基于高精度星敏感器的星圖降噪研究

李真真+李瑞賢

摘 要 星圖降噪是星敏感器獲取星點像位置坐標的過程，星圖降噪的程度直接決定了星敏感器姿態測量精度。噪聲的來源主要有：星空背景噪聲、分子噪聲、電子噪聲等，為了減小噪聲的影響，分析了星圖噪聲來源及特性；比較了三種拉普拉斯算子模板的降噪效果；并提出了模板結合檢測邊緣。試驗表明：Laplacian算子對噪聲具有無法接受的敏感性，它的幅值產生雙邊緣，不能檢測邊緣的方向；LOG算子卷積模板比較大，計算比較復雜；改進模板具有較好的邊緣檢測性能和抗噪性能。

關鍵詞 星敏感器 星圖降噪 邊緣檢測 Laplacian算子 目標提取

中圖分類號：U491 文獻標識碼：A

0引言

星敏感器定位精度是星敏感器最重要的性能指標。噪聲是影響星敏感器定位精度的重要因素。實際應用中所獲得的圖像一般都會由于各種原因受到一定程度的干擾和損害，從而使圖像中包含噪聲信號。這些噪聲惡化了圖像質量，使圖像模糊，甚至淹沒特征，給分析帶來困難。

導航星的定位精度是星敏感器中最重要的精度指標，是星敏感器整體測量精度的基礎和保證，將直接影響姿態角測量精度、光軸指向精度和系統噪聲等效角。本論文主要就如何降低噪聲，提高信噪比進行了討論。

1噪聲來源及分析

星圖噪聲的來源主要有：星空背景噪聲、分子噪聲、電子噪聲等。由于CCD器件本身問題而產生，與成像無關的電子噪聲，如熱電子噪聲等，這部分噪聲信號無法和有用信號加以區別，這部分噪聲不考慮，本文主要考慮的是星空背景噪聲。

星空背景噪聲主要有：

（1）太陽雜光。太陽光進入系統入口（遮光罩），經系統內表面的多次反射、折射或衍射到達接收器。太陽雜光屬平行入射雜光。

（2）地氣雜光。地氣光直接或經衛星及其外部儀器壁面反射而進入系統入口（遮光罩），經系統內表面的傳遞最終到達接收器。地氣雜光屬漫入射雜光。

（3）內部雜光。系統內輻射源（如小電機、溫控熱源及光學元件等）產生的紅外射線，經傳遞最終到達接收器。

2基于微分算子的邊緣檢測

2.1基于二階微分的邊緣檢測算子

Laplacian（拉普拉斯）算子是根據經過平滑的階躍型邊緣二階導數在邊緣點處是過零函數的原理構造的。拉普拉斯算子是二階導數的二維等效式。

二維拉普拉斯數字實現可由這兩個分量相加得到：

可得到近似拉普拉斯算子的邊緣濾波。

拉普拉斯算了的特點是：各向同性、線性和位移不變性，對細線和孤立點的檢測效果好。其缺點是：邊緣的方向信息丟失，常產生雙像素的邊緣，對噪聲有雙倍加強作用。由于拉普拉斯算子是二階導數運算，與只包含一階導數的算子相比，它對噪聲更加敏感，增強了噪聲對圖像的影響，因此在實際應用中通常需要先對圖像進行濾波平滑處理。

2.2星圖噪聲消除

處理后圖像灰度值均擴大大約16倍，導致處理后的方差會變大；由于中間值為4，處理后圖像灰度值擴大4倍左右，但是在邊緣檢測濾波中就明顯的不足；中間值為8，雖然其在濾波后方差是最為樂觀的，但是其缺點是會產生雙邊緣。本文根據目標星點的特點（3～5個像素單元）將結合LOG算子具有平滑作用的特點，對模板算子進行改進，處理結果方差是最小的，降噪效果最佳。

3結論

試驗表明：Laplacian算子對噪聲具有無法接受的敏感性，它的幅值產生雙邊緣，不能檢測邊緣的方向；LOG算子卷積模板比較大，計算比較復雜；改進模板具有較好的邊緣檢測性能和抗噪性能，且卷積模板大小是Laplacian模板的尺寸，計算比LOG簡單。

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