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空间天文望远镜精细导星高速处理技术研究

【摘要】: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、光轴振动及漂移模型,分析各误差源对星斑质心定位精度的影响,提出精细导星仪性能参数。3)为了抑制噪声对质心定位精度的影响,设计了25阶低通FIR滤波器,滤除高频噪声,提高星斑质心定位精度。针对杂光干扰提出递推背景阈值分割算法,可以在不损失星斑能量的前提下有效提取出非均匀背景下的导航星斑。4)针对质心定位系统误差,使用v-SVR支持向量回归的方法对系统误差进行了曲线拟合,提高质心定位精度。5)为了提高导航星质心提取的速度,在FPGA中实现了一种新的星点质心提取方法,以连通域动态合并的方式实时提取星点目标。6)使用基于灰度拉伸的改进Radon变换算法和迭代盲复原算法对星斑进行复原,提高动态星斑质心定位精度。7)提出一种层叠式自组织映射(SOM)神经网络算法模型,将该模型在硬件中实现星特征矢量匹配算法。8)搭建实验系统对精细导星仪各项性能进行了验证。实验结果表明精细导星仪静态星斑测量精度可达1/32 pixel,动态星斑测量精度可达1/25 pixel,测量帧频大于80 Hz。本文的创新点在于:1提出一种复杂工况环境下天文望远镜精密稳像系统中面阵为2048 pixel×2048 pixel、帧频大于80 Hz、高实时性、高精度的精细导星高速处理技术解决方案。对精细导星仪中星探测能力、星图获取、星图预处理、和星提取等关键链路进行了分析与讨论。2搭建了一套精细导星仪原型样机,针对精细导星仪实际工况设计了星图滤波、阈值选取、高精度质心定位,高速局部天区星图识别等算法,同时优化算法、设计合理的并行处理流水线结构,并在硬件FPGA内部得以实现,使系统处理速度可以达到80 Hz,系统集成度高,体积小。3设计了精细导星系统地面试验验证装置,测试了系统帧频、噪声等成像性能,并对实时星斑质心提取的实时性以及静态和动态星斑质心测量精度进行了测试,测试结果表明精细导星仪的静态和动态星斑定位精度都满足理论模型。为空间天文望远镜精细导星仪的设计与实现做出前瞻性探索。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TH751

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【参考文献】
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