星敏感器星點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模糊機(jī)理與復(fù)原方法研究.pdf

1、星敏感器是天文導(dǎo)航中一種重要的敏感器，是現(xiàn)有的絕對(duì)姿態(tài)測(cè)量敏感器中精度最高的敏感器，其精度能達(dá)到亞角秒量級(jí)，可為其他姿態(tài)測(cè)量方法提供高精度標(biāo)定和校準(zhǔn)源，在導(dǎo)航與姿態(tài)測(cè)量中應(yīng)用廣泛。星敏感器在地面應(yīng)用時(shí)，測(cè)量精度受天氣、動(dòng)態(tài)環(huán)境的影響很大，特別是載體高速機(jī)動(dòng)的繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，星敏感器的成像會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的星點(diǎn)拖尾，形成星點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模糊，使得星點(diǎn)提取難度增大，提取精度迅速降低甚至失敗，導(dǎo)致星圖識(shí)別和姿態(tài)解算無(wú)法正常完成。本文針對(duì)星敏感器在海面艦艇姿

2、態(tài)測(cè)量與標(biāo)校的應(yīng)用背景，對(duì)星敏感器星點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模糊機(jī)理與復(fù)原方法展開(kāi)研究，論文的主要工作如下：
　　1.簡(jiǎn)要簡(jiǎn)紹了星敏感器的基本工作原理與發(fā)展歷程，對(duì)星敏感器星點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模糊補(bǔ)償?shù)难芯楷F(xiàn)狀作了充分的調(diào)研，一切補(bǔ)償星點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模糊的努力最終都是要試圖減弱或者消除探測(cè)器與目標(biāo)恒星之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。
　　2.圍繞星點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模糊產(chǎn)生的機(jī)理與影響因素，從恒星光源的輻射特性開(kāi)始，結(jié)合星點(diǎn)圖像的能量分布特點(diǎn)，進(jìn)而介紹卷積的概念及其在圖像空間濾波的應(yīng)用

3、，最后將光源圖像在運(yùn)動(dòng)情況下的分布用退化函數(shù)卷積的數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來(lái)，闡述了運(yùn)動(dòng)退化函數(shù)對(duì)星點(diǎn)圖像模糊的作用機(jī)制，得到造成星點(diǎn)圖像模糊的兩個(gè)成因即相對(duì)運(yùn)動(dòng)和噪聲。對(duì)載體運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析，在本文應(yīng)用背景下，星點(diǎn)模糊主要由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起。分析并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)星敏感器成像的影響，指出星點(diǎn)的能量分布的梯度方向與地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向在像平面上的投影移動(dòng)方向一致；當(dāng)星點(diǎn)提取精度有限、等效噪聲轉(zhuǎn)動(dòng)角速率大于地球自轉(zhuǎn)速率時(shí)，則在此時(shí)無(wú)需再對(duì)地球自轉(zhuǎn)

4、運(yùn)動(dòng)進(jìn)行額外補(bǔ)償，星點(diǎn)提取精度成為關(guān)鍵制約因素。提出利用地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)評(píng)估亞像素星點(diǎn)提取算法精度的方法。研究了曝光時(shí)間的影響，并從器件角度考慮如何減小運(yùn)動(dòng)模糊的影響，給出了相機(jī)鏡頭選型的基本原則。
　　3.建立了星點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模糊的簡(jiǎn)化模型，通過(guò)該模型說(shuō)明了模糊長(zhǎng)度與外部參量曝光時(shí)間、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速及相機(jī)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(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了該簡(jiǎn)化模型。對(duì)該簡(jiǎn)化模型的外部參量影響及自身誤差進(jìn)行了分析，當(dāng)簡(jiǎn)化模型

5、在入射角或轉(zhuǎn)動(dòng)角速度較大時(shí)會(huì)帶來(lái)很大誤差，必須采用包含入射角正切值二次項(xiàng)的復(fù)雜模糊長(zhǎng)度模型。
　　4.介紹了反卷積圖像復(fù)原的基本原理與幾種傳統(tǒng)復(fù)原方法，仿真對(duì)比了這些復(fù)原方法，說(shuō)明了噪聲是影響復(fù)原質(zhì)量的關(guān)鍵因素。對(duì)噪聲特性及其影響進(jìn)行了分析計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，證明了背景雜散光是星敏感器在地面應(yīng)用時(shí)最大的噪聲源。
　　5.提出了一種基于相關(guān)模板匹配的逆濾波復(fù)原方法，仿真結(jié)果表明該方法與未去噪時(shí)相比星點(diǎn)提取精度可提高2~3倍，對(duì)其抗噪聲