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(diǎn)像位置坐標(biāo)的過(guò)程，星圖降噪的程度直接決定了星敏感器姿態(tài)測(cè)量精度。噪聲的來(lái)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(lái)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(jié)合檢測(cè)邊緣。試驗(yàn)表明：Laplacian算子對(duì)噪聲具有無(wú)法接受的敏感性，它的幅值產(chǎn)生雙邊緣，不能檢測(cè)邊緣的方向；LOG算子卷積模板比較大，計(jì)算比較復(fù)雜；改進(jìn)模板具有較好的邊緣檢測(cè)性能和抗噪性能。

關(guān)鍵詞 星敏感器 星圖降噪 邊緣檢測(cè) Laplacian算子 目標(biāo)提取

中圖分類號(hào)：U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(biāo)。噪聲是影響星敏感器定位精度的重要因素。實(shí)際應(yīng)用中所獲得的圖像一般都會(huì)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(hào)。這些噪聲惡化了圖像質(zhì)量，使圖像模糊，甚至淹沒特征，給分析帶來(lái)困難。

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

1噪聲來(lái)源及分析

星圖噪聲的來(lái)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(wèn)題而產(chǎn)生，與成像無(wú)關(guān)的電子噪聲，如熱電子噪聲等，這部分噪聲信號(hào)無(wú)法和有用信號(hào)加以區(qū)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(yáng)雜光。太陽(yáng)光進(jìn)入系統(tǒng)入口（遮光罩），經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)表面的多次反射、折射或衍射到達(dá)接收器。太陽(yáng)雜光屬平行入射雜光。

（2）地氣雜光。地氣光直接或經(jīng)衛(wèi)星及其外部?jī)x器壁面反射而進(jìn)入系統(tǒng)入口（遮光罩），經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)表面的傳遞最終到達(dá)接收器。地氣雜光屬漫入射雜光。

（3）內(nèi)部雜光。系統(tǒng)內(nèi)輻射源（如小電機(jī)、溫控?zé)嵩醇肮鈱W(xué)元件等）產(chǎn)生的紅外射線，經(jīng)傳遞最終到達(dá)接收器。

2基于微分算子的邊緣檢測(cè)

2.1基于二階微分的邊緣檢測(cè)算子

Laplacian（拉普拉斯）算子是根據(jù)經(jīng)過(guò)平滑的階躍型邊緣二階導(dǎo)數(shù)在邊緣點(diǎn)處是過(guò)零函數(shù)的原理構(gòu)造的。拉普拉斯算子是二階導(dǎo)數(shù)的二維等效式。

二維拉普拉斯數(shù)字實(shí)現(xiàn)可由這兩個(gè)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(diǎn)是：各向同性、線性和位移不變性，對(duì)細(xì)線和孤立點(diǎn)的檢測(cè)效果好。其缺點(diǎn)是：邊緣的方向信息丟失，常產(chǎn)生雙像素的邊緣，對(duì)噪聲有雙倍加強(qiáng)作用。由于拉普拉斯算子是二階導(dǎo)數(shù)運(yùn)算，與只包含一階導(dǎo)數(shù)的算子相比，它對(duì)噪聲更加敏感，增強(qiáng)了噪聲對(duì)圖像的影響，因此在實(shí)際應(yīng)用中通常需要先對(duì)圖像進(jìn)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(kuò)大大約16倍，導(dǎo)致處理后的方差會(huì)變大；由于中間值為4，處理后圖像灰度值擴(kuò)大4倍左右，但是在邊緣檢測(cè)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(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生雙邊緣。本文根據(jù)目標(biāo)星點(diǎn)的特點(diǎn)（3～5個(gè)像素單元）將結(jié)合LOG算子具有平滑作用的特點(diǎn)，對(duì)模板算子進(jìn)行改進(jìn)，處理結(jié)果方差是最小的，降噪效果最佳。

3結(jié)論

試驗(yàn)表明：Laplacian算子對(duì)噪聲具有無(wú)法接受的敏感性，它的幅值產(chǎn)生雙邊緣，不能檢測(cè)邊緣的方向；LOG算子卷積模板比較大，計(jì)算比較復(fù)雜；改進(jìn)模板具有較好的邊緣檢測(cè)性能和抗噪性能，且卷積模板大小是Laplacian模板的尺寸，計(jì)算比LOG簡(jiǎn)單。

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