基于CMOS圖像傳感器的納型衛星遙感系統設計

作者：時(shí)間：2009-09-15 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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納型衛星是指質(zhì)量在1～10kg 之間的衛星。與微型衛星相比, 納型衛星對遙感系統在質(zhì)量、體積、功耗等方面的要求更加苛刻。目前廣泛用于微型衛星遙感系統的電荷耦合器件CCD很難滿(mǎn)足納型衛星的使用要求。CMOS圖像傳感器采用標準的CMOS 技術(shù), 繼承了CMOS 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn), 如靜態(tài)功耗低、動(dòng)態(tài)功耗與工作頻率成比例、噪聲容限大、抗干擾能力強、特別適合于噪聲環(huán)境惡劣條件下工作、工作速度較快、只需要單一工作電源等。雖然CMOS 器件的研究還未完全成熟, 如電離環(huán)境下暗電流稍大等問(wèn)題還沒(méi)有很好地解決,還不能完全取代CCD, 但不可否認CMOS 器件將是未來(lái)遙感傳感器的發(fā)展方向。本文設計了一套納型衛星CMOS 遙感系統, 并對其進(jìn)行了熱循環(huán)實(shí)驗研究。

1　納型衛星遙感系統的設計

1. 1　遙感系統總體設計
納星遙感系統如圖1 所示, 包括鏡頭、CMOS圖像傳感器、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA、靜態(tài)隨機存儲器SRAM 和微控制器5 部分。

圖1　納星遙感系統框圖

1. 2　光學(xué)系統設計

1) 焦距設計
遙感相機光學(xué)系統的原理如圖2 所示。圖中用一個(gè)透鏡代表實(shí)際光學(xué)系統的透鏡組, 示意了視場(chǎng)中地面景物的最小可分辨單元在成像面上產(chǎn)生一個(gè)相應的點(diǎn)。對于衛星遙感相機的光學(xué)系統, 因為成像物距等于衛星軌道高度h, 相對于焦距f 來(lái)說(shuō)可認為是無(wú)窮遠, 所以可認為光線(xiàn)都是近軸的平行光。這些近軸平行光通過(guò)光學(xué)系統的透鏡組后, 匯聚在透鏡組的焦平面上。因此, 從透鏡組中心到焦點(diǎn)的距離, 焦距將大體上決定聚光系統的長(cháng)度, 而光學(xué)系統的理論分辨率則主要由光學(xué)孔徑D決定。

圖2　光學(xué)系統原理圖

在實(shí)際設計中, 焦距通常是根據地面分辨率和圖像傳感器的大小通過(guò)下式來(lái)確定的:

式中: h為衛星到地面的距離, r_d為CMOS圖像傳感器探測面半徑, R為相機成像覆蓋半徑。

2) 光學(xué)孔徑設計
為保證成像器件探測面獲得足夠的曝光量, 根據遙感光學(xué)系統的經(jīng)驗計算相機光學(xué)系統的光圈數:

實(shí)際設計中, 一般取F≤4～5。

遙感相機光學(xué)系統可近似為望遠鏡系統, 其最小分辨角, 即望遠鏡分辨率, 可用剛好能分辨開(kāi)的兩物點(diǎn)對系統的張角θ_r表示, 根據望遠鏡分辨率和Rayleigh 衍射判據有如下計算式:

式中λ為中心波長(cháng)。光學(xué)系統在平坦地面上的理論分辨率為

式中θ_t為地物中心對光學(xué)系統的張角。
設計中應綜合考慮式(2) 和(4) 的結果, 選定的設計參數在保證遙感系統獲得足夠光照的情況下,要同時(shí)滿(mǎn)足設計分辨率的要求。

1. 3　電子系統設計

考慮到星地相對運動(dòng)速度, 每幅圖像的曝光時(shí)間約為幾毫秒, 故設計中采用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA ) 對CMOS 圖像傳感器進(jìn)行時(shí)序控制, 并將輸出的圖像數據保存到SRAM 中。當需要傳輸圖像的時(shí)候, 由FPGA 將保存在SRAM 中的圖像數據讀出, 通過(guò)CAN總線(xiàn)傳至星上數據處理系統。

1) 器件選型
CMOS圖像傳感器按照像元電路可分為無(wú)源像素傳感器(PPS) 和有源像素傳感器(APS)。目前國際上能夠買(mǎi)到的分辨率達到106級以上的CMOS圖像傳感器并不多, 價(jià)格差異也很大, 設計中應根據CMOS 圖像傳感器的光學(xué)要求和市場(chǎng)狀況綜合選型。為保證成像質(zhì)量, 納型衛星上宜選用CMOS 有源像素傳感器。

FPGA根據實(shí)現技術(shù)機理的不同, 可分為反熔絲型、EPROM或EEPROM型、Flash型、SRAM型等幾種。根據航天器件要求, FPGA 控制器件宜選擇反熔絲型FPGA 產(chǎn)品。選擇SRAM 時(shí), 主要考慮圖像數據量要求以及SRAM的數據端口位數、存取時(shí)間、工作溫度、功耗等因素。

CAN總線(xiàn)接口的主要任務(wù)是接收星上數據處理模塊發(fā)來(lái)的命令, 完成對相機的相關(guān)監控, 將獲得的圖像數據分時(shí)發(fā)送給星上數據處理模塊。本文選用的微處理器在MCS251 系列單片機的基礎上集成了CAN 控制器, 既可以實(shí)現對遙感系統簡(jiǎn)單的監控功能, 又可以方便地實(shí)現CAN 通訊功能。

2) FPGA 控制器設計
作為相機成像模塊的控制核心, FPGA 負責產(chǎn)生所有重要的控制時(shí)序, 包括產(chǎn)生CMOS 圖像傳感器的工作時(shí)序, 把讀出CMOS 圖像傳感器數據存到SRAM 中; 將存放在SRAM 中的圖像數據分時(shí)輸出。整個(gè)FPGA 的傳輸模型如圖3 所示。

圖3　FPGA 設計模型圖

FPGA 對CMOS 圖像傳感器的成像控制如狀態(tài)轉換圖4 所示。當系統啟動(dòng)后, FPGA 先向CMOS 圖像傳感器發(fā)出芯片復位指令, 芯片復位完成后, 讓Reset 指針沿著(zhù)像素矩陣逐行移動(dòng), 而使Read 指針保持在初始位置(第0 行) , 進(jìn)行讀前行復位。當Reset 指針到達某一目標行, 其間所間隔的時(shí)間滿(mǎn)足積分時(shí)間時(shí), 即開(kāi)始激活Read 指針, 并開(kāi)始移動(dòng)Read 指針, 進(jìn)行讀取。如此循環(huán)交替移動(dòng)兩個(gè)指針, 不斷進(jìn)行讀間行復位、行讀取、讀間等待, 即可保證整個(gè)像素陣列各行都符合所要求的積分時(shí)間。

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