟（4)中的濾波處理，若連續(xù)存儲像素數(shù) 小于步驟（5)中的Ndown或者大于步驟（5)中的Nup，則利用內(nèi)存回退技術(shù)進(jìn)行噪聲像元自 適應(yīng)濾波； (7) 統(tǒng)計進(jìn)行步驟化）中濾波處理時內(nèi)部圖像存儲SRAM統(tǒng)計占用率，并根據(jù)內(nèi)部圖像 存儲SRAM統(tǒng)計占用率，自適應(yīng)設(shè)置星敏感器FPGA內(nèi)部圖像濾除像素數(shù)下限寄存器Ndown 和上限寄存器Nup的值，重復(fù)步驟化）?步驟（7)，直至所有圖像均處理完畢。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種星敏感器行像元噪聲自適應(yīng)濾除方法，其特征在于：所 述步驟（1)中利用波峰和波谷的灰度值確定初始濾波背景估值修改量BckGndAdj,具體為； BckGndAdj = GRAYmax+A 所述GRAYm"為星敏感器觀星圖像直方圖中概率最大的波峰對應(yīng)的灰度值，A為灰度值 修正量，A的取值范圍為；0?26。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種星敏感器行像元噪聲自適應(yīng)濾除方法，其特征在于：所 述步驟（5)和步驟（7)中根據(jù)內(nèi)部圖像存儲SRAM統(tǒng)計占用率，自適應(yīng)設(shè)置星敏感器FPGA 內(nèi)部圖像濾除像素數(shù)下限寄存器Ndown和上限寄存器Nup的值，具體根據(jù)表1中的對應(yīng)關(guān) 系查表完成； 表1
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4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種星敏感器行像元噪聲自適應(yīng)濾除方法，其特征在于：所 述步驟化）中利用內(nèi)存回退技術(shù)進(jìn)行噪聲像元自適應(yīng)濾波，具體步驟如下： (a)確定參與濾波的每個像元的灰度濾波權(quán)重系數(shù)，具體由公式；
給出，其中Pi[j]為在軌圖像第i行第j列像素的灰度濾波權(quán)重系數(shù)，Mi[j]為在軌圖 像第i行第j列的灰度值； 化）利用步驟（a)中的灰度濾波權(quán)重系數(shù)，確定參與濾波的每個像元的背景估值，具體 由公式：
給出，其中Mdi[j]為在軌圖像第i行第j列像素的背景估值，化為濾波器半向尺度；Fa 為奇數(shù)，且取值范圍為；1?21; (C)確定星點(diǎn)提取闊值，具體為： 若Mi [j] > TH，則將在軌圖像第i行第j列的像素作為星點(diǎn)進(jìn)行存儲，否則不存儲該像 素；所述TH為星點(diǎn)提取闊值；具體為： 若 Mdi [ j] +BckGndAdj《N，則 TH = Mdi [ j] +BckGndAdj，否則 TH = N。

【專利摘要】一種星敏感器行像元噪聲自適應(yīng)濾除方法，首先確定初始濾波背景估值修改量并寫入星敏感器中；在星敏感器FPGA內(nèi)部設(shè)計乒乓SRAM用于緩存圖像行；然后星敏感器對獲得的在軌圖像進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理；并根據(jù)內(nèi)部圖像存儲SRAM統(tǒng)計占用率，自適應(yīng)設(shè)置下限寄存器Ndown和上限寄存器Nup的值；最后利用內(nèi)存回退技術(shù)進(jìn)行噪聲像元自適應(yīng)濾波；直至所有圖像均處理完畢。本發(fā)明具有快速自適應(yīng)濾除多種類型噪聲的特點(diǎn)，可以濾除空間粒子、圖像傳感器性能衰退或高溫工況出現(xiàn)的熱噪聲和空間雜散光等噪聲。便于星敏感器整機(jī)輕小化和星圖快速識別的實(shí)現(xiàn)，而且該算法實(shí)現(xiàn)成本低、簡單易行、移植性強(qiáng)，可普遍用于各類成像式敏感器的噪聲濾除功能模塊。
【IPC分類】G01C21-02, G06T5-00
【公開號】CN104599246
【申請?zhí)枴緾N201410838145
【發(fā)明人】楊君, 楊孟飛, 鐘紅軍, 盧欣, 王龍, 劉婧
【申請人】北京控制工程研究所
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2014年12月29日