论文摘要
星敏感器是天文导航中一种重要的敏感器,是现有的绝对姿态测量敏感器中精度最高的敏感器,其精度能达到亚角秒量级,可为其他姿态测量方法提供高精度标定和校准源,在导航与姿态测量中应用广泛。星敏感器在地面应用时,测量精度受天气、动态环境的影响很大,特别是载体高速机动的绕轴旋转运动时,星敏感器的成像会出现严重的星点拖尾,形成星点运动模糊,使得星点提取难度增大,提取精度迅速降低甚至失败,导致星图识别和姿态解算无法正常完成。本文针对星敏感器在海面舰艇姿态测量与标校的应用背景,对星敏感器星点运动模糊机理与复原方法展开研究,论文的主要工作如下:1.简要简绍了星敏感器的基本工作原理与发展历程,对星敏感器星点运动模糊补偿的研究现状作了充分的调研,一切补偿星点运动模糊的努力最终都是要试图减弱或者消除探测器与目标恒星之间相对运动的影响。2.围绕星点运动模糊产生的机理与影响因素,从恒星光源的辐射特性开始,结合星点图像的能量分布特点,进而介绍卷积的概念及其在图像空间滤波的应用,最后将光源图像在运动情况下的分布用退化函数卷积的数学形式表达出来,阐述了运动退化函数对星点图像模糊的作用机制,得到造成星点图像模糊的两个成因即相对运动和噪声。对载体运动特性进行了分析,在本文应用背景下,星点模糊主要由旋转运动引起。分析并实验验证了地球自转运动对星敏感器成像的影响,指出星点的能量分布的梯度方向与地球自转运动方向在像平面上的投影移动方向一致;当星点提取精度有限、等效噪声转动角速率大于地球自转速率时,则在此时无需再对地球自转运动进行额外补偿,星点提取精度成为关键制约因素。提出利用地球自转运动评估亚像素星点提取算法精度的方法。研究了曝光时间的影响,并从器件角度考虑如何减小运动模糊的影响,给出了相机镜头选型的基本原则。3.建立了星点运动模糊的简化模型,通过该模型说明了模糊长度与外部参量曝光时间、运动转速及相机镜头参数—焦距f和像元尺寸d的比值成正比。模型的模拟仿真与实验初步验证了该简化模型。对该简化模型的外部参量影响及自身误差进行了分析,当简化模型在入射角或转动角速度较大时会带来很大误差,必须采用包含入射角正切值二次项的复杂模糊长度模型。4.介绍了反卷积图像复原的基本原理与几种传统复原方法,仿真对比了这些复原方法,说明了噪声是影响复原质量的关键因素。对噪声特性及其影响进行了分析计算与实验,证明了背景杂散光是星敏感器在地面应用时最大的噪声源。5.提出了一种基于相关模板匹配的逆滤波复原方法,仿真结果表明该方法与未去噪时相比星点提取精度可提高2~3倍,对其抗噪声能力作了进一步分析,结果显示直到加性高斯噪声将信号完全淹没,相关模板匹配才失效。