[发明专利]高动态范围恒星探测成像方法及星敏感器

说明书

本发明公开一种高动态范围恒星探测成像方法及星敏感器，其中的探测成像方法包括：S1、用分光棱镜将光学镜头收集的星光能量按能量比例分配为至少两条不同响应度的光路；S2、至少两条不同响应度的光路分别通过一路图像传感器同步进行光电转换，形成不同响应度的低动态范围图像；S3、通过图像处理与控制电路提取出各幅低动态范围图像内不同亮度等级的恒星的有效灰度信息，合成高动态范围的数字星图。利用本发明能够实现星敏感器的高灵敏度、高分辨率、高动态范围的恒星探测。

技术领域

本发明涉及姿态测量敏感设备及星敏感器技术领域，特别涉及一种高动态范围恒星探测成像方法及星敏感器。

背景技术

星敏感器的测量原理是通过对星空成像来测量恒星矢量在星敏感器坐标系中的分量，再利用已知恒星精确位置来确定载体相对于惯性坐标系的三轴姿态。星敏感器以探测恒星作为测量基础，其通过光学系统和图像传感器进行恒星探测，以保证视场内有足够的可用星数目，再进行目标提取、星识别、姿态计算等信息处理。当星敏感器的探测极限星等不高时，通过增加视场可保证足够的可用星数目，这时图像传感器的成像动态范围尚可满足同时探测亮星和暗星的需要。但在一些应用领域中，小视场的星敏感器的测量精度更高，这时就需要提高星敏感器的灵敏度和探测极限星等来保证可用星数目，此时需要探测的恒星亮度范围将超出图像传感器本身的动态范围，同一幅图像内无法兼顾亮星和暗星，造成星图中亮星灰度饱和或暗星不可见的情况，不利于星图的目标提取和星识别。

当亮星和暗星出现在同一幅图像中时，要求星敏感器具备高动态范围(HighDynamic Range，HDR)的成像能力。对于图像传感器来说，动态范围可定义为最大不饱和的输入信号与最小可检测的输入信号之比。对于星敏感器来说，动态范围可理解为可探测到的最亮不饱和恒星辐照度与可探测最暗恒星辐照度之比。按照这样的定义，以恒星星等作为目标能量衡量标准，假设恒星探测范围从-1等到13等，则要求的成像动态范围已达112dB。目前在世界范围内，图像传感器(成像器件)所能达到的最高动态范围一般为90dB左右，只凭借成像器件自身特性难以实现这样的超大动态范围成像。而在HDR成像领域常用的多次曝光合成法需对同一场景分时多次曝光，该方法时间分辨率会下降，导致星敏感器数据更新率降低，且易在HDR图像上产生伪像，不适合高动态载体测姿。数字微镜器件成像法、探测器像元合成法等方法虽然能够扩展成像动态范围，但是都有其局限性，不适合在星敏感器中应用。因此要实现星敏感器的高动态范围恒星探测，需要一种全新的星敏感器设计思路。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题，提供一种高动态范围恒星探测成像方法及星敏感器。本发明可在不降低空间分辨率和时间分辨率的前提下，获取高动态范围的数字星图，使星敏感器可对亮星和暗星在同一幅星图中进行有效探测。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种高动态范围恒星探测成像方法，包括如下步骤：

S1、用分光棱镜将光学镜头收集的星光能量按能量比例分配为至少两条不同响应度的光路；

S2、至少两条不同响应度的光路分别通过一路图像传感器同步进行光电转换，形成不同响应度的低动态范围图像；

S3、通过图像处理与控制电路提取出各幅低动态范围图像内不同亮度等级的恒星的有效灰度信息，合成高动态范围的数字星图。

优选地，各图像传感器以积分时间中点在时间上对齐进行同步曝光获得不同响应度的图像。

优选地，通过分光棱镜镀膜改变各光路的能量比例，控制各路图像传感器所接收的光路的能量比例，获得多幅不同响应度范围的低动态范围图像。

优选地，通过各路图像传感器以不同曝光参数，来获得多幅不同响应度范围的低动态范围图像。

优选地，采用多个分辨率与像元尺寸相同而灵敏度不同的同系列图像传感器获得多幅不同响应度范围的低动态范围图像。