一种面向大像差星敏感器的空间变异PSF低维流形建模及在线模板生成方法

本发明涉及星敏感器成像与光电测量，特别涉及一种面向大像差星敏感器的空间变异psf低维流形建模及在线模板生成方法。

背景技术：

1、星敏感器是航天器和临近空间飞行器姿态测量的重要载荷之一，其核心任务是从恒星图像中稳定提取星点质心并完成高精度姿态基准测量。随着微小卫星、高空长航时无人机、临近空间飞行器等平台对载荷轻量化、小型化和低功耗的要求不断提高，通常需要对星敏感器前端光学系统进行一定程度上的简化。当前工程中常见的做法包括减少透镜片数、缩小结构尺寸以及降低系统复杂度等。但这类简化方案通常会削弱光学系统的像差校正能力，导致离轴视场内的点扩散函数出现严重的非对称拉伸、拖尾和拓扑变形，进而使传统基于中心对称假设的质心法或高斯拟合法出现明显的系统性偏差。

2、现有与本发明较为接近的技术路线主要有三类。第一类是传统星点提取与定位方法，如灰度质心法、区域生长法和二维高斯拟合法。这类方法实现简单、计算负担较低，但通常依赖星点形态近似中心对称，面对大像差条件下的强非对称星斑时容易出现定位偏差。第二类是系统误差校正方法，如针对星敏感器 s-curve 误差或像增强器引入畸变的标定补偿方案，其重点在于通过经验标定或误差模型降低系统偏差，但通常并不直接处理全视场空间变异、形态高度非规则的 psf（点扩散函数point spread function）。第三类是空间变异 psf 建模方法，在更广泛的天文成像领域，已有工作采用主成分分析（pca）构建 psf库，用少量主成分重构随位置变化的 psf。这类方法证明了以低维特征空间表征复杂 psf的可行性，但主要面向天文观测图像校正，通常并未针对大像差星敏感器的模板在线调用效率以及后续实时定位需求进行专门设计。

3、与上述现有方案相比，本发明针对的是一种更具体的工程问题：在前端光学系统被显著简化、离轴像差严重、且星点定位需面向在线匹配调用的条件下，如何用尽可能小的存储和计算代价，对全视场空间变异 psf 进行高保真建模和在线模板生成。现有方法要么依赖解析对称模型，难以适应轻小型前端条件下主轴旋转、拖尾增强和能量偏心等连续演化的空间变异星斑；要么虽然采用低维特征表示，但未结合共轴旋转对称系统的一维径向采样特性，也未形成面向在线调用的完整模板生成机制。

技术实现思路

1、本发明要解决现有技术中在前端光学系统被显著简化、离轴像差严重、且星点定位需面向在线匹配调用的条件下，如何用尽可能小的存储和计算代价，对全视场空间变异psf 进行高保真建模和在线模板生成的技术问题，提供一种面向大像差星敏感器的空间变异psf低维流形建模及在线模板生成方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

3、一种面向大像差星敏感器的空间变异psf低维流形建模及在线模板生成方法，包括以下步骤：

4、步骤1：对被测星敏感器或其前端简化光学系统进行建模，确认其属于共轴旋转对称成像系统，并建立像平面坐标与视场径向坐标的映射关系；

5、步骤2：沿预设子午面按高分辨率径向步长离线采集基准 psf 样本，并通过方位旋转关系扩展至任意视场方位角；

6、步骤3：对所有离线 psf 样本进行总能量归一化、亮度前百分位像素锚定质心计算与强制中心对齐，消除绝对光强差异和平移漂移对特征提取的干扰；

7、步骤4：将对齐后的二维 psf 样本展平为向量，构建去均值样本矩阵，并通过主成分分析或等价的奇异值分解求取本征 psf 基底；

8、步骤5：根据累积能量保留率准则选取主成分个数，得到低维本征子空间，并将每个离线样本投影为对应的低维系数向量；

9、步骤6：以径向视场坐标为自变量、以各主成分投影系数为因变量，构建连续的一维系数流形查找表；

10、步骤7：在线运行时，针对任意目标星点，根据其视场径向位置在所述查找表中进行插值，恢复该位置的主成分系数向量，并与平均 psf 及各本征 psf 线性组合，生成静态位置相关模板；

11、步骤8：当系统可获得角速度信息时，将所述静态模板与运动模糊核进行卷积，生成动态位置相关模板，以供后续匹配或定位算法调用。

12、在上述技术方案中，步骤3具体为：

13、先对每个样本执行总能量归一化，再从样本中提取亮度排名前预设比例的高信噪比像素，用这些像素计算加权质心，将其作为锚定中心；随后将每个样本强制平移至统一的参考坐标中心。

14、在上述技术方案中，步骤4具体为：

15、将每个二维 psf 样本展平为列向量，并在减去平均形态后，构建出连续的去均值样本矩阵；通过对矩阵执行奇异值分解，求得像差演化的正交子空间：

16、

17、式中，为由去均值样本矩阵的右奇异向量构成的正交矩阵，用于表征不同离线psf样本在各奇异分量上的相对组合关系；

t表示矩阵转置运算；为正交矩阵；为对角矩阵。

18、在上述技术方案中，步骤5具体为：

19、对于每个离线采样半径位置，将其原始样本投影到维本征子空间内，得到对应的维系数向量。

20、在上述技术方案中，步骤7具体为：

21、在系统运行阶段，首先根据目标星点所在像平面坐标计算其对应的视场径向位置；随后在系数流形查找表中检索邻近的采样节点，执行线性插值得到当前位置的估计系数向量：

22、

23、再由平均模板与各本征模板进行加权线性组合，生成静态位置相关模板：

24、

25、最后，对其施加方位角的旋转算子，得到与观测星点相匹配的位置相关模板。

26、在上述技术方案中，步骤8具体为：

27、若星敏感器系统同时具备惯性传感器提供的角速度信息，根据曝光时间内的二维位移量构建运动模糊核，并与上述静态位置相关模板进行空间卷积，生成动态位置相关模板：

28、 。

29、本发明具有以下有益效果：

30、本发明的面向大像差星敏感器的空间变异psf低维流形建模及在线模板生成方法，针对大像差、强非对称、全视场空间变异 psf 的具体技术问题，构建了结合共轴旋转对称先验与低维特征空间表示的建模方案，避免传统中心对称模型失配，并通过一维径向采样替代二维全视场逐点采样，显著降低离线样本数量和模板库规模。

31、本发明的面向大像差星敏感器的空间变异psf低维流形建模及在线模板生成方法，通过高信噪比锚定对齐与能量归一化，使主成分更集中地表达光斑形态演化而非平移或强度差异，提高本征子空间的物理可解释性。

32、本发明的面向大像差星敏感器的空间变异psf低维流形建模及在线模板生成方法，通过系数流形查找表替代高阶显式拟合，在保证重构精度的同时降低在线调用时的计算复杂度，更适合嵌入式星敏感器实现。

33、本发明的面向大像差星敏感器的空间变异psf低维流形建模及在线模板生成方法，生成的是可在线调用的位置相关物理模板，可直接为后续匹配、分割和定位算法提供统一先验；

34、本发明的面向大像差星敏感器的空间变异psf低维流形建模及在线模板生成方法，在动态条件下可自然扩展至运动模糊模板生成，为高动态场景中的模板匹配提供基础。