主动成像式星敏感器及其控制方法

摘要

本发明公开了一种主动成像式星敏感器及其控制方法，其中，星敏感器包括：前组光学镜头，使得DMD芯片上微反射镜在第一工作状态反射星光；DMD芯片，根据微反射镜的工作状态控制星点区域微反射镜工作在第一工作状态；DMD驱动控制单元；后组光学镜头，会聚DMD芯片上微反射镜反射的星点能量至探测器上；探测器，探测被DMD芯片上微反射镜在第一工作状态下反射的星点能量大小；数据采集单元，采集电信号，并对电信号进行数据A/D转换；星点数据处理系统，生成星图随机模板。该星敏感器可以将DMD芯片应用于星敏感器中，从而提高星敏感器的动态性能，并且提高更新率，以及有效提高星敏感器的精度。

权利要求

1.一种基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器，其特征在于，包括：

前组光学镜头，用于将星空成像在数字微反射镜器件DMD芯片上，并使得所述DMD芯片上微反射镜在第一工作状态反射星光到后组光学镜头；

所述DMD芯片，用于根据所述微反射镜的工作状态控制星点区域微反射镜工作在所述第一工作状态，并将星光反射至所述后组光学镜头；

DMD驱动控制单元，用于驱动并控制所述DMD芯片工作；

所述后组光学镜头，用于会聚所述DMD芯片上微反射镜在所述第一工作状态下反射的星点能量至探测器上；

所述探测器，用于探测被所述DMD芯片上微反射镜在所述第一工作状态下反射的星点能量大小，并将光信号转换为电信号；

数据采集单元，用于采集所述电信号，并对所述电信号进行数据A/D转换；以及星点数据处理系统，用于生成星图随机模板，所述星图随机模板通过所述DMD驱动控制单元控制所述DMD芯片翻转调制星图，其中，所述星点数据处理系统具体用于利用压缩感知理论从所述探测器采集数据中重构星图，并利用所述重构星图实现整幅图像范围内的星点预定位，以得到星点预定位坐标数据，并利用所述预定位坐标数据生成多个星点区域模板，所述多个星点区域模板的每个模板通过所述DMD驱动控制单元控制所述DMD芯片翻转调制各个星点区域，进而利用所述压缩感知理论从所述探测器采集数据中得到重构星点区域，以进行星迹预测，并利用所述重构星点区域进行星点提取和星图识别，进而解算卫星姿态。

2.根据权利要求1所述的基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器，其特征在于，还包括：超黑材料，在不成像区域微反射镜工作在第二工作状态，并将星光反射至所述超黑材料吸收，以对指定星点目标进行主动式成像时，用于吸收所述DMD芯片上微反射镜在所述第二工作状态下反射的星点能量。

3.根据权利要求1所述的基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器，其特征在于，还包括：全内反射TIR棱镜，所述TIR棱镜设置于所述前组光学镜头和所述DMD芯片之间，以通过所述TIR棱镜使得所述DMD芯片上微反射镜在第一工作状态反射星光到所述后组光学镜头，并配合所述DMD芯片进行分光，以阻住杂散光进入所述后组光学镜头。

4.一种基于数字微反射镜器件主动成像式星敏感器的控制方法，其特征在于，采用根据权利要求1-3中任一项所述的主动成像式星敏感器，其中，方法包括以下步骤：天球星图通过所述前组光学镜头成像在所述数字微反射镜器件DMD芯片；

选择星点捕获模式，并生成整幅星图随机模板，所述整幅星图随机模板通过所述DMD驱动控制单元控制所述DMD芯片翻转调制星图；

通过所述探测器采集随机模板调制星图数据，以利用压缩感知理论从所述随机模板调制星图数据中重构星图；

利用所述重构星图实现整幅图像范围内的星点预定位，并得到星点预定位坐标数据；

选择星点跟踪姿态解算模式，并利用所述预定位坐标数据生成多个星点区域模板，所述多个星点区域模板的每个模板通过所述DMD驱动控制单元控制所述DMD芯片翻转调制各个星点区域；

通过所述探测器采集多个星点区域模板调制数据，以利用所述压缩感知理论从所述多个星点区域模板调制数据中得到重构星点区域，以进行星迹预测；

利用所述重构星点区域进行星点提取和星图识别，进而解算卫星姿态。

5.根据权利要求4所述的基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器的控制方法，其特征在于，还包括：在不成像区域微反射镜工作在第二工作状态，并将星光反射至超黑材料吸收，以对指定星点目标进行主动式成像时，吸收所述DMD芯片上微反射镜在所述第二工作状态下反射的星点能量。

6.根据权利要求4所述的基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器的控制方法，其特征在于，还包括：通过TIR棱镜使得所述DMD芯片上微反射镜在第一工作状态反射星光到所述后组光学镜头，并配合所述DMD芯片进行分光，以阻住杂散光进入所述后组光学镜头。

说明书

主动成像式星敏感器及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及卫星姿态确定技术领域，特别涉及一种基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器及其控制方法。

背景技术

[0002] 目前，星敏感器是卫星姿态控制系统所经常采用的一种姿态测量敏感器，被认为是卫星姿态测量中的最核心仪器。

[0003] 相关技术中，星敏感器普遍采用相机式的大面阵盲成像原理，即在不考虑目标的情况下对视场空间进行同时统一成像，对每一帧图像扫描所有的像素点，成像后再进行图
像处理和目标提取。但是，相关技术的星敏感器并没有明确的目的性，即毫无针对性，不仅
耗费大量能量，而且为后续图像处理带来大量难题。

[0004] 例如，在航天器运动过程中，恒星会在大面阵探测器上形成一条覆盖几十像素的长轨迹，导致探测器上的每个成像像素的信号变弱、信噪比降低，从而系统的精度和更新率
显著不足，甚至根本无法工作。因此，星敏感器技术被认为是限制超分辨率成像质量与定位
精度提升等任务完成的重要技术瓶颈，亟待解决。

发明内容

[0005] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

[0006] 为此，本发明的一个目的在于提出一种基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器，可以将DMD(Digital Micro-mirror Device，数字微反射镜器件)芯片应用于星敏感
器中，从而可以提高星敏感器的动态性能，并且提高更新率，以及有效提高星敏感器的精
度。

[0007] 本发明的另一个目的在于提出一种基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器的控制方法。

[0008] 为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器，包括：前组光学镜头，用于将星空成像在DMD芯片上，并使得所述DMD芯片
上微反射镜在第一工作状态反射星光到后组光学镜头；所述DMD芯片，用于根据所述微反射
镜的工作状态控制星点区域微反射镜工作在所述第一工作状态，并将星光反射至所述后组
光学镜头；DMD驱动控制单元，用于驱动并控制所述DMD芯片工作；所述后组光学镜头，用于
会聚所述DMD芯片上微反射镜在所述第一工作状态下反射的星点能量至探测器上；所述探
测器，用于探测被所述DMD芯片上微反射镜在所述第一工作状态下反射的星点能量大小，并
将光信号转换为电信号；数据采集单元，用于采集所述电信号，并对所述电信号进行数据A/
D转换；星点数据处理系统，用于生成星图随机模板，其中，所述星图随机模板通过所述DMD
驱动控制单元控制所述DMD芯片翻转调制星图。

[0009] 本发明实施例的基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器，可以突破传统星敏感器面阵盲成像的方法局限，以DMD芯片代替CCD、CMOS成像焦平面，建立微反射镜控制实
现星点轨迹跟踪和能量会聚的成像目的，解决动态成像中星点拖尾而造成信噪比降低的难
题，动态性能显著提升，通过将DMD芯片应用于星敏感器中，从而提高星敏感器的动态性能，
并且提高更新率，以及有效提高星敏感器的精度。

[0010] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述星点数据处理系统具体用于利用压缩感知理论从所述探测器采集数据中重构星图，并利用所述重构星图实现整幅图像范围内的
星点预定位，以得到星点预定位坐标数据，并利用所述预定位坐标数据生成多个星点区域
模板，所述多个星点区域模板的每个模板通过所述DMD驱动控制单元控制所述DMD芯片翻转
调制各个星点区域，进而利用所述压缩感知理论从所述探测器采集数据中得到重构星点区
域，以进行星迹预测，并利用所述重构星点区域进行星点提取和星图识别，进而解算卫星姿
态。

[0011] 进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：超黑材料，在不成像区域微反射镜工作在第二工作状态，并将星光反射至所述超黑材料吸收，以对指定星点目标进行主动式
成像时，用于吸收所述DMD芯片上微反射镜在所述第二工作状态下反射的星点能量。

[0012] 进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：全内反射TIR棱镜，所述TIR棱镜设置于所述前组光学镜头和所述DMD芯片之间，以通过所述TIR棱镜使得所述DMD芯片上微反
射镜在第一工作状态反射星光到所述后组光学镜头，并配合所述DMD芯片进行分光，以阻住
杂散光进入所述后组光学镜头。

[0013] 为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器的控制方法，包括以下步骤：天球星图通过所述前组光学镜头成像在所
述数字微反射镜器件DMD芯片；选择星点捕获模式，并生成整幅星图随机模板，所述整幅星
图随机模板通过所述DMD驱动控制单元控制所述DMD芯片翻转调制星图；通过所述探测器采
集随机模板调制星图数据，以利用压缩感知理论从所述随机模板调制星图数据中重构星
图；利用所述重构星图实现整幅图像范围内的星点预定位，并得到星点预定位坐标数据；选
择星点跟踪姿态解算模式，并利用所述预定位坐标数据生成多个星点区域模板，所述多个
星点区域模板的每个模板通过所述DMD驱动控制单元控制所述DMD芯片翻转调制各个星点
区域；通过所述探测器采集多个星点区域模板调制数据，以利用所述压缩感知理论从所述
多个星点区域模板调制数据中得到重构星点区域，以进行星迹预测；利用所述重构星点区
域进行星点提取和星图识别，进而解算卫星姿态。

[0014] 本发明实施例的基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器，可以突破传统星敏感器面阵盲成像的方法局限，以DMD芯片代替CCD、CMOS成像焦平面，建立微反射镜控制实
现星点轨迹跟踪和能量会聚的成像策略，解决动态成像中星点拖尾而造成信噪比降低的难
题，动态性能显著提升，通过将DMD芯片应用于星敏感器中，从而提高星敏感器的动态性能，
并且提高更新率，以及有效提高星敏感器的精度。

[0015] 进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：在不成像区域微反射镜工作在第二工作状态，并将星光反射至所述超黑材料吸收，以对指定星点目标进行主动式成像时，吸收
所述DMD芯片上微反射镜在所述第二工作状态下反射的星点能量。

[0016] 进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：通过所述TIR棱镜使得所述DMD芯片上微反射镜在第一工作状态反射星光到所述后组光学镜头，并配合所述DMD芯片进行分光，
以阻住杂散光进入所述后组光学镜头。

[0017] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0018] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0019] 图1为根据本发明一个实施例的主动成像式星敏感器的结构示意图；

[0020] 图2为根据本发明一个实施例的主动成像式星敏感器的控制方法流程图；

[0021] 图3为根据本发明一个实施例的主动成像式星敏感器中的TIR棱镜与DMD芯片组合光路示意图；

[0022] 图4为根据本发明一个实施例的主动成像式星敏感器的压缩感知基本理论示意图；

[0023] 图5为根据本发明一个实施例的主动成像式星敏感器的工作原理示意图。

具体实施方式

[0024] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0025] 下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器及控制方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于数字微反射镜
器件的主动成像式星敏感器。

[0026] 图1为根据本发明一个实施例的基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器的结构示意图。

[0027] 如图1所示，前组光学镜头10、DMD芯片20、DMD驱动控制单元、后组光学镜头30、探测器40、数据采集单元和星点数据处理系统。

[0028] 其中，前组光学镜头10用于将星空成像在DMD芯片20上，并使得DMD芯片20上微反射镜在第一工作状态(例如，第一工作状态为“On”工作状态)反射星光到后组光学镜头30。
DMD芯片20用于根据微反射镜的工作状态控制星点区域微反射镜工作在第一工作状态，并
将星光反射至后组光学镜头30。DMD驱动控制单元用于驱动并控制DMD芯片20工作。后组光
学镜头30用于会聚DMD芯片20上微反射镜在第一工作状态下反射的星点能量至探测器40
上。探测器40用于探测被DMD芯片20上微反射镜在第一工作状态下反射的星点能量大小，并
将光信号转换为电信号，其中，探测器40为高灵敏小阵列探测器。数据采集单元用于采集电
信号，并对电信号进行数据A/D转换。星点数据处理系统用于生成星图随机模板(其中，在捕
获时可以生成整幅星图随机模板)，其中，星图随机模板通过DMD驱动控制单元控制DMD芯片
20翻转调制星图。本发明实施例的星敏感器可以将DMD芯片20应用于星敏感器中，从而可以
提高星敏感器的动态性能，并且提高更新率，以及有效提高星敏感器的精度。

[0029] 可以理解的是，如图1所示，本发明实施例的星敏感器以DMD芯片20代替CCD(Charge-coupled  Device，电荷耦合元件)、CMOS(Complementary Metal Oxide 
Semiconductor，互补金属氧化物半导体)成像焦平面，从而建立微反射镜控制实现星点轨
迹跟踪和能量会聚的成像策略，解决动态成像中星点拖尾而造成信噪比降低的难题，实现
动态性能显著提升；建立后组会聚成像系统，实现后组高灵敏度能量探测与前组高精度位
置探测的解耦和分离以及成像信息的快速读出，成为系统高动态、高更新率和高精度的重
要保障。

[0030] 其中，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的星敏感器还包括：超黑材料50。其中，超黑材料50在不成像区域微反射镜工作在第二工作状态(例如，第二工作状态为
“Off”工作状态)，并将星光反射至超黑材料50吸收，以对指定星点目标进行主动式成像时，
用于吸收DMD芯片20上微反射镜在第二工作状态下反射的星点能量。

[0031] 需要说明的是，下面以第一工作状态为“On”工作状态，且第二工作状态为“Off”工作状态进行详细举例。

[0032] 进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的星敏感器还包括：TIR棱镜60。其中，TIR棱镜60设置于前组光学镜头10和DMD芯片20之间，以通过TIR棱镜60使得DMD芯
片20上微反射镜在第一工作状态反射星光到后组光学镜头30，并配合DMD芯片20进行分光，
以阻住杂散光进入后组光学镜头30。

[0033] 可以理解的是，TIR棱镜60，用于配合DMD芯片20实现分光，避免杂散光进入后组光学镜头30。在本发明的实施例中，本发明实施例可以采用TIR棱镜60的设计思路，建立基于
DMD-TIR紧凑型抗杂光成像系统，实现从全面阵盲成像到高精度目标区域主动成像并解决
孔径角外杂散光的干扰的难题

[0034] 进一步地，在本发明的一个实施例中，星点数据处理系统具体用于利用压缩感知理论从探测器40采集数据中重构星图，并利用重构星图实现整幅图像范围内的星点预定
位，以得到星点预定位坐标数据，并利用预定位坐标数据生成多个星点区域模板，多个星点
区域模板的每个模板通过DMD驱动控制单元控制DMD芯片20翻转调制各个星点区域，进而利
用压缩感知理论从探测器40采集数据中得到重构星点区域，以进行星迹预测，并利用重构
星点区域进行星点提取和星图识别，进而解算卫星姿态。

[0035] 在本发明的一个具体实施例中，星敏感器组成包括：前组光学镜头10、DMD芯片20、DMD驱动控制单元、后组光学镜头30、探测器40、数据采集单元、星点数据处理系统、超黑材
料50和TIR棱镜60。

[0036] 其中，前组光学镜头10用于将星空成像在DMD芯片20上，并通过TIR棱镜60保证只有DMD芯片20上微反射镜在“On”工作状态反射星光到后组光学镜头30。TIR棱镜60用于配合
DMD芯片20可以实现分光，从而避免杂散光进入后组光学镜头30。DMD芯片20用于通过改变
微反射镜上的工作状态，从而控制星点区域微反射镜工作在“On”状态，并将星光反射到后
组光学镜头30，不成像区域微反射镜工作在“Off”状态，将星光反射到超黑材料50吸收，从
而实现对指定星点目标的主动式成像。DMD驱动控制单元用于驱动控制DMD芯片20。超黑材
料50吸收DMD芯片20上微反射镜“Off”状态下反射的星点能量。后组光学镜头30会聚DMD芯
片20上微反射镜“On”状态下反射的星点能量到探测器40上。探测器40探测被DMD芯片20上
微反射镜“On”状态反射的星点能量大小，将光信号转换为电信号，并传递给数据采集单元。
数据采集单元用于采集探测器40输出电信号，完成数据A/D转换。星点数据处理系统生成星
图随机模板，随机模板通过DMD驱动控制单元控制DMD芯片20翻转调制星图。利用压缩感知
理论从探测器40采集数据中重构星图，利用重构星图实现整幅图像范围内的星点预定位，
得到星点预定位坐标数据。

[0037] 可以理解的是，本发明实施例的星敏感器可以利用预定位数据生成针对各个星点区域模板，进而模板通过驱动控制单元控制DMD芯片20翻转调制各个星点区域。本发明实施
例的星敏感器利用压缩感知理论从探测器采集数据中重构星点区域，从而实现星迹预测的
目的。另外，本发明实施例的星敏感器利用重构星点区域进行星点提取和星图识别，进而解
算卫星姿态。

[0038] 根据本发明实施例提出的基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器，可以突破传统星敏感器面阵盲成像的方法局限，以DMD芯片代替CCD、CMOS成像焦平面，建立微反射
镜控制实现星点轨迹跟踪和能量会聚的成像策略，解决动态成像中星点拖尾而造成信噪比
降低的难题，动态性能显著提升，通过将DMD芯片应用于星敏感器中，从而提高星敏感器的
动态性能，并且提高更新率，以及有效提高星敏感器的精度。

[0039] 其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器的控制方法。

[0040] 图2是本发明一个实施例的基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器的控制方法流程图。

[0041] 如图2所示，该基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器的控制方法包括以下步骤：

[0042] 在步骤S201中，天球星图通过前组光学镜头成像在数字微反射镜器件DMD芯片。

[0043] 可选地，DMD芯片可以是一种用数字电压信号控制微反射镜单元的器件，通过控制微反射镜执行机械转动来实现光学控制功能。DMD芯片上的微机电结构单元是采用CMOS 
SRAM(Complementary Metal Oxide Semiconductor Static Random Access Memory，互补
金属氧化物半导体静止随机访问存储器)工艺加工出来的，其上每个微反射镜的转动是由
微反射镜和CMOS SRAM结构之间的电势差控制的。DMD芯片上层结构的制造是从CMOS SRAM
单元的锁存电路开始，再利用微纳机械加工技术，如等离子蚀刻处理等，加工出铝材质的金
属反射镜等上层机械结构，微反射镜的机械结构包括地址电极、绞链、轭和反射镜，利用硬
化光阻层经过等离子去灰处理后作为牺牲层来形成两个空气间隙。

[0044] 由于微反射镜的特殊机械结构和CMOS SRAM的存储单元只有“1”、“0”两个信号，所以每个微反射镜也只有两种状态：以水平为基准+12°和-12°。对于需要成像部分的存储器
单元加载数据“1”，微反射镜工作在“On”工作状态，正向转动+12°，不需要成像的部分的存
储器单元加载数据“0”，微反射镜工作在“Off”工作状态，反向转动-12°。

[0045] 其中，如图3所示，对于需要成像部分的存储器单元加载数据“1”，微反射镜工作在“On”工作状态，正向转动+12°，前组光学镜头的出射光通过TIR棱镜被微反射镜反射到后组
光学镜头，不需要成像的部分的存储器单元加载数据“0”，微反射镜工作在“Off”工作状态，
反向转动-12°，并且前组光学镜头的出射光被反射到超黑材料吸收。

[0046] 在步骤S202中，选择星点捕获模式，并生成整幅星图随机模板，整幅星图随机模板通过DMD驱动控制单元控制DMD芯片翻转调制星图。

[0047] 在步骤S203中，通过探测器采集随机模板调制星图数据，以利用压缩感知理论从随机模板调制星图数据中重构星图。

[0048] 可以理解的是，压缩感知又称压缩采样或者稀疏采样，基本思想是利用信号稀疏的特性，从较少的测量值中尽可能地还原出原始信号。压缩感知理论已经证明，通过最优化
求解，信号只需要少量的数据就可以被几乎完美地完整重构。这就要求每次采集到的数据
反映的不只是局部信息，而是包含全局信息的。在成像领域理解即是，镜头采集的并不是每
一个独立像素点的亮度信息，而是采集了视野与一个随机生成的测量矩阵的内积，是很多
个像素点亮度的组合。并且每一次的组合都是随机的，这就能保证在少量的测量次数下，也
可以几乎涵盖视野中的绝大多数像素点。

[0049] 需要说明的是，压缩感知完整重构的两个基本要求：首先采集的少量数据中必须包含全局信息；其次是可以找到一种算法能够从少量数据里还原原始信息。上述是压缩感
知的核心，在采集过程中去除冗余数据，只随机地采集很少一部分数据，可以理解的是，直
接采集传统信号处理中压缩之后的数据，并从这些数据中还原出完整信息。理论上压缩感
知的三个关键点是稀疏表示、测量矩阵、重构算法。稀疏表示方法有很多，典型的方法如离
散余弦变换、快速傅立叶变换、离散小波变换、冗余词典等。

[0050] 在步骤S204中，利用重构星图实现整幅图像范围内的星点预定位，并得到星点预定位坐标数据。

[0051] 可以理解的是，应用压缩感知理论于星敏感器中，通过生成相应的模板控制DMD芯片微反射镜阵列翻转调制星光，从而利用探测器采集调制数据以重构星图。

[0052] 在步骤S205中，选择星点跟踪姿态解算模式，并利用预定位坐标数据生成多个星点区域模板，多个星点区域模板的每个模板通过DMD驱动控制单元控制DMD芯片翻转调制各
个星点区域。

[0053] 在步骤S206中，通过探测器采集多个星点区域模板调制数据，以利用压缩感知理论从多个星点区域模板调制数据中得到重构星点区域，以进行星迹预测。

[0054] 举例而言，如图4所示，由于现实中的信号都是稀疏的，对于任意一个长度为N的信号x，都可以表示为x＝Ψs。其中，Ψ是基矩阵，在这组基下s只有K个元素非零，即s是K稀疏
的信号。由此可得，x和s都是原信号的等价表示，x可以看作是在时域或者空间域下的表示，
而s可以看作是在Ψ域下的表示。为了解出K个非零元素，可以执行M次测量，从而得到等式y
＝Φx＝ΦΨs。需要说明的是，这个测量过程不是适应性的，也就是说测量矩阵Φ是用一个
随机生成的泊松分布矩阵，并且预先设定好而不依赖信号x的。如果x是K稀疏的，并且这K个
非零元素在s中的位置已知，只要满足M≥K该问题即理论上可解。因为M＜＜N，相比于原来
测量所有N个元素，压缩感知需要的测量次数大大减少。本发明实施例可以通过OMP
(Orthogonal Matching Pursuit，正交匹配追踪)算法的若干次迭代，从而可以得到原始信
号。

[0055] 在步骤S207中，利用重构星点区域进行星点提取和星图识别，进而解算卫星姿态。

[0056] 进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的控制方法还包括：在不成像区域微反射镜工作在第二工作状态，并将星光反射至超黑材料吸收，以对指定星点目标进
行主动式成像时，吸收DMD芯片上微反射镜在第二工作状态下反射的星点能量。

[0057] 可以理解的是，DMD芯片用于通过改变微反射镜上的工作状态，控制星点区域微反射镜工作在“On”状态，将星光反射到后组光学镜头，不成像区域微反射镜工作在“Off”状
态，将星光反射到超黑材料吸收，从而实现对指定星点目标的主动式成像。

[0058] 进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的控制方法还包括：通过TIR棱镜使得DMD芯片上微反射镜在第一工作状态反射星光到后组光学镜头，并配合DMD芯片进
行分光，以阻住杂散光进入后组光学镜头。

[0059] 可以理解的是，星光可以通过前组光学镜头进入系统，并且通过TIR棱镜和DMD芯片的调制后，从而一部分光线进入后组光学镜头，可以被探测器探测到，而另一部分光线被
超黑材料吸收。也就是说，前组光学镜头和DMD芯片之间使用TIR棱镜，以保证DMD芯片微反
射镜调制效果。

[0060] 其中，DMD芯片上微反射镜在“On”工作状态将星光反射到后组光学镜头，使得被探测器探测到，在“Off”工作状态将星光反射到超黑材料进行吸收，杂光不进入后续光学系
统。

[0061] 举例而言，如图5所示，本发明实施例的主动成像式星敏感器包括：前组光学镜头、TIR棱镜、DMD芯片、DMD驱动控制单元、超黑材料、后组光学镜头、探测器、数据采集单元、星
点数据处理系统。

[0062] 其中，前组光学镜头用于将星空成像在DMD芯片上，并通过TIR棱镜保证只有DMD芯片上微反射镜在“On”工作状态反射星光到后组光学镜头。TIR棱镜，用于配合DMD芯片实现
分光，避免杂散光进入后组光学镜头。DMD芯片，用于通过改变微反射镜上的工作状态，控制
星点区域微反射镜工作在“On”状态，将星光反射到后组光学镜头，不成像区域微反射镜工
作在“Off”状态，将星光反射到超黑材料吸收，从而实现对指定星点目标的主动式成像。DMD
驱动控制单元，用于驱动控制DMD芯片。超黑材料，吸收DMD芯片上微反射镜“Off”状态下反
射的星点能量。后组光学镜头，会聚DMD芯片上微反射镜“On”状态下反射的星点能量到探测
器上。探测器探测被DMD芯片上微反射镜“On”状态反射的星点能量大小，将光信号转换为电
信号，并传递给数据采集单元。数据采集单元，用于采集探测器输出电信号，完成数据A/D转
换。星点数据处理系统，生成星图随机模板，随机模板通过驱动控制单元控制DMD芯片翻转
调制星图；利用压缩感知理论从探测器采集数据中重构星图，利用重构星图实现整幅图像
范围内的星点预定位，得到星点预定位坐标数据；利用预定位数据生成针对各个星点区域
模板，模板通过驱动控制单元控制DMD芯片翻转调制各个星点区域；利用压缩感知理论从探
测器采集数据中重构星点区域，实现星迹预测；利用重构星点区域进行星点提取和星图识
别，进而解算卫星姿态。

[0063] 根据本发明实施例提出的基于数字微反射镜器件的主动成像式星敏感器的控制方法，可以突破传统星敏感器面阵盲成像的方法局限，以DMD芯片代替CCD、CMOS成像焦平
面，建立微反射镜控制实现星点轨迹跟踪和能量会聚的成像策略，解决动态成像中星点拖
尾而造成信噪比降低的难题，动态性能显著提升，通过将DMD芯片应用于星敏感器中，从而
提高星敏感器的动态性能，并且提高更新率，以及有效提高星敏感器的精度。

[0064] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0065] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。

[0066] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0067] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0068] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。

[0069] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。