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一種望遠(yuǎn)鏡視場中高星等滑動恒星的增強和提取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種望遠(yuǎn)鏡視場中高星等滑動恒星的增強和提取方法，針對天文定位中背景高星等滑動恒星檢測率低及定位精度不高的問題，將天文和圖像處理技術(shù)相結(jié)合，利用天文信息來計算恒星滑動的軌跡，并使用了背景均衡化法、半隨機定軌累加法、噪聲歸一法、雙閾值定軌關(guān)聯(lián)法、兩步質(zhì)心提取法等圖像處理技術(shù)，來實現(xiàn)高星等滑動恒星的可靠增強和高精提取，從而為天文定位提供技術(shù)支持。其有益效果在于：誤檢率和漏檢率極小，可以很好地克服恒星之間、其它天體、背景噪聲等干擾因素的影響，提取很弱的高星等恒星，并同步得到恒星的數(shù)量、大小、位置和精度等信息，而且參數(shù)設(shè)置少而簡單，可實現(xiàn)實時處理。
【專利說明】—種望遠(yuǎn)鏡視場中高星等滑動恒星的增強和提取方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電測量領(lǐng)域，具體涉及一種望遠(yuǎn)鏡視場中高星等滑動恒星的增強和提取方法。

【背景技術(shù)】
[0002]天文定位是望遠(yuǎn)鏡常用的一種對空間目標(biāo)跟蹤定位的方法，它是指利用望遠(yuǎn)鏡圖像系統(tǒng)采集空間目標(biāo)及背景恒星的圖像，經(jīng)過恒星提取和星圖匹配，獲取目標(biāo)相對于恒星的位置信息。與其它定位方法相比，天文定位方法不受望遠(yuǎn)鏡指向誤差、大氣折射等因素的影響，大大提高了定位精度，是新一代望遠(yuǎn)鏡測定空間目標(biāo)采用的主要方法。對于大視場的望遠(yuǎn)鏡來說，視場中低星等的恒星往往較多，因此不需要進(jìn)行特別的處理即可提取到一定數(shù)量的恒星。然而，對于視場小于度級的望遠(yuǎn)鏡，很難保證視場中有足夠的低星等恒星可用以提取定位。因此，要在這類望遠(yuǎn)鏡中實現(xiàn)天文定位，只能利用密集而微弱的高星等恒星。
[0003]高星等恒星由于亮度很小，往往信噪比極低，甚至視覺上無法觀測，故直接提取的誤檢率和漏檢率通常是非常高的，因此必須首先進(jìn)行增強處理。然而，天文定位的目的是對其它空間目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和定位，所以此時恒星在視場中是滑動的，而不是駐留在一個固定的位置，并且望遠(yuǎn)鏡的移動路徑、機架晃動和視場畸變等因素還會導(dǎo)致恒星滑動的軌跡不規(guī)則。要在這種條件下對恒星進(jìn)行增強，屬于一個未知數(shù)量弱小機動目標(biāo)的檢測問題，實現(xiàn)起來有如下幾個難點:
[0004](I)圖像噪聲劇烈，部分恒星信噪比極低，甚至無法直接觀測；
[0005](2)恒星滑動的軌跡可能不規(guī)則；
[0006](3)恒星之間亮度相差很大，較亮的恒星常常將較暗的恒星掩蓋；
[0007](4)恒星個數(shù)不確定，是一個不定數(shù)的多目標(biāo)提取問題；
[0008](5)恒星與其它天體沒有形狀和亮度等特征，難以區(qū)別；
[0009](6)圖像背景不均，常伴有波狀起伏；
[0010](7)對實時性有要求，算法不能太繁瑣，等等。
[0011]通常而言，單純用圖像來實現(xiàn)上述增強和提取是非常困難的。目前的方法主要分為兩類:一是先探測后跟蹤，二是先跟蹤后探測。由于弱小目標(biāo)特征不明顯，因此多以先跟蹤后探測算法為主。先跟蹤后探測算法是先搜索所有可能的運動軌跡再來判斷真實的軌跡并進(jìn)行多幀關(guān)聯(lián)，目前常用的方法有霍夫變換、多級假設(shè)檢驗、粒子濾波、二維自適應(yīng)濾波、三重時空濾波、定向濾波、形態(tài)學(xué)濾波、二次面模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)規(guī)劃、窮舉法等等。然而，這些方法仍然無法完全克服上述的軌跡不規(guī)則、個數(shù)不確定、天體之間難以區(qū)分、實時性有要求等幾個問題。尤其是在實時性的問題上，以上方法都需要很大的計算量和存儲量，導(dǎo)致延遲時間過長，容易造成與實時目標(biāo)失去同步，因此難以在實際工程中應(yīng)用。
[0012]另外，恒星增強和提取的目的是用于天文定位，故對提取的精度還有較高的要求。以上探測方法無一例外都會使用多幀關(guān)聯(lián)，雖然多幀關(guān)聯(lián)可以使檢測更加準(zhǔn)確，但是卻會降低提取的精度。天文定位需要的是恒星的實時位置，而多幀關(guān)聯(lián)后會導(dǎo)致恒星趨于平均位置，從而使提取精度受到影響。因此，還亟需一種適用于多幀關(guān)聯(lián)的、精度更高的的恒星提取方法來解決上述矛盾，從而提高恒星的定位精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明解決的技術(shù)問題:針對天文定位中背景高星等滑動恒星檢測率低及定位精度不高的問題，將天文和圖像處理技術(shù)相結(jié)合，提供一種快捷有效的恒星增強和提取方法，可大幅度提高滑動恒星的信噪比，實現(xiàn)高星等滑動恒星的可靠檢測，并準(zhǔn)確地提取出恒星的實時質(zhì)心位置，從而為天文定位提供技術(shù)支持。
[0014]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種望遠(yuǎn)鏡視場中高星等滑動恒星的增強和提取方法，利用天文信息來計算恒星滑動的軌跡，并使用了背景均衡化法、半隨機定軌累加法、噪聲歸一法、雙閾值定軌關(guān)聯(lián)法、兩步質(zhì)心提取法等圖像處理技術(shù)，來確保恒星增強提取的可靠性和準(zhǔn)確性。其基本原理如圖1所示，實現(xiàn)步驟如下:
[0015]第(I)步、用星表計算恒星在望遠(yuǎn)鏡視場中滑動的幀間偏移量；
[0016]第(2)步、用中值濾波和背景均衡化法對當(dāng)前幀圖像進(jìn)行預(yù)處理；
[0017]第(3)步、用半隨機定軌累加法、背景均衡化法和噪聲歸一法對恒星進(jìn)行增強；
[0018]第(4)步、用閾值分割法和形態(tài)學(xué)濾波對恒星進(jìn)行分割；
[0019]第(5)步、用雙閾值定軌關(guān)聯(lián)法和連通域標(biāo)記法對恒星進(jìn)行檢測；
[0020]第(6)步、用包含相對定位和絕對定位的兩步法對恒星進(jìn)行質(zhì)心提取。
[0021]進(jìn)一步的，所述第(I)步的實現(xiàn)步驟為:
[0022]I)用天文算法將當(dāng)前幀的地方平時轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)睾阈菚r；
[0023]2)用當(dāng)?shù)睾阈菚r、站址緯度和當(dāng)前幀視場中心的地平坐標(biāo)，計算當(dāng)前幀視場中心的第二赤道坐標(biāo)；
[0024]3)在星表中找到兩顆以上距離當(dāng)前幀視場中心最近的恒星，組成當(dāng)前幀的子星表;
[0025]4)將當(dāng)前幀子星表中恒星的平位置用天文算法轉(zhuǎn)換到觀測位置，并計算其地平坐標(biāo)；
[0026]5)用當(dāng)前幀子星表中恒星的觀測位置的地平坐標(biāo)計算其視場坐標(biāo)；
[0027]6)找出當(dāng)前幀子星表中與上一幀子星表中共有的、距離當(dāng)前幀視場中心最近的一顆恒星，并用之來計算當(dāng)前幀的幀間偏移量。
[0028]進(jìn)一步的，所述第(2)步的實現(xiàn)步驟為:
[0029]I)對當(dāng)前幀原始圖像進(jìn)行中值濾波，消除毛刺噪聲；
[0030]2)對中值濾波后的圖像進(jìn)行低通濾波，獲取整幅圖像的低頻成分；
[0031]3)對整幅圖像的低頻成分進(jìn)行形態(tài)學(xué)開運算，屏蔽掉恒星的幅度，從而獲取背景的低頻成分；
[0032]4)將中值濾波后的圖像減去背景的低頻成分，得到背景均衡化后的圖像；
[0033]5)剔除空間目標(biāo)的像素點，得到當(dāng)前幀的最終預(yù)處理圖像。
[0034]進(jìn)一步的，所述第(3)步的實現(xiàn)步驟為:
[0035]I)選取定軌累加所用的必選幀和隨機幀，組成一個半隨機幀集；
[0036]2)以當(dāng)前幀為基準(zhǔn)，將半隨機幀集中的歷史預(yù)處理圖像按與當(dāng)前幀的累積幀間偏移量進(jìn)行平移配準(zhǔn)，然后取各像素的平均值，得到定軌累加圖像；
[0037]3)對定軌累加圖像重新進(jìn)行背景均衡化處理；
[0038]4)對背景均衡化后的定軌累加圖像進(jìn)行噪聲歸一化，得到最終定軌累加圖像。
[0039]進(jìn)一步的，所述第(4)步的實現(xiàn)步驟為:
[0040]I)計算最終定軌累加圖像背景噪聲的3倍標(biāo)準(zhǔn)差，并以此為閾值對最終定軌累加圖像進(jìn)行分割，得到初步分割圖像；
[0041]2)對初步分割圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)濾波，填補恒星內(nèi)部的空洞并濾除大部分噪聲。
[0042]進(jìn)一步的，所述第(5)步的實現(xiàn)步驟為:
[0043]I)對形態(tài)學(xué)濾波后的分割圖像進(jìn)行四領(lǐng)域膨脹，得到擴(kuò)充分割圖像；
[0044]2)對分割圖像緩沖器中所有擴(kuò)充分割圖像重新進(jìn)行定軌累加，得到一個定軌累加矩陣；
[0045]3)使用雙閾值法來對定軌累加矩陣進(jìn)行再次分割；
[0046]4)用雙閾值法的分割結(jié)果判定恒星的像素區(qū)域，得到恒星區(qū)域二值圖；
[0047]5)將恒星區(qū)域二值圖進(jìn)行連通域標(biāo)記，劃分出各個恒星的范圍。
[0048]進(jìn)一步的，所述第(6)步的實現(xiàn)步驟為:
[0049]I)用最終定軌累加圖像計算各恒星的質(zhì)心，得到各恒星的相對質(zhì)心位置；
[0050]2)選出當(dāng)前幀最終預(yù)處理圖像中大于一定閾值的恒星作為參考恒星，并計算其絕對質(zhì)心位置；
[0051]3)用相對質(zhì)心找出當(dāng)前幀各個恒星的最鄰近參考恒星；
[0052]4)用最鄰近的參考恒星修正當(dāng)前幀各個恒星的質(zhì)心位置，從而得到當(dāng)前幀全部恒星的修正質(zhì)心位置，即最終結(jié)果。
[0053]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于:
[0054](I)誤檢率和漏檢率極??；
[0055](2)可以提取很弱的高星等恒星；
[0056](3)恒星等天體的相對亮度對檢測率基本沒有影響；
[0057](4)可以同步得到恒星的數(shù)量、大小、位置和精度等信息；
[0058](5)可將恒星和其它天體分離，即使恒星穿過其它天體也可以穩(wěn)定提??；
[0059](6)可以很好地克服圖像背景起伏不均的問題；
[0060](7)對噪聲大小沒有太多要求，只需要是高斯噪聲；
[0061](8)參數(shù)設(shè)置少而簡單；
[0062](9)算法不復(fù)雜，可實現(xiàn)實時處理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0063]圖1是本發(fā)明方法原理示意圖。
[0064]圖2是實施例中用來計算幀間偏移量的恒星在視場中的軌跡圖。
[0065]圖3是實施例的預(yù)處理結(jié)果，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分別是當(dāng)前幀原始圖像、中值濾波后的圖像、整幅圖像的低頻成分、背景的低頻成分、背景均衡化后的圖像和最終預(yù)處理圖像。
[0066]圖4是實施例的恒星增強結(jié)果，其中(a)、(b)和(C)分別是定軌累加圖像、背景均衡化后的定軌累加圖像和噪聲歸一化后的最終定軌累加圖像。
[0067]圖5是實施例的恒星分割結(jié)果，其中(a)和(b)分別是初步分割圖像和形態(tài)學(xué)濾波后的分割圖像。
[0068]圖6是實施例的恒星檢測結(jié)果，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分別是擴(kuò)充分割圖像、定軌累加矩陣、第一閾值分割圖、第二閾值分割圖、恒星區(qū)域二值圖和連通域標(biāo)記圖。
[0069]圖7是實施例的質(zhì)心提取結(jié)果，其中圓圈是相對質(zhì)心位置，菱形是絕對質(zhì)心位置，十字是修正質(zhì)心位置。

【具體實施方式】
[0070]以下是本發(fā)明的具體實施辦法。但以下的實施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，而且通過以下實施例對該領(lǐng)域的技術(shù)人員即可以實現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容。
[0071]本發(fā)明的第一步是用星表計算恒星在望遠(yuǎn)鏡視場中滑動的幀間偏移量，具體實現(xiàn)步驟為:
[0072]I)用天文算法將當(dāng)前幀的地方平時轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)睾阈菚r\ΒΤ。
[0073]2)用當(dāng)?shù)睾阈菚rtMST、站址緯度爐和當(dāng)前幀視場中心的地平坐標(biāo)(Atl, E0)，計算當(dāng)前幀視場中心的第二赤道坐標(biāo)(α & δ0),計算公式為:
[0074]

【權(quán)利要求】
1.一種望遠(yuǎn)鏡視場中高星等滑動恒星的增強和提取方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下: 第(I)步、用星表計算恒星在望遠(yuǎn)鏡視場中滑動的幀間偏移量； 第(2)步、用中值濾波和背景均衡化法對當(dāng)前幀圖像進(jìn)行預(yù)處理； 第(3)步、用半隨機定軌累加法、背景均衡化法和噪聲歸一法對恒星進(jìn)行增強； 第(4)步、用閾值分割法和形態(tài)學(xué)濾波對恒星進(jìn)行分割； 第(5)步、用雙閾值定軌關(guān)聯(lián)法和連通域標(biāo)記法對恒星進(jìn)行檢測； 第(6)步、用包含相對定位和絕對定位的兩步法對恒星進(jìn)行質(zhì)心提取。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的望遠(yuǎn)鏡視場中高星等滑動恒星的增強和提取方法，其特征在于:所述第(I)步的實現(xiàn)步驟為: 1)用天文算法將當(dāng)前幀的地方平時轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)睾阈菚r； 2)用當(dāng)?shù)睾阈菚r、站址緯度和當(dāng)前幀視場中心的地平坐標(biāo)，計算當(dāng)前幀視場中心的第二赤道坐標(biāo)； 3)在星表中找到兩顆以上距離當(dāng)前幀視場中心最近的恒星，組成當(dāng)前幀的子星表； 4)將當(dāng)前幀子星表中恒星的平位置用天文算法轉(zhuǎn)換到觀測位置，并計算其地平坐標(biāo)； 5)用當(dāng)前幀子星表中恒星的觀測位置的地平坐標(biāo)計算其視場坐標(biāo)； 6)找出當(dāng)前幀子星表中與上一幀子星表中共有的、距離當(dāng)前幀視場中心最近的一顆恒星，并用之來計算當(dāng)前幀的幀間偏移量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的望遠(yuǎn)鏡視場中高星等滑動恒星的增強和提取方法，其特征在于:所述第(2)步的實現(xiàn)步驟為: 1)對當(dāng)前幀原始圖像進(jìn)行中值濾波，消除毛刺噪聲； 2)對中值濾波后的圖像進(jìn)行低通濾波，獲取整幅圖像的低頻成分； 3)對整幅圖像的低頻成分進(jìn)行形態(tài)學(xué)開運算，屏蔽掉恒星的幅度，從而獲取背景的低頻成分； 4)將中值濾波后的圖像減去背景的低頻成分，得到背景均衡化后的圖像； 5)剔除空間目標(biāo)的像素點，得到當(dāng)前幀的最終預(yù)處理圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的望遠(yuǎn)鏡視場中高星等滑動恒星的增強和提取方法，其特征在于:所述第(3)步的實現(xiàn)步驟為: 1)選取定軌累加所用的必選幀和隨機幀，組成一個半隨機幀集； 2)以當(dāng)前幀為基準(zhǔn)，將半隨機幀集中的歷史預(yù)處理圖像按與當(dāng)前幀的累積幀間偏移量進(jìn)行平移配準(zhǔn)，然后取各像素的平均值，得到定軌累加圖像； 3)對定軌累加圖像重新進(jìn)行背景均衡化處理； 4)對背景均衡化后的定軌累加圖像進(jìn)行噪聲歸一化，得到最終定軌累加圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的望遠(yuǎn)鏡視場中高星等滑動恒星的增強和提取方法，其特征在于:所述第(4)步的實現(xiàn)步驟為: 1)計算最終定軌累加圖像背景噪聲的3倍標(biāo)準(zhǔn)差，并以此為閾值對最終定軌累加圖像進(jìn)行分割，得到初步分割圖像； 2)對初步分割圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)濾波，填補恒星內(nèi)部的空洞并濾除大部分噪聲。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的望遠(yuǎn)鏡視場中高星等滑動恒星的增強和提取方法，其特征在于:所述第(5)步的實現(xiàn)步驟為: 1)對形態(tài)學(xué)濾波后的分割圖像進(jìn)行四領(lǐng)域膨脹，得到擴(kuò)充分割圖像； 2)對分割圖像緩沖器中所有擴(kuò)充分割圖像重新進(jìn)行定軌累加，得到一個定軌累加矩陣； 3)使用雙閾值法來對定軌累加矩陣進(jìn)行再次分割； 4)用雙閾值法的分割結(jié)果判定恒星的像素區(qū)域，得到恒星區(qū)域二值圖； 5)將恒星區(qū)域二值圖進(jìn)行連通域標(biāo)記，劃分出各個恒星的范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的望遠(yuǎn)鏡視場中高星等滑動恒星的增強和提取方法，其特征在于:所述第(6)步的實現(xiàn)步驟為: 1)用最終定軌累加圖像計算各恒星的質(zhì)心，得到各恒星的相對質(zhì)心位置； 2)選出當(dāng)前幀最終預(yù)處理圖像中大于一定閾值的恒星作為參考恒星，并計算其絕對質(zhì)心位置； 3)用相對質(zhì)心找出當(dāng)前幀各個恒星的最鄰近參考恒星； 4)用最鄰近的參考恒星修正當(dāng)前幀各個恒星的質(zhì)心位置，從而得到當(dāng)前幀全部恒星的修正質(zhì)心位置，即最終結(jié)果。
【文檔編號】G01C21/02GK104197933SQ201410473235
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】羅一涵, 陳科 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所