基于CMOS圖像傳感器的納型衛(wèi)星遙感系統(tǒng)設(shè)計

作者：時間：2009-09-15 來源：網(wǎng)絡(luò)

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納型衛(wèi)星是指質(zhì)量在1～10kg 之間的衛(wèi)星。與微型衛(wèi)星相比, 納型衛(wèi)星對遙感系統(tǒng)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(wèi)星遙感系統(tǒng)的電荷耦合器件CCD很難滿足納型衛(wèi)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, 如靜態(tài)功耗低、動態(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題還沒有很好地解決,還不能完全取代CCD, 但不可否認CMOS 器件將是未來遙感傳感器的發(fā)展方向。本文設(shè)計了一套納型衛(wèi)星CMOS 遙感系統(tǒng), 并對其進行了熱循環(huán)實驗研究。

1　納型衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的設(shè)計

1. 1　遙感系統(tǒng)總體設(shè)計
納星遙感系統(tǒng)如圖1 所示, 包括鏡頭、CMOS圖像傳感器、現(xiàn)場可編程門陣列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(tǒng)框圖

1. 2　光學系統(tǒng)設(shè)計

1) 焦距設(shè)計
遙感相機光學系統(tǒng)的原理如圖2 所示。圖中用一個透鏡代表實際光學系統(tǒng)的透鏡組, 示意了視場中地面景物的最小可分辨單元在成像面上產(chǎn)生一個相應(yīng)的點。對于衛(wèi)星遙感相機的光學系統(tǒng), 因為成像物距等于衛(wèi)星軌道高度h, 相對于焦距f 來說可認為是無窮遠, 所以可認為光線都是近軸的平行光。這些近軸平行光通過光學系統(tǒng)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的距離, 焦距將大體上決定聚光系統(tǒng)的長度, 而光學系統(tǒng)的理論分辨率則主要由光學孔徑D決定。

圖2　光學系統(tǒng)原理圖

在實際設(shè)計中, 焦距通常是根據(jù)地面分辨率和圖像傳感器的大小通過下式來確定的:

式中: h為衛(wèi)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) 光學孔徑設(shè)計
為保證成像器件探測面獲得足夠的曝光量, 根據(jù)遙感光學系統(tǒng)的經(jīng)驗計算相機光學系統(tǒng)的光圈數(shù):

實際設(shè)計中, 一般取F≤4～5。

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

式中λ為中心波長。光學系統(tǒng)在平坦地面上的理論分辨率為

式中θ_t為地物中心對光學系統(tǒng)的張角。
設(shè)計中應(yīng)綜合考慮式(2) 和(4) 的結(jié)果, 選定的設(shè)計參數(shù)在保證遙感系統(tǒng)獲得足夠光照的情況下,要同時滿足設(shè)計分辨率的要求。

1. 3　電子系統(tǒng)設(shè)計

考慮到星地相對運動速度, 每幅圖像的曝光時間約為幾毫秒, 故設(shè)計中采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA ) 對CMOS 圖像傳感器進行時序控制, 并將輸出的圖像數(shù)據(jù)保存到SRAM 中。當需要傳輸圖像的時候, 由FPGA 將保存在SRAM 中的圖像數(shù)據(jù)讀出, 通過CAN總線傳至星上數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

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

FPGA根據(jù)實現(xiàn)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(jù)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, 主要考慮圖像數(shù)據(jù)量要求以及SRAM的數(shù)據(jù)端口位數(shù)、存取時間、工作溫度、功耗等因素。

CAN總線接口的主要任務(wù)是接收星上數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)來的命令, 完成對相機的相關(guān)監(jiān)控, 將獲得的圖像數(shù)據(jù)分時發(fā)送給星上數(shù)據(jù)處理模塊。本文選用的微處理器在MCS251 系列單片機的基礎(chǔ)上集成了CAN 控制器, 既可以實現(xiàn)對遙感系統(tǒng)簡單的監(jiān)控功能, 又可以方便地實現(xiàn)CAN 通訊功能。

2) FPGA 控制器設(shè)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序, 包括產(chǎn)生CMOS 圖像傳感器的工作時序, 把讀出CMOS 圖像傳感器數(shù)據(jù)存到SRAM 中; 將存放在SRAM 中的圖像數(shù)據(jù)分時輸出。整個FPGA 的傳輸模型如圖3 所示。

圖3　FPGA 設(shè)計模型圖

FPGA 對CMOS 圖像傳感器的成像控制如狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖4 所示。當系統(tǒng)啟動后, FPGA 先向CMOS 圖像傳感器發(fā)出芯片復(fù)位指令, 芯片復(fù)位完成后, 讓Reset 指針沿著像素矩陣逐行移動, 而使Read 指針保持在初始位置(第0 行) , 進行讀前行復(fù)位。當Reset 指針到達某一目標行, 其間所間隔的時間滿足積分時間時, 即開始激活Read 指針, 并開始移動Read 指針, 進行讀取。如此循環(huán)交替移動兩個指針, 不斷進行讀間行復(fù)位、行讀取、讀間等待, 即可保證整個像素陣列各行都符合所要求的積分時間。