本發(fā)明屬于天文導(dǎo)航領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于天文導(dǎo)航系統(tǒng)的白天大視場測星傳感器，以及其使用方法。

背景技術(shù)：

天文導(dǎo)航是一種通過測量天體進行載體定位定向的導(dǎo)航技術(shù)，其擁有測量精度高、不受干擾、無時漂、可靠性高等諸多優(yōu)點成為綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備。天文導(dǎo)航設(shè)備可分為大視場多星矢量測星導(dǎo)航系統(tǒng)和小視場單星測量導(dǎo)航系統(tǒng)。

由于傳統(tǒng)以CCD為傳感器的大視場測星導(dǎo)航系統(tǒng)極易受到白天強烈的背景光阻塞而飽和，難以實現(xiàn)全天時工作，不利于運行在大氣層內(nèi)的載體使用，所以傳統(tǒng)的白天星體測量裝置主要以小視場星體跟蹤器為主，但是其需要多次單星跟蹤測量，系統(tǒng)復(fù)雜，且不可避免跟蹤軸系誤差帶來的影響。

因此，發(fā)明一種能夠在大氣層內(nèi)載體上使用的且具備全天時大視場多星測量的測星傳感器具有重要意義，其最大的優(yōu)點是可以與慣性測量組件高度集成，減小測星水平基準(zhǔn)傳遞誤差，實現(xiàn)高精度的天文導(dǎo)航解算，從傳感器級別實現(xiàn)天文/慣性信息的深度融合，保證長航時狀態(tài)下的高精度導(dǎo)航。

天文導(dǎo)航白天測星首先面臨背景光強烈容易造成探測器飽和的問題，可采用近紅外測星技術(shù)解決（這在我們之前的專利“近紅外星體測量裝置”中已充分論述）。但對于大視場測星應(yīng)用來說，白天除了強烈的背景光影響外，更為嚴(yán)重的是受到大氣湍流效應(yīng)的影響。

湍流是大氣的一種無規(guī)則隨機運動，由各種尺度的漩渦連續(xù)分布疊加而成，可造成各類型的電磁波在振幅、相位上產(chǎn)生隨機漲落。

白天的背景光受到大氣湍流效應(yīng)的影響，在測星時的圖像上則表現(xiàn)為隨時間和空間的灰度漲落，這種圖像灰度的隨機漲落幅度在嚴(yán)重時遠(yuǎn)大于被測星體目標(biāo)的灰度，使得天文導(dǎo)航系統(tǒng)在白天測星時信噪比惡化嚴(yán)重。

因此如何降低低空大氣湍流效應(yīng)的影響，提高近空間內(nèi)白天測星圖像信噪比，是影響大視場白天測星的一項關(guān)鍵措施。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一在于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計一種降低白天大氣湍流效應(yīng)對大視場測星的影響，提高白天測星圖像信噪比的大視場測星傳感器。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種抑制白天大氣湍流效應(yīng)的大視場測星傳感器，包括分光譜雙光路光學(xué)系統(tǒng)、圖像探測及預(yù)處理組件和差分圖像處理標(biāo)定方法與算法單元；

所述的分光譜雙光路光學(xué)系統(tǒng)包括遮光罩、光學(xué)鏡頭、分光棱鏡以及結(jié)構(gòu)框架，所述的遮光罩采用圓錐形消光筒和網(wǎng)格式消光柵兩級消光結(jié)構(gòu)，所述的光學(xué)鏡頭采用焦距300mm、工作波段0.9-1.7um的透射式光學(xué)鏡頭，所述的結(jié)構(gòu)框架用于提供遮光罩、光學(xué)鏡頭、分光棱鏡以及圖像探測及預(yù)處理組件的安裝接口和固定功能；

所述的圖像探測及預(yù)處理組件包括近紅外探測器和信號采集與處理電路，所述的近紅外探測器采用InGaAs材料，像素為320×256，響應(yīng)波段為0.9um-1.7um，所述的信號采集與處理電路包括前置處理板、控制處理電路以及圖像處理電路；

所述的差分圖像處理標(biāo)定方法與算法單元用來實時對實際測星圖像和復(fù)雜天空背景圖像進行差分處理，以此減弱白天大氣湍流效應(yīng)對大視場測星的影響，提高白天測星圖像信噪比，包括雙探測器協(xié)同處理模塊、雙光路圖像像素對齊標(biāo)定模塊、差分圖像灰度匹配模塊和圖像差分算法模塊。

所述的一種抑制白天大氣湍流效應(yīng)的大視場測星傳感器，其分光棱鏡選擇在透射率大于90%，透射光譜波段為1.55um-1.65um獲得實際測星圖。

所述的一種抑制白天大氣湍流效應(yīng)的大視場測星傳感器，其分光棱鏡選擇在反射率大于90%，反射光譜波段為1.35-1.45um獲得復(fù)雜天空背景圖。

所述的一種抑制白天大氣湍流效應(yīng)的大視場測星傳感器，其近紅外探測器有兩個，分別實時探測實際測星圖像和復(fù)雜天空背景圖像，所述的前置處理板有兩塊，分別對兩個近紅外探測器的信號進行采集，提供近紅外探測器所必須的工作電壓和固定偏壓，同時將近紅外探測器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以后傳給控制處理電路。

本發(fā)明的目的之二在于設(shè)計一種抑制白天大氣湍流效應(yīng)的大視場測星傳感器的使用方法，可有效抑制白天條件下大氣湍流效應(yīng)引起的星體測量時信噪比嚴(yán)重下降問題。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種抑制白天大氣湍流效應(yīng)的大視場測星傳感器的使用方法，步驟如下：

a）、通過透射1.55-1.65um波段和反射透射1.35-1.45um波段的分光棱鏡獲得實際測星圖和復(fù)雜天空背景圖；

b）、集中控制兩個近紅外探測器，分別實時探測實際測星圖像和復(fù)雜天空背景圖像，采取雙探測器協(xié)同處理、雙光路圖像像素對齊標(biāo)定、差分圖像灰度匹配等方法，保證圖像采集時間、位置以及灰度特征的一致性；

c）、對經(jīng)過處理的實際測星圖像和復(fù)雜天空背景圖像進行對應(yīng)像素灰度相減并加上圖像灰度均值，完成圖像差分處理后能得到抑制白天大氣湍流效應(yīng)影響的大視場測星圖像，以此提高白天測星圖像信噪比。

所述的一種抑制白天大氣湍流效應(yīng)的大視場測星傳感器的使用方法，其雙光路圖像像素對齊標(biāo)定步驟為：在平行光管前端放置覆蓋0.9um-1.7um的寬光譜光源，采用十字框靶標(biāo)進行標(biāo)定，在近紅外探測器采集的圖像正中通過軟件繪制十字框，分別調(diào)節(jié)兩個近紅外探測器與分光棱鏡透射光束和反射光束的位置，使近紅外探測器圖像中自身繪制的十字框與光源靶標(biāo)上的十字框在像素點上完全重合，保證兩個探測器對十字靶標(biāo)的成像狀態(tài)完全一致，由此完成兩路圖像的像素對齊標(biāo)定。

所述的一種抑制白天大氣湍流效應(yīng)的大視場測星傳感器的使用方法，其差分圖像灰度匹配包括圖像對比度匹配和灰度均值匹配。

其中，所述的對比度匹配先是在硬件電路放大倍數(shù)上調(diào)節(jié)，在完成上述兩路光路成像圖像像素對齊標(biāo)定以后，在天氣惡劣無法測星的情況下，將鏡頭對向復(fù)雜的天空背景分別錄制1.35-1.45um波段的成像圖和1.55-1.65um波段的成像圖，通過Matlab分析兩幅圖像數(shù)據(jù)，將圖像數(shù)據(jù)按像素點展開，得到1.35-1.45um波段的成像圖像部分素點灰度差異峰峰值為Vpp1，1.55-1.65um波段的成像圖像與1.35-1.45um波段的成像圖相同位置部分素點灰度差異峰峰值為Vpp2，按照Vpp1與Vpp2的比值調(diào)節(jié)兩路前置處理板上的放大器放大倍數(shù)，最終使Vpp1與Vpp2近似相等，即完成兩路圖像的對比度匹配。

其中，所述的灰度均值匹配步驟為：在測星過程中實時對經(jīng)過對比度匹配以后的1.35-1.45um波段的成像圖均值V1和1.55-1.65um波段的成像圖的圖像均值V2進行計算，通過調(diào)節(jié)兩探測器SKIMMING偏壓值使得兩幅圖的圖像均值均接近于設(shè)定的圖像期望均值Vexp，以此完成圖像灰度均值匹配。

本發(fā)明的有益效果是：

1、采用分光譜雙光路的方法，利用天空背景輻射與大氣透過率在不同波段的差異，采用雙面鍍膜的分光棱鏡將入射光分為兩路：一路透射1.55-1.65um的光，該波段范圍內(nèi)天空背景輻射低且大氣透過率高，從而獲得實際測星圖，但是由于受到低空大氣湍流的影響，實際測星圖中存在區(qū)域間灰度不均勻且劇烈波動的問題；另一路反射1.35-1.45um的光，該波段范圍內(nèi)天空背景輻射相對較高且大氣透過率相對較低，所以白天微弱的紅外星點信號被淹沒在天空背景中，由此獲得無星點信息的復(fù)雜天空背景圖。

2、采取雙探測器協(xié)同處理、雙光路圖像像素對齊標(biāo)定、差分圖像灰度匹配等方法，使用兩個近紅外探測器分別實時探測經(jīng)過所述分光譜雙光路后的實際測星圖像和復(fù)雜天空背景圖像，保證圖像采集時間、位置以及灰度特征的一致性。

3、采取圖像差分處理的方法，對經(jīng)過處理的實際測星圖像和復(fù)雜天空背景圖像進行對應(yīng)像素灰度相減并加上圖像灰度均值，得到抑制白天低空大氣湍流效應(yīng)影響的大視場測星圖像，以此提高白天測星圖像的信噪比。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)組成圖；

圖2是本發(fā)明的分光譜雙光路光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是分光棱鏡采用MODTRAN計算的大氣透過曲線；

圖4是近紅外探測器的量子響應(yīng)效率曲線；

圖5是信號采集與處理電路的組成框圖；

圖6是差分圖像像素對齊標(biāo)定模塊的示意圖；

圖7是差分圖像灰度匹配中圖像對比度匹配示意圖；

圖8是差分圖像灰度匹配中圖像灰度均值匹配示意圖；

圖9是圖像差分算法示意圖；

圖10是受白天大氣湍流效應(yīng)影響的測星圖；

圖11是本發(fā)明的抑制白天大氣湍流效應(yīng)的測星圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。

參照圖1所示，本發(fā)明公開了一種抑制白天大氣湍流效應(yīng)的大視場測星傳感器，該傳感器包括：分光譜雙光路光學(xué)系統(tǒng)、圖像探測及預(yù)處理組件和差分圖像處理標(biāo)定方法與算法單元，其中分光譜雙光路光學(xué)系統(tǒng)對入射光進行分光，并分兩路進行窄帶光譜濾波處理后送到圖像探測及預(yù)處理組件，該組件用來將兩路光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號，并結(jié)合差分圖像處理標(biāo)定方法與算法，對兩路圖像信號采取雙探測器協(xié)同處理、雙光路圖像像素對齊標(biāo)定、差分圖像灰度匹配等一系列操作，最后將實際測星圖像和復(fù)雜天空背景圖像進行對應(yīng)像素灰度相減并加上圖像灰度均值，得到抑制白天低空大氣湍流效應(yīng)影響的大視場測星圖像。

參照圖2所示，所述的分光譜雙光路光學(xué)系統(tǒng)包括遮光罩、光學(xué)鏡頭、帶光譜濾波的分光棱鏡以及結(jié)構(gòu)框架，所述的遮光罩采用圓錐形消光筒和網(wǎng)格式消光柵兩級消光結(jié)構(gòu)，第一級（A）圓錐形消光筒的主要功能是抑制太陽光的直射以及視場內(nèi)的部分背景雜散光，第二級（B）網(wǎng)格式消光柵進一步抑制視場內(nèi)的部分背景雜散光，所述的光學(xué)鏡頭采用焦距300mm、F數(shù)為5.0、工作波段0.9-1.7um的透射式光學(xué)鏡頭，系統(tǒng)透過率為84%，所述的分光棱鏡選擇在波段為1.55um-1.65um獲得實際測星圖，選擇在反射光譜波段為1.35-1.45um獲得復(fù)雜天空背景圖，所述的結(jié)構(gòu)框架用于提供遮光罩、光學(xué)鏡頭、分光棱鏡以及圖像探測及預(yù)處理組件的安裝接口和固定功能；采用所述透射式光學(xué)鏡頭有利于縮減系統(tǒng)體積，同時可獲得更高星像像質(zhì)。

所述帶光譜濾波的分光棱鏡的反射面C鍍膜具有1.35-1.45um窄帶濾光特性，該波段反射率大于90%，該波段范圍內(nèi)天空背景輻射相對較高且大氣透過率相對較低，所以白天微弱的紅外星點信號被淹沒在天空背景中，由此獲得無星點信息的復(fù)雜天空背景圖；所述帶光譜濾波的分光棱鏡的透射面B鍍膜具有1.55-1.65um的窄帶濾光特性，該波段透過率大于90%，該波段范圍內(nèi)天空背景輻射低且大氣透過率高，從而獲得實際測星圖，但是由于受到低空大氣湍流的影響，實際測星圖中存在區(qū)域間灰度不均勻且隨時間波動的問題。

所述分光棱鏡中光譜濾波波段選擇根據(jù)大氣透過率曲線以及所選近紅外探測器的量子響應(yīng)效率曲線來決定，圖3所示為采用MODTRAN計算的大氣透過率曲線，圖4所示為近紅外探測器的量子響應(yīng)效率曲線，結(jié)合兩者綜合考慮，在1.55-1.65um波段，探測器的量子響應(yīng)效率>70%，大氣透過率高，所以在大氣層內(nèi)接收到的該波段星光信號相對較強，且在該波段范圍內(nèi)天空背景輻射強度低，有利于將背景光與微弱的星光分離，所以選擇該波段獲得實際測星圖，而在1.35-1.45um波段，大氣透過率低，白天微弱的紅外星點信號被淹沒在天空背景中，所以選擇該波段獲得無星點信息的復(fù)雜天空背景圖。

其中，所述的圖像探測及預(yù)處理組件包括：近紅外探測器和信號采集與處理電路，所述的近紅外探測器有兩個，分別實時探測實際測星圖像和復(fù)雜天空背景圖像，采用InGaAs材料，像素為320×256，像元尺寸為30um×30um，響應(yīng)波段為0.9um-1.7um，低增益時滿勢阱為2.5Me-，量子響應(yīng)效率大于70%，采用TEC(半導(dǎo)體制冷器)制冷，制冷最大功率15W，能有效降低探測器的暗電流噪聲，所述的信號采集與處理電路包括前置處理板（即前置處理電路）、控制處理電路（即控制處理板）以及圖像處理電路，組成框圖如圖5所示，采取雙探測器協(xié)同處理、雙光路圖像像素對齊標(biāo)定、差分圖像灰度匹配等方法，對兩個探測器集中控制，保證圖像采集時間、位置以及灰度特征的一致性。

進一步，所述前置處理電路有兩塊，分別對經(jīng)過不同光譜濾波的兩路光后的探測器信號進行采集，提供探測器所必須的工作電壓和固定偏壓，對于可調(diào)偏壓通過控制DA獲得，此外將TTL電平轉(zhuǎn)換為控制探測器所需的邏輯電平，同時將探測器輸出的模擬信號通過14位AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以后傳給控制處理板進行處理；所述控制處理電路根據(jù)同步信號產(chǎn)生探測器工作時序并輸出到兩塊前置處理電路，產(chǎn)生前置處理板上AD工作所需的時鐘及時序，并接收前置處理板傳送過來的采樣數(shù)據(jù)，對采集數(shù)據(jù)進行圖像均值運算，通過DA控制探測器偏壓進行兩幅圖像的灰度匹配，同時還進行TEC制冷溫控，該電路對雙光路后的兩個探測器集中控制，保證探測器時序統(tǒng)一；所述圖像處理電路對經(jīng)過灰度匹配以后的天空背景圖和實際測星圖進行圖像差分運算，得到背景均勻的大視場白天星圖，對處理后的圖像進行星目標(biāo)提取處理，并通過串口輸出給上位機或組合導(dǎo)航解算電路進行導(dǎo)航解算。

其中，所述的差分圖像處理標(biāo)定方法與算法單元用來實時對實際測星圖像和復(fù)雜天空背景圖像進行差分處理，以此減弱白天大氣湍流效應(yīng)對大視場測星的影響，提高白天測星圖像信噪比，包括：雙探測器協(xié)同處理模塊、雙光路圖像像素對齊標(biāo)定模塊、差分圖像灰度匹配模塊和圖像差分算法模塊。

所述雙探測器協(xié)同處理模塊在上述控制處理電路中完成，采用同一控制處理電路控制前置處理電路對探測器進行集中處理，保證時序統(tǒng)一，從而保證圖像采集時序上的一致性；所述雙光路圖像像素對齊標(biāo)定模塊如圖6所示，在平行光管前端放置覆蓋0.9um-1.7um的寬光譜光源，采用十字框靶標(biāo)進行標(biāo)定，在探測器采集的圖像正中通過軟件繪制十字框，分別調(diào)節(jié)兩個探測器與分光棱鏡透射光束和反射光束的位置，使探測器圖像中自身繪制的十字框與光源靶標(biāo)上的十字框在像素點上完全重合，保證兩個探測器對十字靶標(biāo)的成像狀態(tài)完全一致，由此完成兩路圖像的像素對齊標(biāo)定；所述差分圖像灰度匹配模塊包括圖像對比度匹配和灰度均值匹配，所述對比度匹配需在硬件電路放大倍數(shù)上調(diào)節(jié)，在完成上述兩路光路成像圖像像素對齊標(biāo)定以后，在天氣惡劣無法測星的情況下，將鏡頭對向復(fù)雜的天空背景分別錄制1.35-1.45um波段的成像圖和1.55-1.65um波段的成像圖，通過Matlab分析兩幅圖像數(shù)據(jù)，如圖7所示，將圖像數(shù)據(jù)按像素點展開，得到1.35-1.45um波段的成像圖像部分素點灰度差異峰峰值為Vpp1，1.55-1.65um波段的成像圖像與1.35-1.45um波段的成像圖相同位置部分素點灰度差異峰峰值為Vpp2，按照Vpp1與Vpp2的比值調(diào)節(jié)兩路前置處理板上的放大器放大倍數(shù)，最終使Vpp1與Vpp2近似相等，即完成兩路圖像的對比度匹配。

所述灰度均值匹配原理如圖8所示，需在測星過程中實時對經(jīng)過對比度匹配以后的1.35-1.45um波段的成像圖均值V1和1.55-1.65um波段的成像圖的圖像均值V2進行計算，通過調(diào)節(jié)兩探測器SKIMMING偏壓值使得兩幅圖的圖像均值均接近于設(shè)定的圖像期望均值Vexp，以此完成圖像灰度均值匹配。

所述圖像差分算法如圖9所示，圖9中A所示為傳統(tǒng)單光路系統(tǒng)在0.9-1.7um波段內(nèi)的成像圖，在該波段天空背景較強且低空大氣湍流效應(yīng)影響明顯，微弱的星光被淹沒在圖像噪聲中(如圖10所示)，Vn1為背景噪聲的峰峰值，Vs1為星點信號的幅值，可以看出圖像信噪比<1，無法從復(fù)雜的天空背景中精確提取星點，圖9中B所示為經(jīng)過光譜濾波以后1.55-1.65um波段內(nèi)的成像圖，該波段內(nèi)天空背景輻射低且大氣透過率高，從而獲得實際測星圖，但大氣湍流效應(yīng)造成的圖像灰度波動明顯，圖9中C所示為經(jīng)過光譜濾波以后1.35-1.45um波段內(nèi)的成像圖，該波段范圍內(nèi)天空背景輻射相對較高且大氣透過率相對較低，所以白天微弱的紅外星點信號被淹沒在天空背景中，從而獲得無星點信息且由于大氣湍流效應(yīng)造成的圖像灰度波動明顯的復(fù)雜天空背景圖，圖9中D所示為對實際測星圖像和復(fù)雜天空背景圖像進行對應(yīng)像素灰度相減并加上圖像灰度均值處理以后的差分圖像，Vn2為差分圖像中背景噪聲的峰峰值，Vs2為差分圖像中星點信號的幅值，可以看出進行圖像差分處理以后的圖像信噪比>>1，由此得到抑制白天低空大氣湍流效應(yīng)影響的大視場測星圖像(如圖11所示)，以此提高白天測星圖像的信噪比。

根據(jù)本發(fā)明的一種抑制白天大氣湍流效應(yīng)的大視場測星傳感器，能夠降低白天低空大氣湍流效應(yīng)對大視場測星圖像的影響，提高白天測星圖像的信噪比，使大視場白天測星能夠運用到大氣層內(nèi)的近空間載體，與傳統(tǒng)小視場單星跟蹤測量的白天測星傳感器相比，本發(fā)明的抑制白天大氣湍流效應(yīng)的大視場測星傳感器，系統(tǒng)無跟蹤軸系，可與慣性導(dǎo)航設(shè)備剛性互嵌，從傳感器級別實現(xiàn)天文/慣性信息的深度融合，保證長航時狀態(tài)下的高精度天文/慣性組合導(dǎo)航，從而使其能夠廣泛應(yīng)用在航海、航空天文導(dǎo)航領(lǐng)域。

相對于現(xiàn)有的只能在大氣層外全天時使用的以傳統(tǒng)CCD為探測器的單光路大視場測星傳感器，本發(fā)明能夠在大氣層內(nèi)的載體上應(yīng)用，實現(xiàn)在晴朗的白天對近紅外星體進行大視場多星測量，能夠廣泛應(yīng)用在航海、航空天文導(dǎo)航領(lǐng)域。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，以及部分運用的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。