随着科技的发展以及各国对太空环境的日益重视,人类对太空的探索活动不断增加,越来越多的航天器被送入太空,由此带来的太空环境安全问题不容忽视。空间监视对于维护太空资源安全、避免空间目标碰撞具有重要意义,同时也为航天器交会、在轨维护以及空间碎片清理等任务提供必要的信息支援。其中,空间目标检测是空间监视系统的核心技术,所以对该技术进行深入研究具有现实意义和应用价值。本论文采用天基广域监视系统对空间目标进行探测。与地基监视相比,该系统具有不受光照气象等约束、探测覆盖面广、机动灵活等优势,但与此同时天基监视实现时也存在诸多难点。首先,视场内恒星数量众多,并且其成像与空间目标十分相似,容易产生虚警,对空间目标检测造成干扰;其次,图像中可能包含不同轨道高度的多空间目标,其成像尺寸、能量、运动速度和方向等差异大,且运动轨迹可能出现不连续、非线性等情况,导致空间目标检测难度大幅增加;最后,图像数据量大,硬件实现时,如何保证星上图像处理算法处理效果的同时节省硬件资源,并且提高系统的实时性也是我们需要解决的问题。上述问题给空间目标检测和实现带来诸多挑战,因此,本文围绕天基图像背景噪声和恒星的去除、空间目标检测以及星上图像处理算法的硬件快速实现三个方面展开研究,主要包括以下内容。(1)星图预处理技术研究首先,我们对星图背景的成像特性进行分析,对非均匀背景进行估计和去除。之后,提出了一种基于图像行计算的改进自适应阈值分割算法,可对背景噪声的均值和标准差进行准确地估计,同时达到减少计算花销的目的。此外,提出了一种基于时间索引图像的全方向形态学滤波算法,对背景恒星和噪声进行有效地去除,从而,在预处理阶段降低背景恒星和噪声对目标检测的干扰。(2)天基空间目标检测技术研究本文在去除了大部分背景恒星和噪声的基础上,针对视场内存在多个空间目标,且目标运动速度、方向各异,运动轨迹非线性、不连续等问题,首先,采用一种基于目标相对帧间运动距离的有效状态转移区域预测算法,对多空间目标的运动分别进行区域预测,同时降低了对质心定位精度的要求。其次,提出了一种基于状态转移滑动窗口法的目标检测算法,可对具有不连续轨迹(目标在单帧图像中丢失)的空间目标进行有效检测,信噪比等于3时,检测率可达到98%以上。为了进一步提高空间目标的检测概率,提出了一种基于状态转移多级假设检验的空间目标检测算法,该算法改进了空间目标轨迹候选点的搜索范围及搜索方式,解决复杂条件下目标检测的难题。实验结果表明,在信噪比大于等于3时,可对仿真图像数据集中的所有空间目标进行有效检测,检测率达到100%;在信噪比等于1.5时,检测率仍可达到92%。(3)基于FPGA的星上图像处理算法设计及仿真验证基于赛灵思(Xilinx)公司生产的Virtex-4系列FPGA XC4VSX55,对星上图像处理算法进行设计。首先,在非均匀背景估计及去除方面,采用一维结构元素代替二维结构元素进行形态学滤波处理,在保证滤波效果的同时便于算法在硬件架构上的实现。其次,在图像阈值分割方面,非均匀背景去除后的图像的背景噪声均值可忽略不计,标准差的倍数即为分割阈值,从而阈值计算公式得以简化。之后,为算法设计了相应的硬件逻辑框图,整个结构采用“全局流水化、局部并行化”的方式,充分利用FPGA并行执行的优势,极大地满足了星上图像处理算法实时性的要求。