迭代加权质心法机理及多星定位误差特性研究

提高星敏感器星点定位精度是高精度星敏感器关键技术之一。常规质心法和高斯拟合法定位最小均方误差在0.1 pixel左右,难以满足未来高精度定位需求。在自适应光学领域,为研究Shack-Hartmann传感器波前定位而提出的迭代加权质心算法(IWCOG),其定位误差优于前两种算法,但目前该算法的定位机理及多星定位误差特性未知。从Meanshift理论角度推出该算法定位机制,证明算法的收敛性;每个仿真采用蒙特卡罗方法随机生成10000个星点样本,通过分析星点参数、信噪比与定位误差的关系研究IWCOG算法在星敏感器多星定位的特点。模拟结果显示,在信噪比R=40下,IWCOG法星点提取误差低于0.02 pixel的样本占44%,低于0.04 pixel的占72%,远高于质心法的0.8%和1.9%,基本满足甚高精度星敏感器的定位要求。     

星点图像超精度亚像元细分定位算法的研究

在CCD星敏感器中,星点图像质心定位的准确性影响星图识别的正确性,也决定了星敏感器测量的有效性。质心法是星点质心亚像元定位的传统方法,然而,它存在系统误差和随机误差。分析了误差产生的原因。在传统质心法的基础上提出了采用二元线性插值和自适应质心窗来改善信噪比,并对误差进行校正,实验证明了它比传统的质心法有更高的精度。     

高动态条件下星斑模拟与星点提取方法

提出了一种高动态条件下星斑模拟及星点目标提取方法.首先,基于黑体辐射建立星点静态像斑模型;其次,基于星体模糊模型和Bresenham直线生成算法生成动态星点像斑模板;再次,利用生成的模板和相关模板匹配法在星跟踪波门内实现星体目标粗定位并进行伪星点剔除;最后,利用质心法在粗定位区域提取星点质心.实验结果表明,该方法能够适...     

基于星点像重采样的星敏感器高精度质心算法

传统的质心算法面临着光学像差和随机噪声对质心位置提取精度影响很难减小的问题。为了解决这一问题,对星敏感器所成星点像进行分析,结合星敏感器光学系统的调制传递函数和图像传感器像素频率响应特性,提出了一种基于星点像重采样的星敏感器质心定位算法。根据夫琅禾费衍射理论计算出离焦光学系统的点扩展函数,并对重采样质心算法的系统误差分布进行仿真,结果显示,该算法在不同像差条件下的系统误差均方根都小于0.01 pixel。用星敏感器产品进行了质心提取系统误差测量实验,重采样质心算法的系统误差为0.008 pixel,相比传统正弦曲线补偿方法的精度提高了66%。仿真和实验结果表明:基于星点像重采样的质心算法精度高,受光学系统像差的影响小,是提高星敏感器测量精度的一种有效方法。     

基于SOPC和FPGA的星敏感器检测算法设计与实现

星点检测用于星图中星点质心坐标的提取,是星敏感器处理算法的重要组成部分。星点检测的准确度、精度以及处理速度对星敏感器整机性能具有重要影响。目前,成熟的星点检测方案是采用DSP+FPGA进行图像处理,通过高斯曲面拟合、平方质心法等方法提取质心坐标。提出了一种基于SOPC技术和FPGA图像处理实现星点检测的可行方案,详细介绍了关键算法设计及实现细节。在减小电路尺寸的同时,该方案极大提升了处理速度,实际应用中1 024×1024分辨率星图可达到14Hz帧率,这对于提高星敏感器实时性、丰富星点检测的实现方法具有重要意义。     

大气湍流环境下光斑中心定位算法研究

以提高通信链路的稳定性为目标,针对传统算法如形心法、质心法等在大气激光通信中定位稳定性较差的问题,提出了一种滑动加权质心定位算法.改进了自适应阈值分割方法,提高光斑定位的精度;对光斑进行去背景噪声处理和中心噪声补偿,最大程度保留光斑有效灰度范围;通过非线性权重质心定位算法进行粗定位,加入滑动补偿机制后实现光斑中心的精定...     

基于区域滤波的模糊星图复原方法

当星敏感器在动态条件下工作时,在成像的过程中星点会因能量的分散而出现运动模糊现象,导致图像的信噪比降低,星点的模糊区域很难被提取,从而降低了星点质心的定位精度,严重影响星敏感器的姿态测量精度。为此,文中提出了一种基于区域滤波的模糊星图复原方法,在有效提高图像信噪比的同时可提高星点质心的定位精度。首先,根据星敏感器的工作特性,建立了不同工作条件下星点质心的运动模型。然后,根据运动模型确定星点质心的运动轨迹,进而提取星点的模糊区域,再利用图像处理算法对模糊区域内外的图像分别进行预处理。最后,利用图像复原算法对模糊星图进行复原。实验结果表明:在2(°)/s的动态条件下,区域滤波算法能够有效提高模糊星图的信噪比,并且复原图像中星点质心的定位误差不超过0. 1 pixel,可以满足星敏感器对高质心定位精度的要求。     

星敏感器技术研究现状及发展趋势

本文综述了星敏感器技术的研究现状和未来发展趋势。首先,总结了国内外星载星敏感器的发展历程。接着,根据星敏感器工作原理,分析讨论了星点质心定位算法、星图识别算法和姿态解算算法等星敏感器关键技术的发展现状。通过讨论星点质心定位精度对星敏感器测量精度影响,分析了星点质心定位算法以及对应误差补偿的研究现状;基于星座特征、字符模式和智能行为,介绍了星图识别算法并进行了对比分析;根据确定姿态解算算法和动态姿态解算算法分析了姿态解算算法的研究现状。最后,对星敏感器的未来发展进行了展望,讨论了航空机载星敏感器、微小型星敏感器和甚高精度星敏感器的发展趋势以及未来重点研究内容。     

基于RSSI测距的传感器节点质心定位修正算法

针对传感器网络节点定位精度问题,研究基于RSSI测距的定位算法,提出多信标节点质心定位修正算法,通过该算法计算得到多组未知节点估计坐标,并在此基础上利用质心定位修正算法计算节点坐标修正值;利用仿真实验,证明基于RSSI测距的传感器节点质心定位算法定位精度比传统质心定位算法定位精度提高13.8%,比RSSI加权质心定位算法提高6.3%。     

像差对星敏感器星点定位精度的影响

光学系统星点定位精度是表征星敏感器性能的一个重要指标,像差对该精度有一定影响。分析光学系统像差对星点定位精度的影响,在计算典型中等精度星敏感器光学系统星点定位误差的基础上,提出用实际测得的星点光斑能量质心位置计算理想位置的误差补偿新方法。计算结果表明:像差对高精度(如角秒级)星敏感器姿态测量精度的影响不可忽略;采用星点定位误差补偿后,星敏感器三轴姿态测量误差RMS值分别为0.38″,0.38″,5.77″,仅为原来的1/17。     

基于层次分析法的CCD像元细分算法综合评价

基于CCD的激光测距传感器通过像元细分,可有效提高该类传感器的测量精度。诸多的像元细分算法,每种都有其优缺点及特定应用。然而针对特定的测距传感器,如何综合评价哪种算法更优,尚缺乏有效手段。因此,提出了基于层次分析法的像元细分算法优劣的综合评价方法,该方法基于像元细分算法在传感器测量范围的近段、中段和远段的实际定位精度、方差和极差等指标,利用层次分析法构建综合评价模型。利用该方法,实验分析了二分法、加权质心法、加权多项式插值法和按比例求中心法等像元细分算法对特定测距传感器的适用性。实验结果表明,该方法能够有效获取适用于特定测距传感器的最优像元细分算法。     

一种协同定位算法在智能照明系统中的应用

灯具是智能照明系统的控制对象,而控制灯具的前提是找到灯具的位置。针对灯具的定位问题,提出了一种基于加权质心和泰勒级数展开的协同定位算法。为使定位更加稳定与精确,该算法利用加权质心算法对未知节点进行初始定位,再将其作为泰勒级数展开算法的初值,精确估计未知节点的位置。仿真结果表明,与传统的加权质心算法相比,该协同定位算法收敛性好,定位精度高,最大定位误差小于1.8m,平均定位误差可以达到0.7m。这种定位算法应用于智能照明控制系统中,有利于精确的对灯节点进行控制。     

船用星敏感器星点质心精确提取方法

从星空图像中提取星点质心是星敏感器工作的重要基础,针对船用星敏感器所获取的星空图像噪声情况复杂的特点,提出一种基于重心法的星点质心精确提取方法。通过块扫描的阈值分割和星象连续性的噪点剔除,引入灰度信息参考的星象提取以及重心法质心坐标计算等步骤,从星空图像中提取星点质心。对于30幅海上实拍星图实验,该方法能够100%提取出至少10颗星点,质心坐标提取精度达到1/20像素,并且可以实现对视频图像的实时处理,满足船用星敏感器的应用需求。     

剪切波变换在星点提取中的应用

为了实现高精度和高准确性的星图识别和姿态确定,本文对星点提取算法进行了研究,将剪切波变换应用到星点提取技术中。首先,通过利用剪切波变换对星图进行分解,得到不同尺度、不同方向的系数;然后,对剪切系数进行阈值处理并重构得到去噪后的星图,再对重构星图进行顶帽变换和自适应阈值处理,完成星图滤波;最后,通过质心误差补偿法提取星点的坐标,有效地完成星点提取。实验结果表明,采用剪切波变换的星图滤波对噪声去除非常有效;质心误差补偿法的误差在0.003左右,明显优于传统的质心法,基本满足星敏感器的精度高和抗干扰能力强等要求。     

CMOS有源像素传感器辐射损伤对星敏感器星图识别影响机理与识别算法

为分析恶劣空间辐射环境导致星敏感器性能退化、姿态测量精度降低的原因,深入研究了⁶⁰Co-γ射线辐射环境下互补金属氧化物半导体有源像素传感器(complementary metal oxide semiconductor active pixel sensor,CMOS APS)电离总剂量效应对星敏感器星图识别的影响机理.通过搭建外场观星试验系统,实际观测天顶和猎户座天区,经过星图数据采集、星点提取与星图识别等试验流程,获得⁶⁰Co-γ射线辐照后CMOS APS噪声对星图背景灰度均值、识别星点数量的影响机理,并提出一种寻找被辐射噪声湮没星点的识别算法.通过理论推导分别建立了CMOS APS暗电流噪声、暗信号非均匀性噪声和光响应非均匀性噪声与星点质心定位误差的定量关系.研究结果表明⁶⁰Co-γ射线辐照后星敏感器星图背景灰度均值增大、星点识别数量减少, CMOS APS辐照后噪声增大导致星点质心定位误差增大,从而影响星敏感器的姿态定位精度,该研究结果为高精度星敏感器的设计和抗辐射加固提供一定的理论依据.     

一种自适应煤矿井下环境的加权质心节点定位算法

为提高煤矿井下无线传感器网络节点定位精度,提出了一种自适应煤矿井下工况环境的加权质心节点定位算法;在信标节点双链式部署结构的基础上,首先利用未知节点周围RSSI信号强度最大的信标节点之间的位置信息和信标节点的平均RSSI值自适应地估计环境参数,再应用无线信号强度衰减模型计算未知节点到信标节点的距离,最后采用加权质心定位算法的平均值确定最终的节点位置坐标;仿真实验结果表明,所提出方法的平均定位误差为0.94 m,有效降低了环境因素及RSSI的随机性对定位精度的影响,可用于煤矿井下无线传感器网络节点实时定位系统中。     

基于高斯拟合的光纤型SPR信号的峰值检测算法

光纤型表面等离子共振光谱具有半峰宽较宽,共振峰不尖锐等特征,传统的针对棱镜型SPR光谱的峰值检测算法无法准确定位此类光谱的共振峰值。为了准确计算光纤型SPR光谱的共振波长,提出了一种基于信赖域算法的高斯拟合方法,在拟合的光谱曲线上利用一维搜索的方式确定峰值位置。通过对标准甘油光谱数据的处理,证明高斯拟合法能够适应光纤型SPR光谱的特征,波长计算准确。通过搭建的SPR系统,实验测量了不同浓度下蔗糖溶液的SPR光谱数据,并分别采用加权质心法,追踪质心法和该研究提出的高斯拟合法进行共振波长的计算。结果表明高斯拟合法能够有效提升分辨率,且运算速度较快,有利于工程集成。     

光电器件的CRLB特性及定位技术的误差比较

含有噪声的光电成像器件定位过程中,Cramer-Rao Lower Bound(CRLB)被用来计算器件的定位精度,作为任何无偏估计的下限,CRLB可作为判据评估定位技术是否满足最小方差无偏(MVU)特性。本文给出了成像器件在泊松和高斯噪声下的CRLB特性,并据此研究质心法(COG)、迭代加权质心法(IWCOG)、最小二乘高斯拟合法(GLSF)的定位误差。理论分析和仿真验证均表明,IWCOG和GLSF定位误差与光电成像器件的CRLB相同,满足MVU特性,而COG定位误差最大;COG耗时最少,GLSF最耗时不能在轨应用而IWCOG用时仅比COG高几倍。充分证明迭代加权质心法具有低误差、实时和鲁棒特性,因而适用于星敏感器、Shack-Hartmann传感器波前定位等高精度定位场合。     

星空背景下的运动点目标轨迹提取

针对星空图像中运动点目标轨迹难于提取的问题,提出了有限帧最小二乘轨迹关联算法。采用相邻帧差分、自适应阈值分割、连通域处理和质心计算等步骤实现了疑似目标的定位。根据星点目标运动轨迹近似为直线、运动的连续性和相关性等特点,利用有限帧最小二乘线性拟合预测目标位置,以预测位置为中心开搜索窗,关联匹配真实目标,并通过置信度检验确认并提取目标运动轨迹。整套算法简单,易于实现,通过实拍星图实验,验证了该算法效果好,实时性强。     

双路视频同步采集与实时处理技术

利用CCD的外同步工作特性,结合图像采集通道软件切换、多线程、事件驱动和图像压缩显示等技术,实现了双路视频的同步采集和实时显示与处理。在目标提取算法中,先采用带阻滤波隔离干扰,再采用自动阈值分割区分星点目标与背景,通过聚类分析剔除虚假目标干扰后,采用质心算法计算星点目标的质心坐标。经实验验证,该技术在单PC104的硬件基础上,既能稳定提取双路视频的星点目标,又成功满足了系统对双路视频同步采集、实时处理与显示的要求。