[发明专利]针对拖尾星像数值模拟的离散点间隔的优化确定方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种针对拖尾星像数值模拟的离散点间隔的优化确定方法，属于图像分析领域，是一项实现动态星图模拟的优化技术。

(二)背景技术

星敏感器是飞行器主要的姿态测量装置之一，其工程应用最大的瓶颈性制约因素是载体机动导致的动态成像拖尾。星模拟器是星敏感器的试验测试装置，星敏感器动态图像的处理能力的检验测试，需要星模拟器生成具有拖尾特征的动态星图。星像动态拖尾已严重影响到星敏感器的功能，不可以再利用静态星图序列检验捷联星敏感器算法的动态适应能力。

当星敏感器相对惯性系绝对静止时，静态星像呈近似圆形，能量近似为二维高斯分布，如图1所示。如果捷联载体相对惯性系存在姿态机动，则在星敏感器本体产生相应的三轴角速率，导致动态成像拖尾。理想拖尾星像覆盖范围内任一像素的能量，是幅值衰减的高斯点扩散函数沿拖尾轨迹的线积分，但程序中做线积分时间长，难以保障实时性。

工程应用中，动态星像模拟通常采用快速的数值积分方法，根据星敏感器三轴姿态、三轴角速率及光学系统模型，在成像面的拖尾轨迹上设定有限个离散位置点，以这些离散位置点为中心，建立二维高斯灰度点扩散函数，对所有高斯点扩散函数作叠加，即可模拟出星敏感器视场内任一星的动态拖尾星像，如图2所示，图中星k相对星敏感器本体具有相对角运动。拖尾轨迹上离散位置点间隔的大小直接影响模拟拖尾星像的相似性，离散位置点间隔过长，叠加结果将产生纹波噪声，如图3所示。因此，针对动态拖尾星像数值模拟，采用这种离散点间隔的优化确定方法，可以达到兼顾实时性和相似性的模拟仿真效果。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种针对拖尾星像数值模拟的离散点间隔的优化确定方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

设某拖尾星像中心轨迹为一弧段，在该弧段上选取有限个离散位置采样点，作为二维高斯灰度点扩散函数的中心，将这些高斯点扩散函数作叠加。通过仿真发现，点间隔越小，叠加后的结果纹波幅度越小，且越接近积分形式的理想拖尾星像外廓，随着点间隔增大，叠加结果的纹波幅度也会增大。当采样点间隔不大于二维高斯分布的均方差σ时，各离散位置点的高斯分布叠加后得到平滑的轮廓曲面。由于二维高斯分布中两个自变量概率分布相互独立，只针对一维高斯分布进行分析的结果不失一般性，图4为不同离散点间隔情况下离散高斯函数曲线叠加得到的外廓仿真图，离散点间隔为2σ和4σ情形，叠加后的轮廓曲线都有纹波，而0.5σ和1σ情形则没有纹波。

(四)附图说明

图1为静态星像的灰度二维高斯分布仿真图；

图2为动态拖尾成像机理及数值模拟方法示意图；

图3为离散点间隔大于1σ情形下二维高斯点扩散函数叠加结果仿真图；

图4为不同间隔情况下离散高斯函数曲线叠加得到的外廓图；

(五)具体实施方式

下面结合附图4举例对本发明作更进一步的描述和说明：

设某拖尾轨迹为x轴上从-10到10的一条线段，分别以4σ、2σ、1σ、0.4σ为间隔，在该拖尾轨迹上选取有限个离散位置采样点，作为高斯灰度点扩散函数的中心，将这些高斯点扩散函数作叠加。由于二维高斯分布中两个自变量概率分布相互独立，只针对一维高斯分布进行分析的结果不失一般性。通过一维高斯分布仿真发现，点间隔越小，叠加后的曲线纹波幅度越小，且越接近数学积分计算获得的理想拖尾星像外廓，随着点间隔增大，叠加结果的纹波幅度也会增大。当采样点间隔等于1σ时，离散位置点的高斯分布曲线叠加后的轮廓曲线则非常平滑，纹波幅度小于10^-7，如附图4所示。

考察间隔为1σ的叠加轮廓近似拖尾曲线，与理想拖尾曲线比较计算，两条曲线的相关系数R＝0.9883，两条曲线的欧氏距离(均方根误差)RMS＝0.0683。因此，以间隔1σ的静态高斯函数序列叠加所成的近似拖尾外廓线代替理想拖尾曲线，具有足够的相似度。

这里需要说明两点：①由于成像阵列为平面，而不是曲率半径为焦距的弧面，则光积分时段内拖尾速度有变化，要求在拖尾速度最快一端的离散点间隔保障不大于1σ，在采样时间相等条件下其它离散点间隔则小于1σ；②计算拖尾长度，划分出整数个采样点间隔，而且在拖尾速度最快一端的离散点间隔要保障不超过1σ，若产生采样点间隔为小数的划分情形，则会造成叠加后拖尾星像的中心位置偏移。

过多的间隔数量可以保证叠加后无纹波，但会增加数值仿真的计算时间，间隔的数量过少虽然可以降低计算量，但如果出现间隔长度超过1σ的情形，则会产生纹波噪声。因此，优化的方法是最长间隔接近于1σ，同时整个拖尾中心轨迹弧段又能保证划分出整数个间隔。