劉 明，鄧 軍，馮獻(xiàn)飛，錢峰松

(北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部 光電子技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

1 引 言

對(duì)空間目標(biāo)的有效探測一直以來都是天文學(xué)和航天科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。常見的空間目標(biāo)探測方法包括：雷達(dá)探測、可見光相機(jī)探測、紅外相機(jī)探測等。其中，采用可見光相機(jī)進(jìn)行探測具有探測精度高、技術(shù)成熟度較高和數(shù)據(jù)直觀便于使用的優(yōu)點(diǎn)，是天文學(xué)和航天科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行空間目標(biāo)探測的主要發(fā)展方向[1-2]。

目前，可見光相機(jī)探測系統(tǒng)通常選擇CCD或CMOS傳感器。CCD傳感器具有噪聲低、光譜響應(yīng)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)上常選擇科學(xué)級(jí)CCD作為大型天文觀測設(shè)備的圖像傳感器。近年來出現(xiàn)了高靈敏度的CMOS傳感器，能夠?qū)ξ⑷醯墓庑盘?hào)探測，并具有面陣信號(hào)采集、輸出圖像幀頻高的優(yōu)點(diǎn)，適合對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測。CMOS相機(jī)與CCD相機(jī)相比還具有體積小、功耗低、傳感器外圍電路簡單等優(yōu)勢[3]，更適合在對(duì)體積重量敏感的航天器上應(yīng)用。但高靈敏度CMOS傳感器的噪聲較大，影響了微弱信號(hào)的檢測精度。如何基于高靈敏度CMOS傳感器進(jìn)行暗弱空間目標(biāo)檢測是亟待解決的問題[4]。

針對(duì)該問題，采用CMOS傳感器設(shè)計(jì)了高靈敏度空間點(diǎn)目標(biāo)探測系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的CCD傳感器系探測統(tǒng)相比，該系統(tǒng)更適合對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測，且具有輕敏性、成本低等特點(diǎn)，是未來空間點(diǎn)目標(biāo)探測系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

探測系統(tǒng)由CMOS相機(jī)、算法運(yùn)算單元和上位機(jī)三部分構(gòu)成。CMOS相機(jī)主要由CMOS傳感器和FPGA相機(jī)組成，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)CMOS傳感器工作后輸出圖像；算法運(yùn)算單元主要由FPGA和DSP兩部分組成，共同完成點(diǎn)目標(biāo)的提取。系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 探測系統(tǒng)的組成 Fig.1 Architecture of detecting system

系統(tǒng)工作的工作步驟如下：

(1)上位機(jī)首先將成像指令發(fā)送給CMOS相機(jī)，同時(shí)將相機(jī)的姿態(tài)發(fā)送給算法運(yùn)算單元；

(2)相機(jī)接收指令開始成像，并將輸出視頻給算法運(yùn)算單元；

(3)算法運(yùn)算單元接收?qǐng)D像視頻后開始降噪處理、提取像點(diǎn)的質(zhì)心并進(jìn)行細(xì)分定位；

(4)算法運(yùn)算單元根據(jù)相機(jī)的姿態(tài)會(huì)自動(dòng)調(diào)出相應(yīng)姿態(tài)下該天區(qū)恒星的星表，將此星圖和相機(jī)視頻圖像進(jìn)行三角匹配，剔除恒星星點(diǎn)，提取疑似點(diǎn)目標(biāo)；

(5)算法運(yùn)算單元實(shí)時(shí)輸出測角信息到平臺(tái)和上位機(jī)，平臺(tái)根據(jù)測角信息實(shí)時(shí)調(diào)整位置，使探測目標(biāo)始終處于CMOS傳感器的視場內(nèi)，則證明該探測方法有效。

3 基于高靈敏度CMOS傳感器的空間點(diǎn)目標(biāo)探測方法

3.1 高靈敏度CMOS傳感器成像特性分析與降噪

圖2 LUPA-4000傳感器結(jié)構(gòu) Fig.2 Structure of LUPA-4000 CMOS sensor

進(jìn)行空間探測時(shí)，探測目標(biāo)越暗，對(duì)傳感器的靈敏度要求也就越高[5]。高靈敏度傳感器像元尺寸一般在12～15 μm，可以在較低的光強(qiáng)下產(chǎn)生響應(yīng)，但其抗噪性能較差。本文以CPRESS公司生產(chǎn)的一款分辨率為2 048×2 048的CMOS傳感器為例，對(duì)高靈敏度CMOS傳感器的成像特點(diǎn)進(jìn)行分析。此傳感器為全色大面陣CMOS傳感器，像元尺寸為12 μm，具有體積小、功耗低、抗輻照等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感器由像素陣列、片上驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)選擇器、位移寄存器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，采用SPI總線，對(duì)外為2個(gè)LVDS數(shù)據(jù)通道。當(dāng)像素陣列受到光束照射時(shí)，像素單元內(nèi)發(fā)生光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)；邏輯單元根據(jù)SPI總線的配置，進(jìn)行邏輯運(yùn)算并選擇相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器工作；模擬信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，通過LVDS對(duì)外接口輸出。

當(dāng)傳感器對(duì)空間成像時(shí)，背景是深空，相機(jī)的視場角很小，可以認(rèn)為所成圖像G(x,y,t)灰度值為目標(biāo)信號(hào)S(x,y,t)和噪聲信號(hào)N(x,y,t)的疊加，如式(1):

G(x,y,)=

(1)

空間目標(biāo)探測時(shí)，一般對(duì)目標(biāo)離焦成像形成彌散斑，彌散斑星點(diǎn)像的能量服從二維高斯分布，故星點(diǎn)像的灰度S(x,y,t)值也服從高斯分布。

CMOS傳感器的噪聲由隨機(jī)噪聲和固定模式噪聲組成[6]。隨機(jī)噪聲主要由散粒噪聲、熱噪聲組成。散粒噪聲主要包括輸入光子散粒噪聲、光生電流散粒噪聲與暗電流散粒噪聲；熱噪聲是金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)器件固有的噪聲，由熱電子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的不確定性引起的。固定模式噪聲(FPN)是由像素結(jié)構(gòu)中的光電二極管的尺寸、摻雜濃度、生產(chǎn)過程中的污染、以及 MOS 場效應(yīng)的參數(shù)，如VT、增益、溝道寬度、長度等的偏差造成的，對(duì)于單個(gè)像素，固定模式噪聲中噪點(diǎn)位置是固定的，噪點(diǎn)的灰度值與探測器的溫度和曝光時(shí)間相關(guān)[7]。

建立圖像傳感器成像模型，如公式(2)：

(2)

式中，(x,y)為探測器感光的像元位置，I0為成像時(shí)積分時(shí)間內(nèi)投射到CMOS感光面上的光信號(hào)總能量，(xc,yc)為像點(diǎn)的真實(shí)質(zhì)心，σ為像點(diǎn)的斯半徑，Nr(x,y,t)為傳感器的隨機(jī)噪聲，Nf(x,y,t)為傳感器的固定模式噪聲。

傳感器在成像時(shí)固定模式噪聲對(duì)圖像質(zhì)量的影響遠(yuǎn)大于隨機(jī)噪聲[8]。固定模式噪聲只與傳感器溫度和積分時(shí)間有關(guān)。在軌CMOS相機(jī)和在軌天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)一般都有精確地溫控分系統(tǒng)，保持相機(jī)的工作溫度處于設(shè)計(jì)的最佳工作溫度。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，CMOS相機(jī)焦面部分的溫度一般控制在8℃左右。通過存儲(chǔ)8 ℃時(shí)不同積分時(shí)間下的模式噪聲，成像時(shí)減去固定模式噪聲即可以得到降噪圖像G′(x,y,t)，降噪后的圖像見公式(3)：

(3)

將探測器置于暗盒內(nèi)，放置入8 ℃的溫箱進(jìn)行試驗(yàn)，待其溫度平衡后，采集積分時(shí)間為5 ms、15 ms、25 ms、35 ms、45 ms、55 ms和65 ms時(shí)傳感器的固定模式噪聲，記為N1～ N7。探測器原始圖像為A(t)，經(jīng)過降噪算法后A′(t)圖像見公式(4)：

(4)

采用上述方法，可以明顯降低圖像的噪聲，為質(zhì)心細(xì)分定位和點(diǎn)目標(biāo)的星圖匹配做了準(zhǔn)備。

3.2 星點(diǎn)質(zhì)心的亞像元細(xì)分定位

常用的質(zhì)心提取算法主要分為基于邊緣和基于灰度兩大類[9]?；谶吘壍姆椒ɡ媚繕?biāo)的邊緣形狀信息，對(duì)灰度的分布不敏感，適合較大的目標(biāo)；基于灰度的質(zhì)心提取方法利用目標(biāo)的灰度分布特征，對(duì)灰度的分布敏感，適用于較小的目標(biāo)?？臻g點(diǎn)目標(biāo)探測時(shí)，探測器所成彌散斑一般為十幾至二十幾個(gè)像元，灰度分布明顯，且基于灰度的質(zhì)心提取算法的計(jì)算過程簡便，容易實(shí)現(xiàn)[10]，其計(jì)算如公式(5)：

(5)

式中，(xi,yi)是組成星點(diǎn)彌散斑像元的坐標(biāo)，gi是該像元對(duì)應(yīng)的灰度值，(x,y)是根據(jù)質(zhì)心提取算法計(jì)算的亞像元坐標(biāo)。提取星點(diǎn)的質(zhì)心坐標(biāo)后，可以計(jì)算出星點(diǎn)之間的星角距，從而進(jìn)行星圖匹配。

3.3 基于星圖匹配空間點(diǎn)目標(biāo)探測

將恒星星表信息作為先驗(yàn)知識(shí)預(yù)先存儲(chǔ)起來，利用恒星星表和相機(jī)的降噪圖像，基于星圖匹配方法實(shí)現(xiàn)對(duì)空間點(diǎn)目標(biāo)的探測[11]，其流程見圖3。

圖3 星圖匹配算法流程 Fig.3 Flow of stellar map matching algorithm

當(dāng)相機(jī)對(duì)某天區(qū)進(jìn)行成像時(shí)，利用外部輸入的相機(jī)姿態(tài)作為參考值從星表中索引相應(yīng)天區(qū)一定視場范圍內(nèi)的恒星，根據(jù)質(zhì)心的細(xì)分定位計(jì)算各質(zhì)心初坐標(biāo)并分別計(jì)算索引出的恒星之間的星角距和圖像提取出的星點(diǎn)間的星角距，進(jìn)行三角形匹配[12-13]。如果匹配成功，利用匹配三角形計(jì)算相機(jī)的姿態(tài)矩陣，得到相機(jī)的真實(shí)姿態(tài)，并利用該姿態(tài)信息再次索引星表，進(jìn)而將視場所在天區(qū)的恒星按照相機(jī)姿態(tài)重投影到像面，得到理論成像位置，比較理論位置和圖像中星點(diǎn)位置，剔除掉恒星，其它的星點(diǎn)即為疑似目標(biāo)星點(diǎn)。如果匹配不成功，則利用外部輸入的相機(jī)姿態(tài)直接將視場所在天區(qū)的恒星按照相機(jī)姿態(tài)重投影到像面，得到理論成像位置，同樣比較理論位置和圖像中星點(diǎn)位置，剔除掉恒星，其它的星點(diǎn)即為疑似目標(biāo)星點(diǎn)[14-16]。

3.4 測角信息的計(jì)算

在得到目標(biāo)像在圖像中的位置信息后，可以進(jìn)一步計(jì)算出目標(biāo)在測量坐標(biāo)系下的相對(duì)位置，一般通過角度進(jìn)行表示，稱為測角信息。如圖4所示，Z軸為相機(jī)的視軸，相機(jī)焦距為f，XOY為圖像坐標(biāo)系，XOZ為測量坐標(biāo)系，目標(biāo)像點(diǎn)T在圖像坐標(biāo)系下的位置為(x,y)。定義方位角α、俯仰角β如下：

(1)方位角α：定義為目標(biāo)與測量坐標(biāo)系原點(diǎn)連線矢量在測量坐標(biāo)系XOZ平面的投影與OZ軸的夾角，偏向+X軸為正；

(2)俯仰角β：定義為目標(biāo)與測量坐標(biāo)系原點(diǎn)連線矢量與其在測量坐標(biāo)系XOZ平面的投影的夾角，偏向+Y軸為正。

可以推知，

(6)

已知方位角α和俯仰角β后，實(shí)際探測系統(tǒng)可以通過姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)(例如衛(wèi)星平臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)等)執(zhí)行閉環(huán)控制。如圖4，當(dāng)系統(tǒng)先沿Y軸旋轉(zhuǎn)α角，再沿X軸旋轉(zhuǎn)β角后，目標(biāo)T的像將位于圖像中心。

圖4 測角信息的定義 Fig.4 Definition of angular information

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)探測星等靈敏度測試

為了測試系統(tǒng)的星等探測和星點(diǎn)提取能力，在中科院興隆國家天文臺(tái)進(jìn)行了照星試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，CMOS相機(jī)通過連接工裝固定在望遠(yuǎn)鏡旁，在標(biāo)定光軸后利用望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺(tái)和星圖引導(dǎo)系統(tǒng)指向不同天區(qū)，調(diào)整曝光時(shí)間進(jìn)行成像和測試。

圖5為相機(jī)在積分時(shí)間123.88 ms時(shí)對(duì)所指向天區(qū)拍攝的圖片，表1為試驗(yàn)中拍攝的恒星的視星等和光譜型。根據(jù)測光輔助望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像數(shù)據(jù)處理結(jié)果得到消光系數(shù)，并根據(jù)目標(biāo)的R星等和觀測時(shí)的恒星高度角，計(jì)算得到消光后的R星等。試驗(yàn)中經(jīng)過大氣消光矯正后，探測相機(jī)具備探測不同光譜類型的6星等恒星的能力。

圖5 CMOS相機(jī)拍攝的星圖 Fig.5 Stellar map taken by CMOS cameras

HIP編號(hào)HD編號(hào)V星等高度角/(°)光譜型是否提取HIP894821679655.5679B7IV是HIP896041683226.1285G8.5IIIbFe-1CH0.5是HIP899621687233.2346K0III-IV是HIP912621721670.0387.5A0Va是HIP928621758654.0879.5M5III是HIP93408177196577A7V是HIP937471777242.9961.5A0Vn是HIP944811801634.4375B2.5IV是HIP955011826403.3649F3IV是HIP959471839123.0570K3II+B9.5V是HIP958531840063.7671A5Vn是HIP958531840063.7577A5Vn是HIP964411853954.4577F4V是HIP996551926964.2570A3IV-Vn是HIP999511929445.371.5G8III是HIP1004531940932.2367F8Ib是HIP1004531940932.286F8Ib是

4.2 基于電子星圖模擬器動(dòng)態(tài)點(diǎn)目標(biāo)提取仿真驗(yàn)證

電子星圖模擬器可利用計(jì)算機(jī)仿真生成包含恒星像點(diǎn)、動(dòng)態(tài)點(diǎn)目標(biāo)像點(diǎn)的視頻，模擬CMOS相機(jī)工作時(shí)指定視軸拍攝得到的圖像。設(shè)定相機(jī)內(nèi)參數(shù)(圖像分辨率、視場角等)和相機(jī)視軸指向后，星圖模擬器即可索引星表并利用投影變換關(guān)系生成對(duì)應(yīng)天區(qū)的理論星圖，并在模擬星圖中加入高斯噪聲、椒鹽噪聲，設(shè)定目標(biāo)的大小和星等調(diào)整目標(biāo)與背景之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，模擬空間運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)目標(biāo)?；陔娮有菆D模擬器進(jìn)行仿真驗(yàn)證的最小系統(tǒng)如圖6所示，由電子星圖模擬器、上位機(jī)和算法單元構(gòu)成。電子星圖模擬器接收上位機(jī)的姿態(tài)信息和遙控指令，輸出固定姿態(tài)的星圖視頻給算法處理單元；算法處理單接收模擬星圖后即可進(jìn)行目標(biāo)提取。

圖6 基于電子星圖模擬器仿真驗(yàn)證最小系統(tǒng) Fig.6 Minimum simulation system based on electronic stellar map simulator

設(shè)置星圖模擬器輸出仿真圖像的視場角為8×8°，圖像分辨率為1 024×1 024，幀頻20 fps，目標(biāo)與背景相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為>0.002°/s，背景中添加高斯噪聲和椒鹽噪聲，同時(shí)設(shè)置信噪比大于6。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，采用蒙特卡羅方法隨機(jī)生成了100個(gè)初始視軸指向進(jìn)行試驗(yàn)。其中一次試驗(yàn)的結(jié)果如圖7所示。紅框恰好框住了兩顆像點(diǎn)，經(jīng)數(shù)據(jù)比對(duì)，該兩像點(diǎn)即為預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)像點(diǎn)，試驗(yàn)成功。仿真測試表明，當(dāng)信噪比大于6，視軸指向誤差小于1°時(shí)，探測的正確率和目標(biāo)脫靶量誤差基本保持不變，探測的正確率為100%。

圖7 星圖模擬器輸出界面 Fig.7 Output interface of electronic star image simulator

5 結(jié) 論

本文根據(jù)高靈敏度CMOS傳感器特性，設(shè)計(jì)了空間點(diǎn)目標(biāo)探測系統(tǒng)。分析了高靈敏度CMOS傳感器的成像特點(diǎn)并給出了傳感器的降噪方法，并根據(jù)DPS+FPGA的嵌入式平臺(tái)處理結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了星圖匹配算法。與傳統(tǒng)CCD傳感器探測系統(tǒng)相比，CMOS傳感器更適合對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測，且極大的縮小了相機(jī)的體積和功耗。經(jīng)過照星試驗(yàn)表明，經(jīng)過大氣消光矯正后該系統(tǒng)可以探測到6等星，達(dá)到預(yù)期靈敏效果。采用電子星圖模擬器輸出動(dòng)態(tài)模擬星圖并對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的提取進(jìn)行驗(yàn)證，測試結(jié)果表明：當(dāng)信噪比大于6，視軸指向誤差小于1°時(shí)，點(diǎn)目標(biāo)的探測正確率和目標(biāo)脫靶量誤差基本保持不變，探測的正確率為100%，可以采取此方法進(jìn)行空間點(diǎn)目標(biāo)探測。

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