基于光学相关的船用星敏感器星图运动模糊复原方法

When voyaging, ships are produced a variety of violent swing and motion caused by the complex sea waves and winds, which will lead to image blurring. The blurring of star image caused by unavoidable ship’s sway motion is a critical issue for star tracker. It will introduce the star centroid acquisition inaccuracy or may even fail. This project proposes an approach for motion debluring of the star image by optical acceleration. In the proposed approach, the point spread function will be reconstructed with the image rotation and translation measurement based on joint transform optical correlator. And then, the blurred image will be deconvolved using the accelerator based on 4-f optical system. It can measure and restore the star image blurred real-timely for star tracker using on ships. Due to its calculation is accomplished by optical lens and only the peak is need to detecting, it can solve a thousand frames per second under nowadays spatial light modulator.Furthermore, as the blurred image restoration is accomplished by optical deconvolution using Fourier transform lens,the proposed approach has the performs well in terms of superwide bandwidth, high speed and parallel processing compared with traditionalmethod of digital image processing.

在海面航行的舰船受风、浪、涌等外力的作用会产生复杂、剧烈的船体摇摆和升沉运动，引起星图运动模糊，进而导致星点定位误差甚至提取失败，是船用星敏感器技术亟待解决的技术难题。针对现有方法难以适应船用星敏感器星图复杂运动模糊实时、高质量复原的技术难题，本项目研究集成运动模糊测量与复原光学加速机制的星敏感器技术，提出基于联合变换光学相关图像平移和旋转测量的星图模糊核函数实时估计方法，建立4f系统实现图像反卷积的星图模糊复原光学相关加速机制，实现星敏感器星图模糊实时测量与复原。光学相关器通过两次透镜的傅里叶变换即可实现图像相关运算，将图像运动测量简化为相关峰位置提取，在现有的电光转换设备下，能达到每秒上千帧的处理速度。此外，利用透镜的二维傅里叶变换实现图像模糊复原的反卷积运算操作，与数字处理器相比，具有光学运算所特有的大带宽、高速度和并行处理能力，具有极高的运算效率。

本项目经过3年研究，已圆满完成了项目计划全部内容，主要包括：实现了对复杂船体运动背景下星敏感器多重运动模糊的数学建模；提出了针对舰载星敏感器星图运动模糊的估计方法；进一步针对这种条件下的运动模糊提出了复原方法并通过仿真进行了验证；开展了基于光学相关的图像位移测量方法研究；提出了基于光学相关的图像模糊复原光学加速方法，并通过实验进行了验证。.取得的主要研究成果和结论：（1）完成了船用星敏感器的星图运动模糊分析以及多重运动模糊的数学建模，提出了舰载星敏感器星图模拟方法，为后续研究奠定基础；（2）提出了基于海天线船摇运动测量的星图运动模糊估计方法，在星敏感器一次曝光时间内拍摄海天线的像机曝光十次（星敏感器与像机时间上已对齐），即不仅能实时获得的海天线解算船体的水平姿态，还能获得星点的运动模糊方向和运动模糊长度；（3）提出了基于方向积分的星图运动模糊复原方法，仿真实验说明该方法可以有效抑制噪声，明显改善目标信噪比和极限星等；（4）进行了基于光学相关的图像位移测量方法研究，为模糊图像像移测量提供了技术方案，为图像运动估计、模糊复原等奠定了基础；（5）以光学相关器为核心的图像光学处理技术应用于图像的运动模糊实时复原，提出了利用光学相关频谱滤波技术实现图像反卷积运算的图像模糊复原光学加速方法，实验结果显示提出方法正确科学。.项目研究期间共发表论文10篇，其中国际会议分组报告1次、SCI收录7篇、EI收录2篇；申请国家发明专利1项；培养了2名研究生，2名本科生。