基于emccd和cmos的高動態星敏感器的實現方法
【專利摘要】基于EMCCD和CMOS的高動態星敏感器的實現方法，涉及一種星敏感器技術，解決現有技術采用ICCD高速獲取星圖，存在體積大、壽命短、功耗高等問題或者采用EMCCD來獲取星圖不能同時滿足高分辨率和高幀頻的問題，同時現有采用TDI的方式無法實現二維方式累加積分等問題，采用高分辨率高靈敏的CMOS探測器在大視場內獲取多顆低星等的星圖，降低星敏感器自帶星庫的星數量；針對高動態下運動速度過大導致星圖像移模糊，利用CMOS四角的四片EMCCD倍增模式高速拍攝高星等圖像提高獲取運動矢量的幾率，采用軟件方式根據獲取的運動矢量實現CMOS二維方向的TDI工作方式。本發明避免了單片獲取像移的幾率過低的問題。
【專利說明】基于EMCCD和CMOS的高動態星敏感器的實現方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種星敏感器技術，具體涉及一種基于EMCCD和CMOS的高精度高動態 星敏感器的實現方法。
【背景技術】
[0002] 星敏感器是一種高精度姿態敏感測量儀器，具有精度高、抗干擾性強、可不依賴其 它系統進行獨立導航等優點。現今國內航天器多采用進口的國外低精度的星敏感器，隨著 航天應用的深入，對其精度和動態性能提出了越來越高的要求，由于高等級產品國外禁運， 只能依靠自身力量研制。本發明提供一種基于高分辨率CMOS和低分辨率基于電子倍增電 荷耦合器件（EMCXD，Electronic Multiplying (XD)的組合高動態星敏感器成像系統。星 敏感器基本工作原理為恒星所發出的星光經光學系統成像在探測器靶面上，由成像系統拍 攝視軸指向星空的圖像，通過信號處理電路對數字化后的星圖進行處理，主要包括恒星目 標檢測（星提取）、星識別、姿態計算等過程，最后確定星敏感器光軸在慣性空間中的指向， 再利用己知的星敏感器與載體的安裝角和此指向就可以完成載體三軸瞬時姿態的測量。
[0003] 隨著科學技術的發展，航天器的機動性越來越高，對星敏感器的性能要求也就越 來越高，而目前的星敏感器存在動態性能較低、姿態更新率不高的缺點，因此，無法滿足未 來航天姿態測量的需要。北京航天航空大學提出采用ICCD來高速獲取星圖，存在體積大、 壽命短、功耗高等問題；北京控制工程研究所采用EMCCD來獲取星圖，受器件性能限制，不 能同時滿足高分辨率和高幀頻；傳統的TDI工作方式只能實現一個方向的累加積分，不能 實現二維方式的累加積分等問題。
【發明內容】
[0004] 本發明為解決現有技術采用ICCD高速獲取星圖，存在體積大、壽命短、功耗高等 問題或者采用EMCCD來獲取星圖不能同時滿足高分辨率和高幀頻的問題，同時現有采用 TDI的方式無法實現二維方式累加積分等問題，提供一種基于EMCCD和CMOS的高動態星敏 感器的實現方法。
[0005] 基于EMCCD和CMOS的高動態星敏感器的實現方法，該方法由以下步驟實現：
[0006] 步驟一、光學系統接收星圖信息后同時在CMOS傳感器以及在所述CMOS傳感器四 角的四片EMCCD傳感器上成像，所述四片EMCCD傳感器以倍增方式高幀頻獲取高星等小視 場的星圖信息，并將星圖信息傳送至圖像處理器；所述圖像處理器獲得當前四片EMCCD輸 出的星圖信息從而計算出每幀在二維方向的像移量；
[0007] 步驟二、所述CMOS傳感器將采集的星圖信息傳送至圖像處理器，所述圖像處理器 根據步驟一中四片EMC⑶輸出的星圖信息計算出每幀在二維方向像移量，通過累加在CMOS 每幀攝像時間內EMCCD輸出的各幀像移量，從而獲得CMOS傳感器每幀間二維方向的像移 量；
[0008] 步驟三、采用外部存儲器對CMOS傳感器輸出圖像進行二維方向的TDI方式疊加， 將TDI疊加后圖像進行星圖識別；獲得高精度的大視場低星等星圖圖像。
[0009] 本發明的有益效果：本發明主要利用EMCCD倍增模式高速拍攝高星等的星圖，通 過探測高星等圖像在小視場內獲得更多的探測星數量，采用相關算法計算出每幀間的二維 方向的相對像移量；然后綜合CMOS四角的四片EMCCD獲取的像移量來獲得二維方向的像移 矢量，避免單片EMCCD在某時間段未拍攝到恒星從而無法計算出像移矢量的情況，提高獲 取像移矢量的幾率。若僅有一片EMCCD探測到恒星，輸出了非0的像移量，則以該片輸出的 像移量為準；若超過一片EMCCD探測到恒星，輸出了非0的像移量，則以所有輸出非0像移 量的平均值作為最終的像移量。最后把通過四片獲取的像移矢量轉換為中心CMOS的二維 方向的像移量，并在中心CMOS曝光輸出一幀圖像時計算出在該幀曝光時間內總的像移量， 也就是EMCCD輸出的最終像移量在該幀時間內的疊加；CMOS進行二維方向的TDI工作方 式，主要是采用軟件方式基于外部存儲器實現的。
[0010] 本發明基于四角的四片小EMC⑶在倍增模式下獲取高星等小視場星圖計算出像 移，對中心的大CMOS傳感器進行像移補償后計算低星等大視場星圖的基于EMC⑶和CMOS 的高動態星敏感器的實現方法，將傳統星敏感器和電子倍增技術結合起來，本發明可獲得 CMOS較長的積分時間提高信噪比，避免了像移導致的星圖模糊，而且避免了過高頻攝像引 起的噪聲增加；采用高星等的EMCCD拍攝星圖獲取像移，降低了大面陣計算像移對處理器 的要求；采用四角的四片EMCCD獲取圖像，可獲得二維相反方向的像移，避免了單片獲取像 移的幾率過低的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發明所述的基于EMC⑶和CMOS的高動態星敏感器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0012] 結合圖1說明本實施方式，基于EMC⑶和CMOS的高動態星敏感器的實現方法，該 方法由以下步驟實現：
[0013] 一、天空中的星圖經光學系統后成像大CMOS傳感器及其四角的四片小EMC⑶傳感 器上；四片小EMCXD傳感器以倍增方式高幀頻如1000幀/秒獲取高星等的星圖，并把星圖 數據送入圖像處理器；圖像處理器綜合處理四片EMC⑶送入的星圖，計算出當前二維方向 的像移速度；
[0014] 二、CMOS傳感器以較高的幀頻如100幀/秒攝像，并把采集的星圖送入圖像處理 器；圖像處理器根據四片EMC⑶星圖計算出四片EMCXD每幀的像移量，通過累加在CMOS每 幀攝像時間內EMCCD輸出的各幀像移量（假定在CMOS每幀攝像時間內EMCCD成像q次， 行和列方向的像移量分別為Xi和yi，〇 < y < q-Ι)，得到大CMOS每幀間二維方向的像移量 (行和列方向的像移量分別為
【權利要求】
1. 基于EMCCD和CMOS的高動態星敏感器的實現方法，其特征是，該方法由以下步驟實 現： 步驟一、光學系統接收星圖信息后同時在CMOS傳感器以及在所述CMOS傳感器四角的 四片EMCCD傳感器上成像，所述四片EMCCD傳感器以倍增方式高幀頻獲取高星等小視場的 星圖信息，并將星圖信息傳送至圖像處理器；所述圖像處理器獲得當前四片EMCCD輸出的 星圖信息從而計算出每幀在二維方向的像移量； 步驟二、所述CMOS傳感器將采集的星圖信息傳送至圖像處理器，所述圖像處理器根據 步驟一中四片EMC⑶輸出的星圖信息計算出每幀在二維方向像移量，通過累加在CMOS每幀 攝像時間內EMCCD輸出的各幀像移量，從而獲得CMOS傳感器每幀間二維方向的像移量； 步驟三、采用外部存儲器對CMOS傳感器輸出圖像進行二維方向的TDI方式疊加，將TDI 疊加后圖像進行星圖識別；獲得高精度的大視場低星等星圖圖像。
2. 根據權利要求1所述的基于EMCCD和CMOS的高動態星敏感器的實現方法，其特征在 于，步驟三中TDI方式疊加的具體過程為：按照幀間像移量映射不同行地址和列地址的像 素信號相加，設定對應與行或列方向巾貞間的像移量為xy m和y μ m，CM0S傳感器在二維方向 的像元尺寸均為ay m，則前一幀地址（m，η)的像元與后一幀地址
的像元疊 加。
【文檔編號】G01C25/00GK104154932SQ201410367119
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】余達, 周懷得, 李廣澤, 劉金國, 徐東, 王國良, 張博研 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
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