基于高精度星敏感器的星图降噪研究

李真真+李瑞贤

摘 要 星图降噪是星敏感器获取星点像位置坐标的过程，星图降噪的程度直接决定了星敏感器姿态测量精度。噪声的来源主要有：星空背景噪声、分子噪声、电子噪声等，为了减小噪声的影响，分析了星图噪声来源及特性；比较了三种拉普拉斯算子模板的降噪效果；并提出了模板结合检测边缘。试验表明：Laplacian算子对噪声具有无法接受的敏感性，它的幅值产生双边缘，不能检测边缘的方向；LOG算子卷积模板比较大，计算比较复杂；改进模板具有较好的边缘检测性能和抗噪性能。

关键词 星敏感器 星图降噪 边缘检测 Laplacian算子 目标提取

中图分类号：U491 文献标识码：A

0引言

星敏感器定位精度是星敏感器最重要的性能指标。噪声是影响星敏感器定位精度的重要因素。实际应用中所获得的图像一般都会由于各种原因受到一定程度的干扰和损害，从而使图像中包含噪声信号。这些噪声恶化了图像质量，使图像模糊，甚至淹没特征，给分析带来困难。

导航星的定位精度是星敏感器中最重要的精度指标，是星敏感器整体测量精度的基础和保证，将直接影响姿态角测量精度、光轴指向精度和系统噪声等效角。本论文主要就如何降低噪声，提高信噪比进行了讨论。

1噪声来源及分析

星图噪声的来源主要有：星空背景噪声、分子噪声、电子噪声等。由于CCD器件本身问题而产生，与成像无关的电子噪声，如热电子噪声等，这部分噪声信号无法和有用信号加以区别，这部分噪声不考虑，本文主要考虑的是星空背景噪声。

星空背景噪声主要有：

（1）太阳杂光。太阳光进入系统入口（遮光罩），经系统内表面的多次反射、折射或衍射到达接收器。太阳杂光属平行入射杂光。

（2）地气杂光。地气光直接或经卫星及其外部仪器壁面反射而进入系统入口（遮光罩），经系统内表面的传递最终到达接收器。地气杂光属漫入射杂光。

（3）内部杂光。系统内辐射源（如小电机、温控热源及光学元件等）产生的红外射线，经传递最终到达接收器。

2基于微分算子的边缘检测

2.1基于二阶微分的边缘检测算子

Laplacian（拉普拉斯）算子是根据经过平滑的阶跃型边缘二阶导数在边缘点处是过零函数的原理构造的。拉普拉斯算子是二阶导数的二维等效式。

二维拉普拉斯数字实现可由这两个分量相加得到：

可得到近似拉普拉斯算子的边缘滤波。

拉普拉斯算了的特点是：各向同性、线性和位移不变性，对细线和孤立点的检测效果好。其缺点是：边缘的方向信息丢失，常产生双像素的边缘，对噪声有双倍加强作用。由于拉普拉斯算子是二阶导数运算，与只包含一阶导数的算子相比，它对噪声更加敏感，增强了噪声对图像的影响，因此在实际应用中通常需要先对图像进行滤波平滑处理。

2.2星图噪声消除

处理后图像灰度值均扩大大约16倍，导致处理后的方差会变大；由于中间值为4，处理后图像灰度值扩大4倍左右，但是在边缘检测滤波中就明显的不足；中间值为8，虽然其在滤波后方差是最为乐观的，但是其缺点是会产生双边缘。本文根据目标星点的特点（3～5个像素单元）将结合LOG算子具有平滑作用的特点，对模板算子进行改进，处理结果方差是最小的，降噪效果最佳。

3结论

试验表明：Laplacian算子对噪声具有无法接受的敏感性，它的幅值产生双边缘，不能检测边缘的方向；LOG算子卷积模板比较大，计算比较复杂；改进模板具有较好的边缘检测性能和抗噪性能，且卷积模板大小是Laplacian模板的尺寸，计算比LOG简单。

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