二维高斯分布光斑中心快速提取算法研究

在深入分析二维高斯分布公式的基础上,通过将光斑中心整像素坐标和亚像素坐标进行分离,推导出一种无需求解广义逆矩阵的高斯曲面解析算法,该方法综合利用窗口内的所有像素灰度信息,通过解析表达式直接计算高斯分布光斑的亚像素中心位置;并且对传统高斯曲面拟合法求解过程进行了优化,提出一种更加高效的定参高斯拟合法。与传统高斯曲面拟合法相比,提出的两种方法具有基本相同的稳定性和定位精度,但运行效率分别提高了278倍和78倍以上。     

光点定位中的曲面拟合迭代算法

在光电检测系统中,需要对光点信号的位置实现亚像素定位。光纤从一端照明,由光纤另一端出射光点,由面阵CCD摄像机获取光点的灰度分布。基于最小二乘法,采用高斯曲面拟合算法拟合其分布,用高斯拟合函数的极值点作为光点的定位点。实验结果表明,采用多次迭代算法可以提高定位精度;拟合算法的稳定性(标准差)为0.7μm.高斯曲面拟合算法具有重复精度高、稳定性好的特点。     

基于各向异性高斯曲面拟合的星点质心提取算法

恒星识别以及卫星目标检测识别是空间监视系统的重要应用之一。由于星图图像点目标成像的特点以及大量背景恒星的干扰,星图中用于目标识别的特征难以提取,因此目标的位置是实现目标识别的关键特征。高斯曲面拟合方法是使用较为广泛的目标质心提取算法之一,通过理论分析和实验表明传统高斯曲面拟合方法对运动卫星的定位存在较大误差。为此,提出了各向异性的高斯曲面拟合模型,该模型通过使用两个不同的高斯模糊参数和旋转因子,可以捕捉目标不同方向的各异特征,适合卫星由于运动造成的随机方向模糊。仿真实验和真实数据实验表明,本文方法的总体定位精度可分别达到0.008和0.04,并能够准确提取星图目标的质心,相比传统方法有较大改善。     

基于阵列点源的光学遥感卫星像质评价方法

提出一种基于阵列点源的光学遥感卫星像质评价方法，以轻小型、自动化的反射点源阵列作为检测参照目标，最小二乘法二维高斯模型拟合阵列点源影像获得像点坐标，结合地面点源位置测量获得遥感器地面像元分辨率；以点源影像像点坐标为基准，对阵列点源遥感影像数据进行位置配准与高斯模型拟合获得成像系统点扩散函数与调制传递函数值。试验结果表明：像点坐标的共线误差小于0.002像素，地面像元分辨率的相对偏差优于6.5‰，阵列点源可以综合实现光学遥感卫星的像质评价与辐射定标。     

偏离中心入射的γ针孔成像系统点扩展函数

基于蒙特卡罗方法,对γ射线针孔成像系统进行了点扩展函数的模拟研究.采用高斯拟合法比较了入射点中心入射及分别偏离0.5像素、1像素、1.5像素和2像素五种条件下γ射线针孔成像系统的点扩展函数,得出相应系统的调制传递函数,并对空间分辨率进行比较.研究结果表明,当偏离量较小时,利用高斯拟合方法得到的γ针孔成像系统的点扩展函数误差较小,能够满足精度要求;当偏离量较大时拟合误差较大.另外,在针孔与探测器之间加一层理想挡板来减少散射,可以显著地减少拟合误差,提高其空间分辨率.     

基于高斯分布的星点图像亚像元定位算法研究

应用高斯点分布函数为数学模型,提出了一种新的获取高精度恒星质心位置的方法.由于入射到星像点邻域内像元中的光子能量呈近高斯分布,因此利用成像邻域内像元强度的比值,将高斯点分布函数展开成为关于质心位置的多项式,可将质心位置在x、y轴方向分别计算出来,并利用从星图中提取出的多星对角距误差的统计值来间接验证提出的算法.试验结果...     

数字散斑亚像素小角位移测量的曲面拟合法

与传统测量方法相比,数字散斑相关法由于其目标特征单元网格划分的灵活性,能够更好地满足不同场合小角位移的测量需求。针对该方法亚像素小角位移测量的曲面拟合参数选择问题,研究了亚像素测量图像小角旋转前后的九点二次曲面拟合法,并根据计算机生成模拟散斑进行模拟实验分析,得到最佳误差效率优化条件下的曲面拟合法求解亚像素小角位移的最佳散斑尺寸3.5 pixel、计算窗口尺寸41×41 pixel和拟合窗口尺寸3×3 pixel。实验验证了上述测量参数的有效性,为进一步的曲面拟合法数字散斑成像角位移测量提供参考。     

弱光波前传感器质心计算的新方法

 研究了Shack Hartmann波前传感器质心计算的新方法,即最小二乘高斯拟合方法。分析了Shack-Hartmann波前传感器采用一阶矩质心计算位置方法对光斑强度的敏感性,与最小二乘高斯拟合方法进行了比较,并对Shack Hartmann波前传感器的子孔径波前斜率探测的正确性进行了分析。最后的计算结果表明最小二乘高斯拟合法计算子孔径光斑的质心位置可以减小质心探测的误差。     

梯度-曲面拟合法的亚像素位移测量算法

数字图像相关方法作为光学测量的一种测量方式在结构变形测量中有广泛应用,其中亚像素位移测量精度成为关键。基于亚像素位移测量精度影响因素的分析,研究了计算子区灰度插值、计算窗口大小以及拟合距离对亚像素位移测量的影响。提出了一种梯度-曲面拟合法的亚像素位移测量算法,即,先采用梯度法计算出结构的亚像素位移,再对计算子区进行亚像素插值,然后调整拟合距离进行亚像素曲面拟合。最后利用计算机模拟算例验证了该方法具有良好的计算效率、计算精度及抗噪声能力。     

基于邻域贡献权值细化的圆心亚像素定位算法

针对传统的圆心算法过程复杂、定位精度受初始边缘提取效果影响较大等问题,提出了一种基于邻域贡献权值细化的圆心亚像素定位算法。首先引入邻域贡献权值系数,改进传统非极大值抑制法,细化边缘;然后在边缘点的梯度方向对灰度值进行高斯拟合,确定亚像素边缘位置;最后针对边缘突变点提出了基于随机抽样一致的最小二乘法来拟合圆心。实验结果表明,该算法具有较好的精度和稳定性,圆心的提取精度可以达到0.1个像素。     

一种面向空间非合作目标位姿测量应用的三维点云滤波算法

针对激光位姿敏感器获得的原始点云有噪声和直接参与解算消耗星上计算资源过大问题,给出一种适用于空间非合作目标位姿测量的点云滤波和特征提取算法。应用仿真的方法分别验证了算法滤除空间随机噪声和点云降采样的有效性,验证了特征点对目标位姿变化和高斯测量噪声的鲁棒性。在非合作目标绕飞、抵近、捕获全物理试验平台上,以扫描激光位姿敏感器获得的原始点云数据为输入,验证了算法在实际空间目标位姿测量中的性能。试验结果表明,该算法实现了原始点云93.1%的降采样,节省了92.9%的位姿解算时间,可有效提升星上数据处理的效率和姿态解算的实时性。     

Three-step nonuniformity correction for a highly dynamic intensified charge-coupled device star sensor

A three-step nonuniformity correction algorithm based on the photoelectrical response models of intensified charge-coupled device (ICCD) for a highly dynamic ICCD star sensor is proposed in the current paper. The influence factors of nonuniformity correction precision are analyzed based on the photoelectrical imaging theory. The photoelectrical response models of ICCD are obtained using the experimental method, and the nonuniformity correction is implemented in three steps based on the photoelectrical response models. The nonuniformity correction results in constant-radiance images and sky images of the highly dynamic star sensor show that the proposed algorithm has satisfactory correction precision, and the accuracy of the highly dynamic star sensor can be enhanced effectively when sky images are processed using the three-step nonuniformity correction algorithm.     

基于天顶观测的光学系统精确标定方法

针对光学系统在实际应用中与载体坐标系协调的问题,将光学系统基准面放置于站心地平坐标系水平面上并摄取星图,对星图处理获取星像坐标,应用天体自动辨识技术和恒星视位置计算技术得到对应天体的赤道坐标,以天顶点为原点建立天球切平面基准坐标系,把星体赤道坐标转化为所对应的基准坐标,利用天顶点切平面与站心地平坐标系的对应关系,将天体基准坐标转换为站心像平面坐标,建立星体站心像平面坐标与星图像平面坐标的标定方程,解算光学系统综合标定参数。实验结果表明:标定精度达到角秒量级,实现光学系统像平面坐标系到载体坐标系的高精度转换。     

Zernike多项式拟合曲面中拟合精度与采样点数目研究

为了研究采样点数目对由Zernike多项式所拟合的曲面的拟合精度的影响,采用不完全归纳法,取得了采样点与拟合精度之间的数据关系。结果表明:不同的测试函数遵循相同的规律,即采样点数目达到一定数目后,拟合精度随采样点的变化很小。并且,通过计算得到了在较高拟合精度时,采样点数目与Zernike多项式的项数之间的变化规律,实际例子证明了该变化规律的正确性,其对于Zernike多项式拟合曲面具有很好的指导意义。     

基于TFT-LCD的动态星模拟器星点位置修正方法

介绍了基于TFT-LCD的动态星模拟器的工作原理及星点位置误差的计算方法。利用经纬仪对动态星模拟器显示的网格星点进行测量,计算了各星点的位置误差及修正系数。对网格上星点的修正系数进行分区处理,并利用Matlab软件对各分区的修正系数进行曲线拟合,得到修正系数关于星点位置（方位或俯仰）坐标的方程。结果表明,修正后星点的位置误差均小于35″,满足动态星模拟器的设计要求。     

高灵敏度空间点目标探测系统设计

本文面向空间点目标探测,设计了基于高灵敏度CMOS传感器的空间点目标探测系统。首先对CMOS传感器图像进行降噪,提高传感器的探测灵敏度;其次,采用DSP+FPGA嵌入式架构,设计了基于星图匹配信息构建的点目标探测算法,并详细介绍了算法原理和步骤。最后,采用电子星图模拟器对该探测系统进行测试。结果表明:该嵌入式系统具备1 024×1 024@20p格式视频的实时处理能力,可以探测6等星。当信噪比大于6,视轴指向误差小于1°时,对于不同运动速度、不同尺寸点目标均能准确探测,识别正确率接近100%。综合而言,该空间点目标探测方法的计算精度高、适应性强、可靠性高,能够应用于空间点目标的有效探测。     

数值模拟快中子针孔成像系统的PSF

采用蒙特卡罗方法对中子针孔成像系统进行了点扩展函数（PSF）的模拟研究, 利用高斯拟合的数学方法分析比较了几种不同条件下该系统的PSF。 研究结果表明, 在偏离量较小时, 利用高斯拟合得到的中子针孔成像系统的PSF是可行的, 而采用挡板可以很显著地减少拟合误差和提高其空间分辨率。 The point spread function (PSF) of a pinhole imaging system for fast neutron has been studied through Monte Carlo method. The PSFs under different conditions have been obtained and analyzed by fitting the simulating data with Gauss function. As the results show, when the excursion is little, the PSF obtained by Gauss function fitting is feasible. A baffle will reduce the error and improve the spatial resolution remarkably.     

基于P向量与三角形内切圆的星图识别算法

为了减少导航星表的存储容量和提高星图识别的成功率,提出了一种将P向量与三角形内切圆相结合的快速全天自主星图识别算法.该算法在构造导航星表过程中,从天文星表中挑选出满足要求的导航星并对其编号,以构造的P向量值、导航三角形内切圆半径R及导航三角形的第三条边为特征量构造导航子星表;在识别过程中,找出一定误差门限内,满足P向量...     

Noise robustness and parallel computation of the inverse compositional Gauss–Newton algorithm in digital image correlation

The inverse compositional Gauss–Newton (IC-GN) algorithm is one of the most popular sub-pixel registration algorithms in digital image correlation (DIC). The IC-GN algorithm, compared with the traditional forward additive Newton–Raphson (FA-NR) algorithm, can achieve the same accuracy in less time. However, there are no clear results regarding the noise robustness of IC-GN algorithm and the computational efficiency is still in need of further improvements. In this paper, a theoretical model of the IC-GN algorithm was derived based on the sum of squared differences correlation criterion and linear interpolation. The model indicates that the IC-GN algorithm has better noise robustness than the FA-NR algorithm, and shows no noise-induced bias if the gray gradient operator is chosen properly. Both numerical simulations and experiments show good agreements with the theoretical predictions. Furthermore, a seed point-based parallel method is proposed to improve the calculation speed. Compared with the recently proposed path-independent method, our model is feasible and practical, and it can maximize the computing speed using an improved initial guess. Moreover, we compared the computational efficiency of our method with that of the reliability-guided method using a four-point bending experiment, and the results show that the computational efficiency is greatly improved. This proposed parallel IC-GN algorithm has good noise robustness and is expected to be a practical option for real-time DIC.     

基于三次样条插值的IRFPA非均匀性校正算法*

针对红外成像制导跟踪系统工程应用的实际要求,对红外焦平面阵列工作在大动态范围条件下的非均匀性校正算法进行了深入研究,依据函数插值原理,导出了三次样条插值非均匀性校正算法.用模拟的非均匀性图像和实际的红外图像对算法进行了校验.结果表明该算法具有动态范围大、校正准确度高的优点,可对红外焦平面阵列实现非均匀性和非线性双重校正效果.