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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圖4　FPGA 狀態(tài)轉換圖

3) CAN 總線(xiàn)接口設計
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, 監控遙感相機模塊的工作狀態(tài),包括遙感相機模塊的電源控制、電流監測、溫度監測、曝光時(shí)間控制等功能, 并將獲得的圖像數據分時(shí)發(fā)送給星上數據處理模塊。設計上, 星上數據處理模塊發(fā)來(lái)的指令會(huì )使微控制器進(jìn)入中斷, 設置相應的標志。微控制器查詢(xún)各標志的變化, 根據星上CAN通訊協(xié)議完成相關(guān)動(dòng)作, 包括監測遙感模塊工作溫度、工作電流, 設置曝光時(shí)間, 進(jìn)行圖像數據傳輸等操作。

2　納型衛星遙感系統的熱循環(huán)實(shí)驗

2. 1　實(shí)驗系統及方案
為了方便完成在設計階段的單模塊調試, 實(shí)現遙感系統地面原理與性能測試, 本文采用PC機模擬星上數據處理系統, 利用CAN 卡將CMOS 相機與PC機相連, 建立了一套CMOS遙感系統地面測試系統。
　　
本文采用德國Vtsch IndustrietechnikVT7034 型恒溫實(shí)驗箱, 在60～- 5℃溫度區間內,每下降5℃采集一組暗圖像。熱循環(huán)實(shí)驗之所以按照從高溫到低溫的順序進(jìn)行, 是因為實(shí)驗所用恒溫箱不能抽真空。如果反過(guò)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗, 盡管不斷向恒溫箱內充氮氣, 箱內微量空氣中的水氣仍可能凝結在相機上, 影響實(shí)驗結果。

2. 2　特征參數的提取

1) 平均暗輸出
平均暗輸出是在沒(méi)有光照的條件下圖像傳感器輸出的平均灰度值, 可由下式進(jìn)行計算:

其中: I _i,j是圖像傳感器在無(wú)光照條件下輸出的暗圖像灰度值矩陣, M 、N 是圖像傳感器像素陣列的行數和列數。

2) 暗不一致性
理想情況下, 在無(wú)光照的時(shí)候圖像傳感器的輸出也應該是均勻的。但是圖像傳感器的像素間總是存在差異的, 因此暗輸出總有波動(dòng)。波動(dòng)的大小表明圖像傳感器像素性能的穩定性, 計算方法是求出暗圖像各像素輸出灰度值的標準差

其中各符號的含義與暗噪聲計算式(5) 相同。

2. 3　實(shí)驗結果及分析
按照2. 1 所述的方案進(jìn)行實(shí)驗, 得到了CMOS相機在60～- 5 ℃溫度區間內平均暗輸出以及暗不一致性隨溫度的變化曲線(xiàn), 分別如圖5、圖6 所示。

圖5　平均暗輸出隨溫度的變化曲線(xiàn)

圖6　暗不一致性隨溫度的變化曲線(xiàn)

從圖中可以看出, 平均暗輸出隨著(zhù)溫度的升高大致呈上升趨勢。當溫度小于10 ℃時(shí), 平均暗輸出上升速度較快;10～ 15 ℃上升趨緩;從15 ℃開(kāi)始略有下降,到30 ℃時(shí)達到低谷,10～30℃之間,總的來(lái)說(shuō)平均暗輸出值變化比較平穩; 30 ℃以上, 平均暗輸出值又以較快的速度上升。本文選用的CMOS圖像傳感器為256 級灰度輸出, 實(shí)驗中平均暗輸出的變化范圍為7.7567～10.1092。

平均暗輸出之所以隨著(zhù)溫度的升高大致呈上升趨勢, 是因為溫度升高, CMOS圖像傳感器及其外圍電子器件的熱噪聲都會(huì )升高; 而平均暗輸出在10～30 ℃之間變化比較平穩, 甚至在15～30 ℃之間略有下降, 是因為CMOS圖像傳感器在設計上的特殊考慮保證了其在常溫下具有最優(yōu)的工作性能;這同時(shí)也說(shuō)明了這套遙感系統的電噪聲主要來(lái)源于CMOS圖像傳感器。

暗不一致性隨溫度的變化不大, 實(shí)驗中其變化范圍為0.6148～0.8542,比平均暗輸出低一個(gè)數量級, 可以忽略。
實(shí)驗中還測試了CMOS相機的耐低溫性能。關(guān)機后將相機降溫至- 25 ℃,達到溫度平衡后再升溫至0 ℃,開(kāi)機采集圖像, 分析其性能變化。實(shí)驗測得經(jīng)受低溫后, CMOS相機在0℃下的平均暗輸出為7.2323, 比先前略有降低; 暗不一致性為0.8781,比先前略有增大。由于實(shí)驗中暗不一致性始終比平均暗輸出低一個(gè)數量級, 其變化相對平均暗輸出可以忽略, 所以這個(gè)結果說(shuō)明關(guān)機狀態(tài)下低溫環(huán)境不會(huì )對CMOS相機的成像質(zhì)量產(chǎn)生顯著(zhù)的不良影響。綜上所述, 本文設計的這套CMOS遙感相機在10～30℃之間平均暗輸出變化平穩, 暗不一致性可以忽略,有利于對成像質(zhì)量的控制和校正,是理想的成像溫度范圍。

3　結論與展望

本文設計了一套納型衛星CMOS遙感系統, 體積為62mm×62mm×35mm,功耗小于0.6W, 質(zhì)量小于150g,采用10μm像素尺寸、1024×1024像素數目的CMOS圖像傳感器, 光譜響應范圍為400～800nm,配合焦距為50mm的鏡頭,在800km的太陽(yáng)同步軌道上,可以實(shí)現大于150km×150km的地面覆蓋面積和優(yōu)于160m 的地面分辨率,適于納型衛星獲取多光譜和彩色的普查信息。熱循環(huán)實(shí)驗表明, 該CMOS遙感相機能夠耐受空間環(huán)境中- 25～60 ℃的衛星艙內溫度變化, 在10～30 ℃的溫度范圍內工作穩定,可通過(guò)地面測試數據對其在空間獲取的圖像進(jìn)行校正補償。

由于國際上對CMOS圖像傳感器在航天領(lǐng)域的應用研究較少, 所以設計出來(lái)的CMOS相機在上天之前, 還需要研究其熱真空性能和抗輻照性能, 提出相應的補償、加固措施。

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