中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
本文研究了卷帘快门式CMOS成像器件在拍摄星图时引入的快门效应。根据卷帘快门CMOS图像传感器的成像原理和特点, 分析了星图中由于快门效应导致的星点变化情况，对该成像方式引入的图像变形，提出了一种像移补偿方法。该方法在已知星图拍摄帧频、CMOS图形传感器相邻行曝光时间间隔的基础上，通过对相邻星图中的星点进行目标提取、质心计算以及星点质心匹配等操作，完成景物在像面上像移速度的计算，最后结合该速度值和CMOS图像传感器的行曝光时间间隔，计算星点质心在单帧星图中的像移，逆向补偿。通过实际拍摄的星图对算法的效果进行测试，实验结果表明，利用补偿后的星图解算姿态数据时，其中非机动模式下与两个星敏的夹角误差可达到0.5″以内，机动模式下与两个星敏的夹角误差也可达到0.6″左右，不仅明显优于补偿前，且精度高于很多目前主流的星敏感器。该实验结果不仅证明了算法的有效性，而且在一定程度上推广了卷帘快门式CMOS 相机在航空航天领域的应用。
CMOS图像传感器 卷帘快门 星图 星点提取 星点匹配 CMOS image sensor rolling shutter star map star extraction star point matching
1 北京空间机电研究所, 北京 100094
2 北京航空航天大学, 北京 100083
针对星相机在轨因卫星运动和曝光时间设定的动态条件引起的星点模糊导致星点提取精度下降的问题, 提出一种动态星点坐标确定误差补偿方法, 利用在星相机光学系统入瞳前加入阶梯玻璃的手段实现了提高星相机摄星指向精度的目的。地面标定和在轨测试表明, 星相机指向精度优于1″, 验证了该方法的有效性, 具有一定的应用价值。
亚秒级星相机 动态星点坐标确定 误差补偿 subarcsec star camera dynamic star point coordinates error compensation
1 北方工业大学电子信息工程学院，北京 100144
2 北京控制工程研究所空间智能控制技术国家重点实验室, 北京 100190
为了解决星点在实际成像过程中能量分布的偏正态分布问题，提高星点中心的定位精度，提出了基于偏正态分布模型的点扩展函数（PSF）相关算法。该算法根据实际星图中星点的能量分布特征，建立与之相对应的 PSF，利用相关的原理，找到与星点能量分布相似度最高的 PSF，通过确定对应PSF的最大值位置实现对星点中心的定位。实验结果表明，在星图噪声为N(0,0.001)的仿真条件下，且星点中心在1 pixel 内随机分布时，偏正态 PSF 相关法的星点中心平均定位精度可达到0.04 pixel，远小于质心法0.4 pixel和高斯曲面拟合法的1.03 pixel。由实验结果可知，该算法定位精度高于质心法和高斯曲面拟合法，具有较好的抗噪声性和稳定性，提高了星点中心定位精度。
图像处理 偏正态分布 点扩展函数相关法 星点能量分布 质心法 高斯曲面拟合法 激光与光电子学进展
2016, 53(5): 051002
1 长春理工大学，长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心，长春 130022
对星模光学系统中各种像差对几何中心位置的影响及像差对显示星点能量中心位置造成的偏差进行了分析与综合评估.分析结果表明，视场位置越大的星点产生的像点能量越不均匀，重心偏移越明显，系统中慧差和畸变对于星点能量中心影响较大.根据球面镜组成的共轴光学系统性质可知，能量中心的偏移发生在星点所在极半径方向上，因此提出了一种基于极坐标的星点位置修正方法，只需在星点所在方向对极半径进行修正.该方法简化了基于二维坐标轴分区修正的过程，减少了数据计算量.利用极坐标修正方法对星模拟器修正前后的单星位置误差进行了测试，实验结果表明极坐标修正过程较以往修正方法简单快捷，且修正结果更加准确.
星模拟器 像差 极坐标 星点 能量中心 修正 Star simulator Correction Polar coordinates Star point Energy center Aberration
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 小卫星技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
本文对星敏感器的姿态参数进行仿真计算，实现了观测星的提取及星图模拟。根据二维高斯分布模型对星点进行灰度弥散; 考虑了噪声等因素的影响，实时模拟星敏感器在轨状态下拍摄星空的真实星图。实验证明，通过仿真模拟在轨运行卫星所拍摄的星图，可以为星敏感器星点提取、星图识别、姿态解算等功能算法提供验证。
星敏感器 星图模拟 二维高斯分布 星点灰度弥散 噪声影响 star sensor star-map simulation 2D Gaussian distribution gray dispersion of star point effects of noises
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心, 吉林 长春 130022
针对星敏感器系统的地面测试要求，设计一种大视场高精度静态星模拟器。根据静态星模拟器的工作原理，确定模拟器具有出瞳外置的准直光学系统。结合技术指标，在Zemax 平台上优化设计了具有良好成像质量的光学系统，设计结果为：系统焦距99.988 mm，视场达到Φ39°, 畸变小于0.1%，实现高精度静态星模拟器精确模拟星点。提出了依照光学系统像差确定星点板上各星点刻划位置的方法，避免多次刻划星点板的过程。对设计的系统进行测试，从测试结果看：设计的大视场星模拟器的成像精度达到15″，可以满足对星敏感器地面标定的使用需要。
光学设计 星敏感器 星模拟器 星点板 激光与光电子学进展
2014, 51(5): 052202
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院 研究生院，北京 100039
为满足单个或一批次测绘相机的标定，提出了一种利用已知坐标值的星点对测绘相机进行标定的方法。介绍了该方法的原理以及计算步骤，给出了实验过程。该方法建立在小孔成像的基础上，通过各个坐标系的相互转换，建立起星点坐标和像素坐标之间的联系，以此求解相机内方位元素。与基于平行光管和精密转台的精密测角法相比，该方法不需要昂贵的实验设备，且简化了标定步骤。最后，对标定精度进行了分析，讨论了噪声扰动和已知内方位元素误差对标定结果的影响。分析结果表明，采用该标定方法，相机的主点精度优于3 μm(1/3 pixel)，主距精度优于7 μm(小于1 pixel)，满足标定精度要求。
相机标定 星点 内方位元素 标定精度 camera calibration star point inner orientation element calibration precision
研制了一台高质量的激光远场CCD诊断仪(LFCD)，准备用于实时监测φ250mm高功率激光系统的远场光学性能，以评价激光系统末端输出光束的可聚焦能力。用一台1．06μm连续输出的半导体泵浦固体激光器，扩束成φ360mm理想平行光源初检LFCD，获得此仪器的可聚焦能力优于1．2倍衍射极限，此弥散角内包含的能量占总光能的70％～80％。仪器的调焦精度≤±0．1mm，在聚焦镜焦深的范围之内。
激光远场发散角 衍射极限宽度 星点象
