一种ccd像素位置偏差计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及星敏感器领域，特别涉及一种C⑶像素位置偏差计算方法。
【背景技术】
[0002] 星敏感器是卫星姿态测量领域的一种重要仪器，它是以恒星为参考物进行姿态测 量的敏感器件，以光敏感元件为核心的光电转换测量系统。它通过测量星点像之间的角距 来进行星图识别，从而根据自己相对天球上恒星的位置来确定卫星姿态。而星点像的质心 定位精度是决定姿态测量精度的关键因素。
[0003] 当前星敏感器中质心定位多采用高斯拟合或者直接计算重心方法完成。目前人们 研宄星敏感器只考虑CCD(Charge_coupled Device，电荷親合元件）像素的量子效率和噪 声的不均匀性，而没有研宄CCD像素位置的不均匀性，事实上CCD像素的位置偏差对星像质 心定位的精度影响较大。仿真显示，如果将CCD像素位置偏差加入到星敏感器的星点像质 心计算过程中，质心定位精度能够有几倍到一个数量级的提升。因此如果能够计算出CCD 像素的位置偏差，就可以在不增加星敏感器硬件资源的前提下使得其姿态测量精度提升数 倍甚至一个量级，所以测量CCD像素位置偏差对于开发先进的星敏感器有着迫切需求，现 有技术中还没有行之有效的方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服已有技术中的缺陷，从而提供一种能够得到高精度的像素 位置偏差的计算方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种CCD像素位置偏差计算方法，包括：
[0006] 步骤1)、在CXD表面产生一组纵向动态干涉条纹，CXD在一段时间内以固定帧频曝 光产生多组纵向动态干涉条纹图像；
[0007] 步骤2)、对步骤1)获得的纵向动态干涉条纹图像进行处理，得到每个像素的输出 在同一时刻所处的相位；
[0008] 步骤3)、利用步骤2)所得到的同一时刻所有像素的相位，结合纵向动态干涉条纹 的移动方向计算同一时刻每个像素与第一个像素之间的相位差；
[0009] 步骤4)、利用步骤3)所得到的相位差，结合CCD像素的尺寸计算得到纵向动态干 涉条纹的波矢量以及所有像素的横向位置偏差；
[0010] 步骤5)、在CXD表面产生一组横向动态干涉条纹，CXD在一段时间内以固定帧频曝 光产生多组横向动态干涉条纹图像；
[0011] 步骤6)、对步骤5)获得的横向动态干涉条纹图像进行处理，得到每个像素的输出 在同一时刻所处的相位；
[0012] 步骤7)、利用步骤6)所得到的同一时刻所有像素的相位，结合横向动态干涉条纹 的移动方向计算同一时刻每个像素与第一个像素之间的相位差；
[0013] 步骤8)、利用步骤7)所得到的相位差，结合CCD像素的尺寸计算得到横向干涉条 纹的波矢量以及所有像素的纵向位置偏差。
[0014] 上述技术方案中，所述纵向动态干涉条纹的条纹间距至少大于两倍像素间距，纵 向动态干涉条纹的对比度大于0. 7 ;纵向动态干涉条纹在CCD表面的移动速率vl，像素尺寸 d，帧频f，应满足以下关系： 2vl r
[0015] - </；
[0016] 所述横向动态干涉条纹的条纹间距至少大于两倍像素间距，纵向动态干涉条纹的 对比度大于〇. 7 ;横向动态干涉条纹在CCD表面的移动速率v2,像素尺寸d，帧频f，应满足 以下关系：
[0017] < f
[0018] 上述技术方案中，在步骤2)与步骤6)中，采用最小二乘法拟合求得每个像素的输 出在同一时刻所处的相位。
[0019] 上述技术方案中，所述步骤3)包括：
[0020] 用Pmn表示C⑶第m行第η列的像素，Wmn表示步骤2)中得到的C⑶第m行第 η列像素的相位，φ。表示C⑶第m行第η列像素的实际相位；设^11为像素 pn的实际相 位，即cPil =炉11;对于像素 P11的相邻像素 P 12，若条纹传播方向是从P11传到P 12的，那么 Cpi1 - π < φ?2 < Cpi1，由于已知屮"与少廳有数个周期的偏差，即φ。= + i * 2π，结 合这两个式子求出φ?2;若条纹传播方向是从P12传到P η的，那么Ti1 < φ?2 < CPi1 + ^结 合屮?腿=+?*2π，求出φ?2;
[0021] 求出所有像素的实际相位；
[0022] 计算像素 pmn与第一个像素 ρ η间的相位差，即= cpU - φ?ι
[0023] 上述技术方案中，所述步骤4)进一步包括：
[0024] 步骤4-1)、像素的相位由下面的公式决定：
[0025]
【主权项】
1. 一种CCD像素位置偏差计算方法，包括： 步骤1)、在CCD表面产生一组纵向动态干设条纹，CCD在一段时间内W固定帖频曝光产 生多组纵向动态干设条纹图像； 步骤2)、对步骤1)获得的纵向动态干设条纹图像进行处理，得到每个像素的输出在同 一时刻所处的相位； 步骤3)、利用步骤2)所得到的同一时刻所有像素的相位，结合纵向动态干设条纹的移 动方向计算同一时刻每个像素与第一个像素之间的相位差； 步骤4)、利用步骤3)所得到的相位差，结合CCD像素的尺寸计算得到纵向动态干设条 纹的波矢量W及所有像素的横向位置偏差； 步骤5)、在CCD表面产生一组横向动态干设条纹，CCD在一段时间内W固定帖频曝光产 生多组横向动态干设条纹图像； 步骤6)、对步骤5)获得的横向动态干设条纹图像进行处理，得到每个像素的输出在同 一时刻所处的相位； 步骤7)、利用步骤6)所得到的同一时刻所有像素的相位，结合横向动态干设条纹的移 动方向计算同一时刻每个像素与第一个像素之间的相位差； 步骤8)、利用步骤7)所得到的相位差，结合CCD像素的尺寸计算得到横向干设条纹的 波矢量W及所有像素的纵向位置偏差。
2. 根据权利要求1所述的CCD像素位置偏差计算方法，其特征在于，所述纵向动态干设 条纹的条纹间距至少大于两倍像素间距，纵向动态干设条纹的对比度大于0. 7 ;纵向动态 干设条纹在CCD表面的移动速率VI，像素尺寸山帖频f，应满足W下关系： 争</; 所述横向动态干设条纹的条纹间距至少大于两倍像素间距，纵向动态干设条纹的对比 度大于0. 7 ;横向动态干设条纹在CCD表面的移动速率v2,像素尺寸d，帖频f，应满足W下 关系： 等</。
3. 根据权利要求1所述的CCD像素位置偏差计算方法，其特征在于，在步骤2)与步骤 6)中，采用最小二乘法拟合求得每个像素的输出在同一时刻所处的相位。
4. 根据权利要求1所述的CCD像素位置偏差计算方法，其特征在于，所述步骤3)包括： 用Pm。表示CCD第m行第n列的像素，斯nn:表示步骤2)中得到的CCD第m行第n列 像素的相化拇mr表示CCD第m行第n列像素的实际相位；设化1为像素P。的实际相 化即如1 =與11;对于像素Pii的相邻像素P12,若条纹传播方向是从Pii传到P。的，那么 柏1-TC<柄2 <的1，由于已知輪。与机m有数个周期的偏差，即如roi二机TOI+i* 271，结 合该两个式子求出柏2;若条纹传播方向是从Pi2传到Pn的，那么柏1 <柏2 <柏1 +江，结 合中為n=机+ ,; * 2n，求出的2; 求出所有像素的实际相位； 计算像素IV与第一个像素P11间的相位差A机nn，即A仍nn=如nn-中;1。
5. 根据权利要求1所述的CCD像素位置偏差计算方法，其特征在于，所述步骤4)进一 步包括： 步骤4-1)、像素的相位由下面的公式决定：
(3) 其中，为像素IV的实际相位，分别为纵向干设条纹波矢量的横向和 纵向分量，机为相位初始值，（m,n)为像素Pm。的行列值，（Xm。，yj为第m行第n列的像素 的实际位置坐标值； 两个像素之间的相位差与它们沿波矢量方向的距离成正比；
(4) 步骤4-2)、对于纵向干设条纹fcfet二0由公式（4)得到下式；
(5) 由于（m，n)与（Xm"，yJ的差值很小，暂且忽略，用（m，n)来替代上式中的（x_"，yj，由 公式（5)得到下式：
根据上式，利用步骤3)中得到W及它的坐标（m，n)，使用最小二乘法拟合得 到干设条纹的波矢量 步骤4-3)、设像素P。的位置没有偏差，即= (1，1)，则由公式（5)有：
上式中的Ay"Jfc是所要求的像素的横向位置偏差。
6. 根据权利要求1所述的CCD像素位置偏差计算方法，其特征在于，所述步骤8)进一 步包括： 步骤8-1)、像素的相位由下面的公式决定：
(3) 其中，q4n为像素IV的实际相位，/cfet、分别为纵向干设条纹波矢量的横向和 纵向分量，<^0为相位初始值，（m，n)为像素IV的行列值，（Xm。，y_J为第m行第n列的像素 的实际位置坐标值； 两个像素之间的相位差与它们沿波矢量方向的距离成正比； (4) 步骤8-2)、对于横向干设条纹:/c]ret= 0,由公式（4)得到下式：
(10) 由于（m，n)与（x_"，ym。）的差值很小，暂且忽略，用（m，n)来替代上式中的（x_"，yj;由 公式（10)得到下式：
(11) 利用公式（11)得：
根据上式，利用步骤7)中得到的横向干设条纹每个像素与第一个像素之间的相位差A取W及它的坐标（m，n)，使用最小二乘法拟合得到干设条纹的波矢量呼et; 步骤8-3)、设像素P。的位置没有偏差，即= (1，1)，则由公式（10)有：
上式中的Ax"Jfc是所要求的像素的纵向位置偏差。
【专利摘要】本发明涉及一种CCD像素位置偏差计算方法，包括：在CCD表面产生一组纵向动态干涉条纹，CCD在一段时间内以固定帧频曝光产生多组纵向动态干涉条纹图像；对纵向动态干涉条纹图像进行处理，得到每个像素的输出在同一时刻所处的相位；结合纵向动态干涉条纹的移动方向计算同一时刻每个像素与第一个像素之间的相位差；利用相位差，结合CCD像素的尺寸计算得到纵向动态干涉条纹的波矢量以及所有像素的横向位置偏差；求所有像素的纵向位置偏差。本发明的方法有效地利用了动态干涉条纹数据，可以精确的计算出所有像素同一时刻的相位，从而得到高精度的像素位置偏差。
【IPC分类】H04N17-00
【公开号】CN104796689
【申请号】CN201510160896
【发明人】李保权, 曹阳, 李海涛
【申请人】中国科学院空间科学与应用研究中心
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月7日