星敏感器曝光时间的优化

星敏感器曝光时间是影响星敏感器星点定位精度的因素之一.建立星敏感器星点像移模型和CCD噪声影响模型,分析了星点质心定位精度与曝光时间的关系,并以CCD47-20为例,对星敏感器的曝光时间进行了优化.结果表明:对于6.5等星,当星点光斑像移速度为4.67 pixels/s时,采用5×5窗口的亚像元质心算法,亚像元质心算法精度随曝光时间的延长而降低,CCD噪声对星点质心定位精度的影响随曝光时间的增加而减小;星敏感器的最佳曝光时间为200 ms,此时的星点质心定位精度优于1/50 pixel.     

APS星跟踪器亚像素质心定位

APS像元结构和大小制约APS星跟踪器精度,采用散焦技术使星光成像在几个相邻像素(窗)上,以窗内灰度重心作为星点质心可以得到亚像素定位精度。APS具有多种噪声源,它们直接影响质心定位精度。根据星点模型和质心误差计算模型量化分析了窗大小、星点模型方差、噪声源对APS亚像素质心定位的影响。分析结果表明5×5窗为最优窗,星点模型方差最优值为0.62个像素,精度为0.0016个像素;固定模式噪声、暗电流对质心定位影响较大,读噪声较小,提高信噪比可以改善质心定位精度。     

小型CMOS太阳敏感器

提出并设计了一种基于FPGA的小型CMOS数字式太阳敏感器.对其光学系统设计参数进行了合理选择,采用了"质心法"求取太阳像光斑中心位置,并用最小二乘法对该太阳敏感器进行了标定.经过测试,应用该技术实现的太阳敏感器样机的视场范围可达到60°×60°,测角精度可达到0.05°,帧频10Hz,质量小于250g,总功耗为750mW.包括处理电路在内的整个结构尺寸为80mm×80mm×35mm.     

CMOS APS噪声对星斑质心定位精度的影响

CCD作为星敏感器探测器的技术已经比较成熟,但其瓶颈限制也日渐显露.本文以IBIS5-B-1300A探测器为例,具体分析CMOS APS各种噪声对星敏感器星像质心定位精度的影响,在理论上分析CMOS探测器所能达到的质心定位精度上限,并通过建模仿真验证理论分析结果,得出弥散斑束腰宽度为0.7,开窗大小为5×5时质心算法精度最高,固定模式噪声(FPN)对质心定位精度影响最大等结论,为星敏感器探测器的选型以及提高系统星点定位精度的潜力提供理论上的依据和支持.     

一种改进的星点质心算法

本文结合图像传感器的实际像元感光区形状和像元填充率,提出了一种改进的质心算法.该方法根据不同像元感光区形状和像元填充率下感光区中心坐标不同的特点,通过修改传统质心算法中像元坐标的取值来提高质心算法的定位精度.在分析星点的灰度分布特点的基础上,明确了如何仿真产生一个星点光斑,并通过仿真实验验证了改进质心算法的有效性.实验结果表明:在理想情况和噪声存在情况下,改进质心算法的定位精度优于双线性插值质心算法和传统质心算法.     

船用星敏感器星图模拟方法

针对船用星敏感器的仿真测试,提出一种高精度实时星图模拟方法。建立了星图模拟计算模型,并对非恒星要素的模拟方法进行分析。采用Visual C++编程实现相关算法。给出典型星图模拟实例,并与Starry Night软件产生的星图进行比对。结果表明,本文提出的方法能够对船用星敏感器各种运行场景下的星图进行模拟,模拟要素完整、正确,模拟精度与Starry Night接近至亚像素级别,每帧模拟星图生成时间约24.8ms。能够满足船用星敏感器高精度实时仿真测试要求。     

环境温度对星敏感器测量精度的影响

环境温度对星敏感器测量精度有一定影响.运用光机结合方法,研究环境温度对星敏感器测量精度的影响.在计算典型星敏感器光学系统热效应引起的结构参数变化的基础上,分析了星敏感器星点定位误差.计算结果表明:在视场角0°附近,环境温度变化对星点定位精度影响较小;通过材料匹配,减小系统温度焦移系数,可以减小环境温度变化引起的星点定位误差.热补偿设计后,在环境温度-20～60℃范围内,星敏感器最大测量误差仅为0.02″,约为原系统的1/7.     

利用系统辨识的星敏感器模型修正与测角精度检测

2.中国科学院大学,北京100049)摘要:为了提高星敏感器的测角精度,提出了一种采用系统辨识法对星敏感器模型进行修正以及测角精度检测的方法。首先分析了星敏感器的理论测量模型以及像面坐标与星点目标的空间位置关系,然后给出了用模型修正来提高星敏感器测角精度的原理和数学模型。修正模型由系统辨识方法得到,同时为了提高辨识精度,文中采用将星敏感器像面划分为多个区域,每个区域单独建模辨识的方式。最后利用某星敏感器进行了实验,利用该方法进行模型修正后,星敏感器的测角精度为σx=1.68″、σy=1.91″,而修正前的测角精度为σx=17.43″、σy=23.46″。结果表明,采用该方法可以使星敏感器测角精度得到大幅提高,同时也完成了测角精度的检测。     

基于面阵CCD的大视场在线检测系统研究

设计了一套非接触在线检测系统,该系统基于近景摄影测量原理,与传统测量方法相比,它可以对大视场内多目标同时进行检测.对CCD像机进行精密标定,利用光线束平差原理求解空间坐标,采用亚像素技术处理图像以及同名像点匹配等技术的运用,大大提高了检测精度.系统单幅拍摄线视场为141 mm,最终可以检测500mm× 500mm范围内的目标,空间坐标检测精度优于0.03mm.该系统可应用于工业现场检测等众多相关领域.     

一种无需乘法器的光斑质心定位方法

光斑质心定位在光学精密跟踪和精密测量中是一项关键技术,其精度和速度直接影响了光学测量的精度和响应速度.在实际应用中,往往把灰度重心法与图像预处理方法结合起来,以提高光斑质心计算的可靠性.运用图像预处理技术有效地抑制了噪声的影响,同时也会消耗大量的逻辑资源.针对在资源受限的条件下采用灰度重心法计算光斑质心的问题,本文提出了一种无需乘法器的光斑质心计算方法,用加法运算代替乘法运算,使用递推方法完成质心计算所需的低阶矩的运算.该方法的硬件仅为5个累加器,结构简单,能够以更低的资源消耗实现光斑质心定位.通过并行技术和流水线技术,其工作频率达到515 MHz.实验证明:本文的结构在FPGA内实现,在100 MHz的工作频率下,完成一帧质心计算的延时为0.35μs,误差与传统质心方法一致,占用214个Slices,其资源消耗仅为常规灰度重心法的50%.     

Shack-Hartmann wavefront sensing with elongated sodium laser beacons: centroiding versus matched filtering

We describe modeling and simulation results for the Thirty Meter Telescope on the degradation of sodium laser guide star Shack-Hartmann wavefront sensor measurement accuracy that will occur due to the spatial structure and temporal variations of the mesospheric sodium layer. By using a contiguous set of lidar measurements of the sodium profile, the performance of a standard centroid and of a more refined noise-optimal matched filter spot position estimation algorithm is analyzed and compared for a nominal mean signal level equal to 1000 photodetected electrons per subaperture per integration time, as a function of subaperture to laser launch telescope distance and CCD pixel readout noise. Both algorithms are compared in terms of their rms spot position estimation error due to noise, their associated wavefront error when implemented on the Thirty Meter Telescope facility adaptive optics system, their linear dynamic range, and their bias when detuned from the current sodium profile.     

抑制微光波前传感器随机噪声的方法研究

在自适应光学系统微光波前传感器中采用像增强器后，高帧频CCD输出的图像中会产生严重的随机噪声，影响光斑质心计算精度，从而使自适应光学系统波前探测精度降低。本文根据微光波前传感器中CCD输出图像的特点对中值滤波，均值滤波，自相关，延时相关等多种方法进行了仿真和实验比较，并提出了一系列评价方法。研究表明延时相关算法是最佳选择。     

CMOS成像系统亚像元定位精度研究

本文构建了基于CMOS图像传感器的高精度定位系统,并且研究光源、被测目标、测量系统与亚像元定位算法等因素对定位精度的影响.研究结果表明:光源与测量环境的稳定性是高精度测量的必要前提与关键因素;带阈值的质心算法对系统白噪声抑制能力基本相同,但对具有一定规律缓慢变化的干扰信号杭干扰能力不同,且带活动阈值的质心算法杭干扰能力...     

Calculating Centroids in Constrained Mixture Experiments

In constrained mixture experiments the centroid of a constraint region has traditionally been defined as the average of all extreme vertices of the region. This differs from the classical physics definition of a centroid as the center of mass (or volume) of a region. An algorithm for calculating a centroid based on the center of mass definition is discussed and illustrated with an example. This centroid calculation technique can be used to calculate centroids of various dimensional faces and edges of the constraint region as well as of the overall centroid. Results of the center-of-mass and averaged-extreme-vertices centroid computation techniques are compared using examples from the literature.     

基于高斯积分曲线拟合的亚像素边缘提取算法

针对传统边缘提取算法定位精度低、对噪声敏感等缺点,提出一种基于高斯积分曲线拟合的亚像素边缘提取算法。通过曲面插值求取像素级边缘法截线上各离散点的灰度值,再进行高斯积分曲线拟合,寻找高斯积分曲线的均值点坐标,实现亚像素边缘的精定位。用量块直线边缘进行实验,并与现有亚像素边缘提取算法比较,实验证明基于高斯积分曲线拟合的亚像素边缘提取算法定位精度较高,可以达到1 μm,且算法可靠性高、计算速度快,能够用于高精度测量。     

Simulation analysis of dynamic working performance for star trackers

The elongated imaging track pertaining to a star spot recorded in the image sensor of a star tracker will diffuse over several pixels at a high angular velocity, leading to an inaccurate, even false, attitude value. A computer simulation of the attitude determination from a dynamic star tracker is developed first, based on a dynamic mathematical model of the star-spot imaging and an efficiency validation of the star centroiding algorithm in the dynamic condition. Then major error sources affecting the attitude accuracy in the dynamic condition are analyzed and discussed systematically based on the simulation results. A mathematical model calculating the average star number detected in the field of view is also deduced, using simulation results and signal processing theory, with image trailing ranging from 0 to 20 pixels during exposure. The summarized regularity is helpful in the system design and accuracy evaluation of a star tracker.     

低信噪比下扩展目标质心的高精度计算方法

分析了扩展目标在Shack-Hartmann传感器中的成像特点。针对成像特点,提出了一种提取子光斑位置的质心计算方法。该方法应用多阈值分割和多结构元形态学去噪预处理后再进行质心计算。在信噪比低、扩展度大的情况下,能够有效地抑制噪声,减小噪声对质心计算精度的影响。在不同信噪比和扩展度下,相对于一般质心方法,该方法能够显著地提高探测精度。当信噪比为0.5,扩展度达13时,该方法的平均绝对误差不到1个像素。     

A sub-pixel edge detection algorithm based on Zernike moments

Abstract

A novel hybrid technique of combining an improved morphological gradient operator and Zernike moments, named MGZ edge detection algorithm, is developed to meet the stringent requirements for measuring accuracies of charge coupled device metrology system. The mathematical morphological gradient and Zernike moment algorithm are discussed based on the pixels grey-scale and spatial structure information of the images. To improve the algorithm process, the image edge is oriented and extracted by using improved morphological gradient operator firstly; then, the calculation errors of the typical ideal step edge model are analysed and corrected by the proposed error compensation formula. The edge point is relocated with sub-pixel accuracy by means of Zernike moment operator based on the edge point vectors and the threshold value. Finally, the sub-pixel edge detecting of the image is attained. The extensive experimental results show that the measuring error of the edge point is compensated reliably and accurately, and the new algorithm has short operation time, more precise and stronger robustness to noise than the prior similar algorithms. Meanwhile, the proposed method can well meet the need of charge coupled device metrology system for sub-pixel edge detection.