基于星敏感器的空间暗弱目标检测技术研究

作     者：张丰 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴量;曹德坤

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 081105[工学-导航、制导与控制] 0802[工学-机械工程] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：星敏感器 空间目标检测 星图模拟 空间目标仿真 星图预处理 

摘      要：随着人类近些年航天活动的增加,由航天器碰撞产生的太空废弃物和碎片物质急剧增加,日益恶化的空间环境给人类的太空活动、航天器安全及地球生态系统带来了风险,成为全球性问题。在空间碎片环境治理中,目标监测是基础环节,通过监测和编目碎片,可对其跟踪、预警和规避,具有重要的研究意义。 天基光学监测具有全天时、全天候、低功耗,高灵敏度等优势,星敏感器作为天基光学监测中的一个典型应用,在完成天文定向定位任务的同时可对空间目标进行感知,利用星敏感器丰富的资源可组成在轨卫星监测网络,实现对空间目标的广域监测,是一种经济、高效、灵活的监测解决方案。然而,星敏感器成像易受外部杂散光和探测器本身的影响,其图像背景往往分布不均匀,空间暗弱目标在图像中无明显的纹理特征,形状为点状或条纹状,灰度值与背景噪声相似,使检测难度增加。同时由于星敏感器图像不易获取,现有的仿真平台对真实恒星、空间目标的成像研究不够充分,无法充分验证图像处理和检测算法。对于上述问题,本文对空间暗弱目标的检测技术进行了研究,主要研究内容如下: (1)针对现有的仿真平台对真实恒星、空间目标成像研究不够充分的问题,本文结合目标轨道模型、目标亮度模型、光学相机成像模型及噪声模型对恒星、目标和噪声进行了模拟,并搭建了空间目标光学探测仿真系统,将仿真结果与真实图像及STK的模拟结果进行了对比,验证了仿真的正确性。 (2)在星敏感器图像预处理方面,针对图像背景灰度分布不均匀问题,介绍了图像去噪和目标增强的方法,在此基础上提出了基于滑动窗口的自适应局部阈值分割算法和面向增强图像的局部阈值算法,并利用仿真图像对两种算法与常用算法进行了对比实验。实验结果表明,本文提出的2种图像分割算法在分离杂光背景时鲁棒性较佳,可以有效地保留星点和空间暗弱目标。 (3)在星敏感器空间暗弱目标检测方面,对于单帧图像,本文利用星点与空间目标的灰度分布差异特征,结合星图识别和星点匹配算法实现了单帧图像中目标的有效检测。针对序列帧图像中由暗弱恒星背景变化产生的虚警问题,本文提出了一种基于帧间信息差异的空间暗弱目标检测算法,通过维护星点信息库,有效地抑制了帧间暗弱恒星背景变化对检测算法的干扰,实现了低信噪比空间暗弱目标的有效检测。实验结果表明,该算法对空间暗弱目标的检测率达到98%以上,虚警率仅为3%以下,并具有较高的实时性。