[發明專利]基于EMCCD和CMOS的高動態星敏感器的實現方法

有效

• 申請號: 201410367119.2
• 申請日: 2014-07-29
• 公開（公告）號: CN104154932B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 余達;周懷得;李廣澤;劉金國;徐東;王國良;張博研
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所22210
• 代理人: 陶尊新

技術領域

本發明涉及一種星敏感器技術，具體涉及一種基于EMCCD和CMOS的高精度高動態星敏感器的實現方法。

背景技術

星敏感器是一種高精度姿態敏感測量儀器，具有精度高、抗干擾性強、可不依賴其它系統進行獨立導航等優點?，F今國內航天器多采用進口的國外低精度的星敏感器，隨著航天應用的深入，對其精度和動態性能提出了越來越高的要求，由于高等級產品國外禁運，只能依靠自身力量研制。本發明提供一種基于高分辨率CMOS和低分辨率基于電子倍增電荷耦合器件(EMCCD，Electronic?Multiplying?CCD)的組合高動態星敏感器成像系統。星敏感器基本工作原理為恒星所發出的星光經光學系統成像在探測器靶面上，由成像系統拍攝視軸指向星空的圖像，通過信號處理電路對數字化后的星圖進行處理，主要包括恒星目標檢測(星提取)、星識別、姿態計算等過程，最后確定星敏感器光軸在慣性空間中的指向，再利用己知的星敏感器與載體的安裝角和此指向就可以完成載體三軸瞬時姿態的測量。

隨著科學技術的發展，航天器的機動性越來越高，對星敏感器的性能要求也就越來越高，而目前的星敏感器存在動態性能較低、姿態更新率不高的缺點，因此，無法滿足未來航天姿態測量的需要。北京航天航空大學提出采用ICCD來高速獲取星圖，存在體積大、壽命短、功耗高等問題；北京控制工程研究所采用EMCCD來獲取星圖，受器件性能限制，不能同時滿足高分辨率和高幀頻；傳統的TDI工作方式只能實現一個方向的累加積分，不能實現二維方式的累加積分等問題。

發明內容

本發明為解決現有技術采用ICCD高速獲取星圖，存在體積大、壽命短、功耗高等問題或者采用EMCCD來獲取星圖不能同時滿足高分辨率和高幀頻的問題，同時現有采用TDI的方式無法實現二維方式累加積分等問題，提供一種基于EMCCD和CMOS的高動態星敏感器的實現方法。

基于EMCCD和CMOS的高動態星敏感器的實現方法，該方法由以下步驟實現：

步驟一、光學系統接收星圖信息后同時在CMOS傳感器以及在所述CMOS傳感器四角的四片EMCCD傳感器上成像，所述四片EMCCD傳感器以倍增方式高幀頻獲取高星等小視場的星圖信息，并將星圖信息傳送至圖像處理器；所述圖像處理器獲得當前四片EMCCD輸出的星圖信息從而計算出每幀在二維方向的像移量；

步驟二、所述CMOS傳感器將采集的星圖信息傳送至圖像處理器，所述圖像處理器根據步驟一中四片EMCCD輸出的星圖信息計算出每幀在二維方向像移量，通過累加在CMOS每幀攝像時間內EMCCD輸出的各幀像移量，從而獲得CMOS傳感器每幀間二維方向的像移量；

步驟三、采用外部存儲器對CMOS傳感器輸出圖像進行二維方向的TDI方式疊加，將TDI疊加后圖像進行星圖識別；獲得高精度的大視場低星等星圖圖像。

本發明的有益效果：本發明主要利用EMCCD倍增模式高速拍攝高星等的星圖，通過探測高星等圖像在小視場內獲得更多的探測星數量，采用相關算法計算出每幀間的二維方向的相對像移量；然后綜合CMOS四角的四片EMCCD獲取的像移量來獲得二維方向的像移矢量，避免單片EMCCD在某時間段未拍攝到恒星從而無法計算出像移矢量的情況，提高獲取像移矢量的幾率。若僅有一片EMCCD探測到恒星，輸出了非0的像移量，則以該片輸出的像移量為準；若超過一片EMCCD探測到恒星，輸出了非0的像移量，則以所有輸出非0像移量的平均值作為最終的像移量。最后把通過四片獲取的像移矢量轉換為中心CMOS的二維方向的像移量，并在中心CMOS曝光輸出一幀圖像時計算出在該幀曝光時間內總的像移量，也就是EMCCD輸出的最終像移量在該幀時間內的疊加；CMOS進行二維方向的TDI工作方式，主要是采用軟件方式基于外部存儲器實現的。

本發明基于四角的四片小EMCCD在倍增模式下獲取高星等小視場星圖計算出像移，對中心的大CMOS傳感器進行像移補償后計算低星等大視場星圖的基于EMCCD和CMOS的高動態星敏感器的實現方法，將傳統星敏感器和電子倍增技術結合起來，本發明可獲得CMOS較長的積分時間提高信噪比，避免了像移導致的星圖模糊，而且避免了過高頻攝像引起的噪聲增加；采用高星等的EMCCD拍攝星圖獲取像移，降低了大面陣計算像移對處理器的要求；采用四角的四片EMCCD獲取圖像，可獲得二維相反方向的像移，避免了單片獲取像移的幾率過低的問題。

附圖說明

圖1為本發明所述的基于EMCCD和CMOS的高動態星敏感器的結構示意圖。

具體實施方式