空间天文望远镜精细导星高速处理技术研究
发布时间：2021-05-25 11:49
空间天文望远镜稳像系统根据抑制振动频段范围的不同而分为粗级稳像系统和精密稳像系统,精密稳像系统一般通过控制成像光路中的某一活动部件来使光线保持稳定,可以看作是光路中的闭环反馈控制系统,精细导星仪（Fine Guidance Sensor,FGS）是光轴偏差量快速检测装置。精细导星仪工作原理为对望远镜视场内的恒星进行成像,利用恒星目标短时间内在天球中位置基本不变这一条件来检测光轴的偏差,利用望远镜超长的焦距可以进行极高精度的视轴位置偏差测量。恒星星斑在精细导星仪焦面上位置的测量精度和测量速度是精细导星仪两个重要指标,星斑位置测量精度直接决定了光轴相对偏差量的测量精度,测量速度决定了精密稳像系统闭环反馈的频率带宽。以此作为背景,本文主要研究空间天文望远镜精密稳像系统中精细导星仪高精度、高速度的光轴相对偏差测量算法,并搭建原型样机兼顾精度及实时性对系统进行了原型验证。本论文的主要工作为:1)介绍精细导星仪工作原理,分析了精细导星仪星探测能力,设置合理的观测星等。分析了精细导星仪测量精度及速度。设计精细导星仪硬件架构和工作模式。2)建立图像传感器噪声模型、质心定位算法系统误差模型、光轴振动及漂...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市
【文章页数】：181 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究背景
1.2 课题应用前景及意义
1.3 论文主要内容和章节安排
1.3.1 论文主要内容
1.3.2 论文各章节安排
第2章 空间天文望远镜精细导星技术国内外发展状况
2.1 稳像技术综述
2.2 哈勃天文望远镜精细导星系统
2.2.1 哈勃望远镜概述
2.2.2 哈勃精细导星仪
2.3 詹姆斯韦伯天文望远镜精细导星系统
2.3.1 詹姆斯韦伯望远镜概述
2.3.2 詹姆斯韦伯天文望远镜精细导星仪
2.4 SOFIA天文望远镜精细导星系统
2.4.1 SOFIA天文望远镜望远镜概述
2.4.2 SOFIA精密稳像控制
2.5 欧几里得天文望远镜精细导星系统
2.5.1 欧几里得天文望远镜概述
2.5.2 欧几里得天文望远镜精细导星
2.6 SOAR望远镜
2.7 日出卫星
2.8 精细导星系统总结
2.9 本章小结
第3章 精细导星系统总体方案设计及性能分析
3.1 精密稳像系统结构与精细导星系统组成
3.2 精细导星仪探测能力
3.2.1 星光能量分析
3.2.2 星探测概率
3.2.3 星等探测能力
3.3 精细导星仪性能参数
3.4 精细导星系统测量精度及误差分析
3.4.1 精细导星系统测量精分析
3.4.2 星斑质心定位算法及精度分析
3.4.3 图像传感器噪声对测量精度的影响
3.4.4 亚像元质心定位算法系统误差影响分析
3.4.5 载体振动对星斑质心定位的影响
3.5 精细导星仪图像传感器选型及系统硬件方案设计
3.5.1 图像传感器选型
3.5.2 系统硬件架构设计
3.6 精细导星仪工作模式
3.7 本章小结
第4章 精细导星系统预处理技术
4.1 星图滤波
4.1.1 FIR低通滤波器原理
4.1.2 FIR滤波器设计方法
4.1.3 FIR滤波器滤波效果及分析
4.1.4 FIR滤波器FPGA高速实现
4.2 背景划分与阈值选取
4.2.1 全局阈值法
4.2.2 递推背景预测阈值分割法
4.3 本章小结
第5章 精细导星高速、高精度检测技术
5.1 退化星斑复原
5.1.1 星图粗级复原
5.1.2 基于稀疏先验的模糊星图精级复原
5.1.3 仿真实验与复原效果分析
5.2 星点高速提取技术
5.2.1 算法原理
5.2.2 单次扫描算法的FPGA硬件实现
5.2.3 单次扫描算法仿真验证
5.3 基于模板相关的高精度亚像素质心定位算法
5.3.1 模板相关算法原理
5.3.2 算法实现
5.3.3 算法效果分析
5.4 系统误差校正
5.5 高速星图识别技术
5.5.1 算法基本原理与实现
5.5.2 算法FPGA硬件实现
5.5.3 算法仿真
5.6 本章小结
第6章 精细导星系统硬件设计
6.1 硬件系统组成
6.2 高速数据接口及信号完整性
6.3 系统软件架构
6.4 高速数据传输接口
6.5 本章小结
第7章 系统测试与结果分析
7.1 精细导星仪原型单机性能测试
7.1.1 精细导星仪原型单机帧频测试
7.1.2 图像传感器噪声测试
7.2 静态星斑质心定位精度测试
7.2.1 近似真实星光模拟
7.2.2 噪声对质心定位精度的影响
7.2.3 系统误差校正
7.2.4 静态质心定位精度测量
7.3 动态星斑质心定位精度
7.3.1 动态精度测量原理
7.3.2 动态精度测量实验及结果
7.4 杂光干扰实验
7.5 多星点成像实验
7.6 本章小结
第8章 总结与展望
8.1 总结
8.2 展望
参考文献
附录一
附录二
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于图像相关检测的快速反射镜稳像系统及方法[J]. 焦慧华,周伟. 安徽电子信息职业技术学院学报. 2018(01)
[2]一种空间相机热控调焦机构的设计与分析[J]. 李泽坤,吕群波,李伟艳. 光子学报. 2018(04)
[3]基于FPGA的高性能CMOS图像采集系统设计[J]. 樊春玲,范立超,明星,郭文记,邵巍. 青岛科技大学学报(自然科学版). 2018(01)
[4]图像去噪算法研究[J]. 郭盼,弓馨,何文超,王国健. 科技资讯. 2017(26)
[5]一种多帧相关滤波的星敏感器像素非均匀性误差校正方法[J]. 郑循江,叶志龙,杨勤利,孙朔冬. 空间控制技术与应用. 2017(04)
[6]基于高精度星敏感器的船载雷达海上精度鉴定[J]. 郭敬明,刘冰,何昕,张同双,潘良,焦宏伟. 光学精密工程. 2017(07)
[7]一种自适应双阈值中值滤波方法[J]. 宗永胜,胡晓辉,张荣光. 小型微型计算机系统. 2017(07)
[8]一种基于时空相关性的星图降噪算法[J]. 南诺,曹东晶,张宏伟,侯作勋. 航天返回与遥感. 2017(01)
[9]空间碎片天基探测相机光学系统设计[J]. 佟静波,张宏伟,吴建福. 红外与激光工程. 2016(S2)
[10]用于星点检测的自适应变邻域背景预测算法[J]. 范经伟,李胜,郭健,周凌柯. 计算机测量与控制. 2016(11)
博士论文
[1]空间望远镜精密稳像控制关键技术研究[D]. 史少龙.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
[2]高精度导星测量系统细分定位技术研究[D]. 刘南南.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[3]电子稳像算法和视觉跟踪算法研究[D]. 邱家涛.西安电子科技大学 2013
[4]基于支持向量机的空间数据挖掘方法及其在旅游地理经济分析中的应用[D]. 刘太安.中国矿业大学 2012
[5]鱼眼相机恒星法检校技术研究[D]. 原玉磊.解放军信息工程大学 2012
[6]卫星热辐射特性及其空间辐照环境效应研究[D]. 马伟.南京理工大学 2011
[7]电子稳像理论及其应用研究[D]. 朱娟娟.西安电子科技大学 2009
[8]空间太阳望远镜稳像系统中图像相关器的研究[D]. 李长松.中国科学院研究生院（国家天文台） 2008
[9]APS星敏感器关键技术的研究[D]. 李杰.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2005
[10]CMOS图像传感器在星敏感器中应用研究[D]. 刘智.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2004
硕士论文
[1]星敏感器星图仿真及星点提取算法评估研究[D]. 谢玉莹.哈尔滨工业大学 2017
[2]星敏感器快速星图识别算法研究[D]. 赵启坤.中国航天科技集团公司第一研究院 2016
[3]基于星敏感器的星图模拟及识别算法研究[D]. 李猛.哈尔滨工程大学 2016
[4]大视场内多靶板位姿单目视觉跟踪测量系统的仿真研究[D]. 翁璇.南京航空航天大学 2014
[5]适用于皮纳卫星的微型星敏感器设计与测试[D]. 王萌萌.浙江大学 2014
[6]高通手机平台下的图像去噪处理[D]. 孙洪亮.西安电子科技大学 2013
[7]轻小型高动态星敏感器技术研究[D]. 郑循江.上海交通大学 2012
[8]基于相关原理的信号检测方法及其应用研究[D]. 陆秋平.浙江大学 2011
[9]光电检测电路的噪声分析与处理[D]. 韩勇.哈尔滨工程大学 2011
[10]基于背景预测的红外小目标检测算法研究[D]. 徐茵.西安电子科技大学 2009
本文编号：3205288
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市
【文章页数】：181 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究背景
1.2 课题应用前景及意义
1.3 论文主要内容和章节安排
1.3.1 论文主要内容
1.3.2 论文各章节安排
第2章 空间天文望远镜精细导星技术国内外发展状况
2.1 稳像技术综述
2.2 哈勃天文望远镜精细导星系统
2.2.1 哈勃望远镜概述
2.2.2 哈勃精细导星仪
2.3 詹姆斯韦伯天文望远镜精细导星系统
2.3.1 詹姆斯韦伯望远镜概述
2.3.2 詹姆斯韦伯天文望远镜精细导星仪
2.4 SOFIA天文望远镜精细导星系统
2.4.1 SOFIA天文望远镜望远镜概述
2.4.2 SOFIA精密稳像控制
2.5 欧几里得天文望远镜精细导星系统
2.5.1 欧几里得天文望远镜概述
2.5.2 欧几里得天文望远镜精细导星
2.6 SOAR望远镜
2.7 日出卫星
2.8 精细导星系统总结
2.9 本章小结
第3章 精细导星系统总体方案设计及性能分析
3.1 精密稳像系统结构与精细导星系统组成
3.2 精细导星仪探测能力
3.2.1 星光能量分析
3.2.2 星探测概率
3.2.3 星等探测能力
3.3 精细导星仪性能参数
3.4 精细导星系统测量精度及误差分析
3.4.1 精细导星系统测量精分析
3.4.2 星斑质心定位算法及精度分析
3.4.3 图像传感器噪声对测量精度的影响
3.4.4 亚像元质心定位算法系统误差影响分析
3.4.5 载体振动对星斑质心定位的影响
3.5 精细导星仪图像传感器选型及系统硬件方案设计
3.5.1 图像传感器选型
3.5.2 系统硬件架构设计
3.6 精细导星仪工作模式
3.7 本章小结
第4章 精细导星系统预处理技术
4.1 星图滤波
4.1.1 FIR低通滤波器原理
4.1.2 FIR滤波器设计方法
4.1.3 FIR滤波器滤波效果及分析
4.1.4 FIR滤波器FPGA高速实现
4.2 背景划分与阈值选取
4.2.1 全局阈值法
4.2.2 递推背景预测阈值分割法
4.3 本章小结
第5章 精细导星高速、高精度检测技术
5.1 退化星斑复原
5.1.1 星图粗级复原
5.1.2 基于稀疏先验的模糊星图精级复原
5.1.3 仿真实验与复原效果分析
5.2 星点高速提取技术
5.2.1 算法原理
5.2.2 单次扫描算法的FPGA硬件实现
5.2.3 单次扫描算法仿真验证
5.3 基于模板相关的高精度亚像素质心定位算法
5.3.1 模板相关算法原理
5.3.2 算法实现
5.3.3 算法效果分析
5.4 系统误差校正
5.5 高速星图识别技术
5.5.1 算法基本原理与实现
5.5.2 算法FPGA硬件实现
5.5.3 算法仿真
5.6 本章小结
第6章 精细导星系统硬件设计
6.1 硬件系统组成
6.2 高速数据接口及信号完整性
6.3 系统软件架构
6.4 高速数据传输接口
6.5 本章小结
第7章 系统测试与结果分析
7.1 精细导星仪原型单机性能测试
7.1.1 精细导星仪原型单机帧频测试
7.1.2 图像传感器噪声测试
7.2 静态星斑质心定位精度测试
7.2.1 近似真实星光模拟
7.2.2 噪声对质心定位精度的影响
7.2.3 系统误差校正
7.2.4 静态质心定位精度测量
7.3 动态星斑质心定位精度
7.3.1 动态精度测量原理
7.3.2 动态精度测量实验及结果
7.4 杂光干扰实验
7.5 多星点成像实验
7.6 本章小结
第8章 总结与展望
8.1 总结
8.2 展望
参考文献
附录一
附录二
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于图像相关检测的快速反射镜稳像系统及方法[J]. 焦慧华,周伟. 安徽电子信息职业技术学院学报. 2018(01)
[2]一种空间相机热控调焦机构的设计与分析[J]. 李泽坤,吕群波,李伟艳. 光子学报. 2018(04)
[3]基于FPGA的高性能CMOS图像采集系统设计[J]. 樊春玲,范立超,明星,郭文记,邵巍. 青岛科技大学学报(自然科学版). 2018(01)
[4]图像去噪算法研究[J]. 郭盼,弓馨,何文超,王国健. 科技资讯. 2017(26)
[5]一种多帧相关滤波的星敏感器像素非均匀性误差校正方法[J]. 郑循江,叶志龙,杨勤利,孙朔冬. 空间控制技术与应用. 2017(04)
[6]基于高精度星敏感器的船载雷达海上精度鉴定[J]. 郭敬明,刘冰,何昕,张同双,潘良,焦宏伟. 光学精密工程. 2017(07)
[7]一种自适应双阈值中值滤波方法[J]. 宗永胜,胡晓辉,张荣光. 小型微型计算机系统. 2017(07)
[8]一种基于时空相关性的星图降噪算法[J]. 南诺,曹东晶,张宏伟,侯作勋. 航天返回与遥感. 2017(01)
[9]空间碎片天基探测相机光学系统设计[J]. 佟静波,张宏伟,吴建福. 红外与激光工程. 2016(S2)
[10]用于星点检测的自适应变邻域背景预测算法[J]. 范经伟,李胜,郭健,周凌柯. 计算机测量与控制. 2016(11)
博士论文
[1]空间望远镜精密稳像控制关键技术研究[D]. 史少龙.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
[2]高精度导星测量系统细分定位技术研究[D]. 刘南南.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[3]电子稳像算法和视觉跟踪算法研究[D]. 邱家涛.西安电子科技大学 2013
[4]基于支持向量机的空间数据挖掘方法及其在旅游地理经济分析中的应用[D]. 刘太安.中国矿业大学 2012
[5]鱼眼相机恒星法检校技术研究[D]. 原玉磊.解放军信息工程大学 2012
[6]卫星热辐射特性及其空间辐照环境效应研究[D]. 马伟.南京理工大学 2011
[7]电子稳像理论及其应用研究[D]. 朱娟娟.西安电子科技大学 2009
[8]空间太阳望远镜稳像系统中图像相关器的研究[D]. 李长松.中国科学院研究生院（国家天文台） 2008
[9]APS星敏感器关键技术的研究[D]. 李杰.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2005
[10]CMOS图像传感器在星敏感器中应用研究[D]. 刘智.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2004
硕士论文
[1]星敏感器星图仿真及星点提取算法评估研究[D]. 谢玉莹.哈尔滨工业大学 2017
[2]星敏感器快速星图识别算法研究[D]. 赵启坤.中国航天科技集团公司第一研究院 2016
[3]基于星敏感器的星图模拟及识别算法研究[D]. 李猛.哈尔滨工程大学 2016
[4]大视场内多靶板位姿单目视觉跟踪测量系统的仿真研究[D]. 翁璇.南京航空航天大学 2014
[5]适用于皮纳卫星的微型星敏感器设计与测试[D]. 王萌萌.浙江大学 2014
[6]高通手机平台下的图像去噪处理[D]. 孙洪亮.西安电子科技大学 2013
[7]轻小型高动态星敏感器技术研究[D]. 郑循江.上海交通大学 2012
[8]基于相关原理的信号检测方法及其应用研究[D]. 陆秋平.浙江大学 2011
[9]光电检测电路的噪声分析与处理[D]. 韩勇.哈尔滨工程大学 2011
[10]基于背景预测的红外小目标检测算法研究[D]. 徐茵.西安电子科技大学 2009
本文编号：3205288
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3205288.html
