基于探測窗口的數(shù)字太陽敏感器質(zhì)心計算方法
【專利摘要】基于探測窗口的數(shù)字太陽敏感器質(zhì)心計算方法，涉及光學(xué)姿態(tài)敏感器領(lǐng)域，解決現(xiàn)有計算方法存在計算速度慢、數(shù)據(jù)更新率慢，實時性差等問題，本發(fā)明包括自適應(yīng)閾值確定；確定第一次探測窗口的位置；對第一次探測窗口進行優(yōu)化，確定第二次探測窗口的位置；實現(xiàn)對第二次探測窗口內(nèi)的像元進行光斑質(zhì)心計算，所述的方法采用閾值和探測窗口相互配合的方法，對探測窗口內(nèi)的像元進行質(zhì)心計算，簡化了自動閾值計算，提高質(zhì)心計算的精度，為太陽敏感器的姿態(tài)定位提供依據(jù)。
【專利說明】基于探測窗口的數(shù)字太陽敏感器質(zhì)心計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)姿態(tài)敏感器領(lǐng)域，具體涉及一種基于探測窗口的數(shù)字太陽敏感器質(zhì)心計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字太陽敏感器主要通過檢測太陽矢量方位，確定太陽在敏感器本體坐標(biāo)系中的位置，然后通過坐標(biāo)矩陣變換得到太陽在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中的位置。太陽敏感器姿態(tài)測量原理如圖1所示。太陽矢量方位是通過太陽在傳感器上的光斑位置和太陽敏感器的孔徑高度確定的，因此確定太陽光斑的位置是實現(xiàn)數(shù)字太陽敏感器姿態(tài)定位的基礎(chǔ)。
[0003]傳統(tǒng)數(shù)字太陽敏感器質(zhì)心計算方法，是首先確定圖像閾值，使背景和光斑分離，對大于閾值的像點進行質(zhì)心計算，采用這種方法對閾值的準(zhǔn)確性要求高，而實際上，當(dāng)太陽高度角不同時，在像面上得到的光斑亮度是不相同的，因此很難準(zhǔn)確的確定統(tǒng)一的閾值，因此產(chǎn)生了自適應(yīng)閾值方法。
[0004]文獻:孟范濤等《基于FPGA的高速實時光斑質(zhì)心檢測系統(tǒng)的設(shè)計》，采用了一種自適應(yīng)閾值確定方法，對一幀圖像內(nèi)的圖像求平均值，得到背景光的灰度級，根據(jù)當(dāng)前幀的平均灰度級作為下一幀圖像的閾值。方法的優(yōu)點是實現(xiàn)比較簡單，實時性較高，但是如果像面很大，而光斑很小時，閾值會非常小，根據(jù)當(dāng)前的閾值，直接對大于閾值的像元進行質(zhì)心計算會明顯降低質(zhì)心精度。
[0005]文獻:屠斌杰等《基于全景鏡頭的數(shù)字式太陽敏感器研究》中，首先確定一個有效的閾值區(qū)間和一個有效的過閾值點數(shù)區(qū)間，程序從閾值區(qū)間的最小值開始遍歷完整個閾值區(qū)間后，對滿足過閾值個數(shù)區(qū)間的閾值求平均值，并作為最終的閾值。這種方法的優(yōu)點是閾值計算準(zhǔn)確，依據(jù)此閾值進行質(zhì)心計算時精度高，但是對于實現(xiàn)而言，需要存儲整幅圖像，然后對圖像進行處理，這就需要增加外部存儲，體積、成本增大，計算速度慢，數(shù)據(jù)更新率慢，實時性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為解決現(xiàn)有計算方法存在計算速度慢、數(shù)據(jù)更新率慢，實時性差等問題，提供一種基于探測窗口的數(shù)字太陽敏感器質(zhì)心計算方法。
[0007]基于探測窗口的數(shù)字太陽敏感器質(zhì)心計算方法，該方法由以下步驟實現(xiàn):
[0008]步驟一、自適應(yīng)閾值確定；
[0009]對圖像傳感器輸出的圖像進行采集，采集的同時對圖像的像元灰度值大于O的像元進行加和求平均，獲得的結(jié)果作為下一幀圖像的閾值；
[0010]步驟二、確定第一次探測窗口的位置；
[0011]對整個像面進行逐行掃描，當(dāng)連續(xù)掃描m或者m以上的像元灰度值大于閾值，并且下一個像元的灰度值小于閾值時，記錄該像元位置Q(X(I，y0),以Q點為基準(zhǔn)，確定第一次探測窗口的位置，所述第一次探測窗口的位置為:[0012](x0-Lpx0+Rp, y0~Upy0+Dp)；
[0013]上式中:Lp為Q點列值距離探測窗口最左側(cè)像元列值的距離；
[0014]Rp為Q點列值距離探測窗口最右側(cè)像元列值的距離；
[0015]Up為Q點行值距離探測窗口最上側(cè)像元行值的距離；
[0016]Dp為Q點行值距離探測窗口最下側(cè)像元行值的距離；所述m的值小于太陽敏感器孔徑的大??；
[0017]步驟三、對第一次探測窗口進行優(yōu)化，確定第二次探測窗口的位置；
[0018]對第一次探測窗口內(nèi)的像元進行質(zhì)心計算，得到第一次質(zhì)心位置(xf，yf)，以(xf，yf)為中心，確定第二次 探測窗口的位置，實現(xiàn)對第二次探測窗口內(nèi)的像元進行光斑質(zhì)心計算，所述第二次探測窗口的位置記為:(X1 X ^ Xr, yu ^ y ^ yd)；
[0019]其中=X1 = xf-min(xf-x0+Lp, x0+Rp-xf) !X1作為最終探測窗口左側(cè)的坐標(biāo)點；
[0020]xE = xf+min (xf-x0+Lp, x0+Rp-xf) ;χκ作為最終探測窗口右側(cè)的坐標(biāo)點；
[0021 ] yu = yf-min (yf-y0+Up, y0+Dp-yf) ；yu作為最終探測窗口上側(cè)的坐標(biāo)點；
[0022]yd = yf+min(yf-y0+Up, y0+Dp-yf) ；yd作為最終探測窗口下側(cè)的坐標(biāo)點。
[0023]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明所述的方法采用閾值和探測窗口相互配合的方法，對探測窗口內(nèi)的像元進行質(zhì)心計算，簡化了自動閾值計算，提高質(zhì)心計算的精度，為太陽敏感器的姿態(tài)定位提供依據(jù)。
[0024]—、探測窗口的確定原則是先大后小，第一次窗口大于光斑大小，第二次縮小窗口并確盡量使得光斑位于窗口的中心位置，降低噪聲對精度的影響，這樣確定確保探測窗口大小及位置準(zhǔn)確，可以有效降低質(zhì)心位置誤差；
[0025]二、確定了第一探測窗口大小，就不需要對幀圖像進行存儲，避免了大容量存儲，節(jié)約了資源。
[0026]三、由于對閾值要求降低，自動閾值的計算過程得到了簡化，進而提高數(shù)據(jù)的更新率，實時性提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明所述的基于探測窗口的數(shù)字太陽敏感器質(zhì)心計算方法中數(shù)字太陽敏感器姿態(tài)測量原理；
[0028]圖2為本發(fā)明所述的基于探測窗口的數(shù)字太陽敏感器質(zhì)心計算方法中探測窗口確定不意圖；
[0029]圖3為本發(fā)明所述的基于探測窗口的數(shù)字太陽敏感器質(zhì)心計算方法中質(zhì)心計算流程圖。
【具體實施方式】
[0030]【具體實施方式】一、結(jié)合圖1至圖3說明本實施方式，基于探測窗口的數(shù)字太陽敏感器質(zhì)心計算方法，結(jié)合圖1，OXsYsZs為太陽敏感器的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，成像小孔位于O點坐標(biāo)，Zs軸垂直于探測器的光敏面。xC、YC為光斑的重心坐標(biāo)，α、δ為太陽在基準(zhǔn)坐標(biāo)系內(nèi)的方位角、俯仰角。該方法由以下步驟實現(xiàn):
[0031]步驟一:自適應(yīng)閾值確定；[0032]對圖像傳感器輸出的圖像進行采集，采集的同時對像元灰度值進行判斷，由于數(shù)字太陽敏感器只有一個小孔透光，其余背景盡量保持不透光，所以對灰度值大于O的像元進行加和求平均，作為下幀圖像的閾值。
[0033]步驟二:確定第一次探測窗口大小；
[0034]探測窗口大小要求包含整個光斑，如果沒有衍射擴散，則幾何像斑等于孔尺寸加上孔徑高度H乘以太陽張角的正弦，考慮到衍射問題，第一次探測窗口大小要大于衍射后的最大實際光斑。
[0035]第一次探測窗口的確定是為了保證整個光斑都包含在探測窗內(nèi)。并且確定了大小之后可以避免大容量存儲。
[0036]步驟三:確定第一次探測窗口的位置；
[0037]確定探測窗口位置具體過程如示意圖2所示。整個圖代表整個像面，像面的左上角定義為坐標(biāo)原點，X，Y方向如圖所示，X代表像點的列值，Y代表像點的行值，中間白色的矩形框ABCD代表不考慮衍射太陽敏感器孔徑對應(yīng)的光斑，對整個像面進行逐行掃描，當(dāng)發(fā)現(xiàn)連續(xù)m個或者m個以上像素都大于閾值，則認(rèn)為光斑出現(xiàn)了。m值要小于孔徑的大小，連續(xù)m個的目的是排除噪聲的影響。
[0038]假設(shè)逐行掃描到某像元，已經(jīng)出現(xiàn)連續(xù)m個或者m個以上的灰度值大于與閾值的像元，并且下一個像元度值小于閾值，則記下此時的像元位置Q(χ0, %)，以Q點為基準(zhǔn)，確定探測窗口記為FEGH,探測窗口的位置為:
[0039](x0-Lp ^ x0 ^ x0+Rp, y0-Up ≤ y0 ≤ y0+Dp)
[0040]其中:Lp為Q點列值距離探測窗口最左側(cè)像元列值的距離；
[0041]Rp為Q點列值距離探測窗口最右側(cè)像元列值的距離；
[0042]Up為Q點行值距離探測窗口最上側(cè)像元行值的距離；
[0043]Dp為Q點行值距離探測窗口最下側(cè)像元行值的距離。
[0044]質(zhì)心計算過程中，開辟兩個小塊存儲空間，一塊用來存儲Lp行像元的位置和灰度值的空間即可，該存儲空間隨著行掃描的進行，不斷的被覆蓋，直到找到Q點之后停止存儲。第二塊空間對位置處于探測窗口內(nèi)的其余像元，進行位置和灰度值的存儲。
[0045]步驟四:對第一次探測窗口進行優(yōu)化，確定第二次探測窗口的位置；
[0046]對第一次探測窗口內(nèi)的像元進行質(zhì)心計算，得到第一次質(zhì)心位置(xf，yf)，以(xf, yf)為中心，確定第二次探測窗口的位置，第二次探測窗口的位置滿足兩個條件，一是(xf, yf)位于探測窗口的中心位置，二是第二次窗口包含在第一次窗口內(nèi)并且窗口大小需要最大化。條件一是為了盡量使光斑位于探測窗口中心，減少噪聲的計算結(jié)果的影響，條件二是為了包含整個光斑。
[0047]把第二次探測窗口作為最終的探測窗口，位置記為:(X1≤X≤Xr，yu≤y≤Yd)。
[0048]其中=X1 = xf-min(xf-x0+Lp, x0+Rp-xf) !X1作為最終探測窗口左側(cè)的坐標(biāo)點；
[0049]xE = xf+min (xf-x0+Lp, x0+Rp-xf) ;χκ作為最終探測窗口右側(cè)的坐標(biāo)點；
[0050]yu = yf-min (yf-y0+Up, y0+Dp-yf) ；yu作為最終探測窗口上側(cè)的坐標(biāo)點；
[0051]yd = yf+min(yf-y0+Up, y0+Dp-yf) ；yd作為最終探測窗口下側(cè)的坐標(biāo)點；
[0052]步驟五:光斑質(zhì)心計算；
[0053]對最終探測窗口內(nèi)的像元進行質(zhì)心計算。[0054]【具體實施方式】二、本實施方式為【具體實施方式】一所述的基于探測窗口的數(shù)字太陽敏感器質(zhì)心計算方法的實施例:
[0055]步驟一:自動閾值確定；
[0056]對灰度值大于O的像元進行加和求平均，作為下幀圖像的閾值:
【權(quán)利要求】
1.基于探測窗口的數(shù)字太陽敏感器質(zhì)心計算方法，其特征是，該方法由以下步驟實現(xiàn): 步驟一、自適應(yīng)閾值確定； 對圖像傳感器輸出的圖像進行采集，采集的同時對圖像的像元灰度值大于O的像元進行加和求平均，獲得的結(jié)果作為下一幀圖像的閾值； 步驟二、確定第一次探測窗口的位置； 對整個像面進行逐行掃描，當(dāng)連續(xù)掃描m或者m以上的像元灰度值大于閾值，并且下一個像元的灰度值小于閾值時，記錄該像元位置Q(X(l，y0),以Q點為基準(zhǔn)，確定第一次探測窗口的位置，所述第一次探測窗口的位置為:
(X0-Lp ≤ Xc!≤ x0+Rp, Y0-Up ≤ y?！躽0+Dp); 上式中=Lp為Q點列值距離探測窗口最左側(cè)像元列值的距離； Rp為Q點列值距離探測窗口最右側(cè)像元列值的距離； Up為Q點行值距離探測窗口最上側(cè)像元行值的距離； Dp為Q點行值距離探測窗口最下側(cè)像元行值的距離；所述m的值小于太陽敏感器孔徑的大??； 步驟三、對第一次探測窗口進行優(yōu)化，確定第二次探測窗口的位置； 對第一次探測窗口內(nèi)的像元進行質(zhì)心計算，得到第一次質(zhì)心位置(xf，yf)，以(xf，yf)為中心，確定第二次探測窗口的位置，實現(xiàn)對第二次探測窗口內(nèi)的像元進行光斑質(zhì)心計算，所述第二次探測窗口的位置記為:(X1≤X≤X1^ yu≤y≤yd)； 其中= xf-min(xf-x0+Lp, x0+Rp-xf) ；xx作為最終探測窗口左側(cè)的坐標(biāo)點； xE = xf+min (xf-x0+Lp, x0+Rp-xf) ;χκ作為最終探測窗口右側(cè)的坐標(biāo)點； yu = yf-min (yf-y0+Up, y0+Dp-yf) ;yu作為最終探測窗口上側(cè)的坐標(biāo)點； yd = yf+min(yf-y0+Up, y0+Dp-yf) ;yd作為最終探測窗口下側(cè)的坐標(biāo)點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于探測窗口的數(shù)字太陽敏感器質(zhì)心計算方法，其特征在于，步驟二中包括確定第一探測窗口的大小，所述第一次探測窗口的大小要包含整個光斑，如果光斑沒有衍射擴散，則幾何像斑的大小等于太陽敏感器孔徑尺寸與孔徑高度乘以太陽張角的正弦的和，如果光斑有衍射擴散，則第一次探測窗口大小大于衍射后最大實際光斑。
【文檔編號】G01C25/00GK104034353SQ201410250554
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】鄭曉云, 王天聰, 張貴祥, 徐偉, 鐘興, 金光 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所