文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172768
中文引用格式: 鄭拓,,王冠雅. 國產(chǎn)化微小型星敏感器研究及應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(1):76-78,,83.
英文引用格式: Zheng Tuo,Wang Guanya. Research and application of domestic micro star sensor[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(1):76-78,83.
0 引言
星敏感器是所有敏感器中最為精密而且漂移最小的,是航天飛行器中重要的定姿系統(tǒng),。使用CMOS作為星敏感器的傳感器器件已經(jīng)是現(xiàn)在的主流方向,,國產(chǎn)星敏感器與國外先進(jìn)技術(shù)存在著較大的差距,使用國產(chǎn)化器件,,擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的微小型化星敏感器已經(jīng)變得迫在眉睫,。本文以某國產(chǎn)化CMOS APS芯片和SoPC控制芯片設(shè)計(jì)星敏感器,對其光學(xué)及電學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì),。
1 星敏感器設(shè)計(jì)
星敏感器系統(tǒng)由遮光罩,、光學(xué)鏡頭,、敏感器芯片及外圍電路,、數(shù)據(jù)處理器和電腦控制系統(tǒng)組成,其組成框圖如圖1所示,。
1.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文中使用的CMOS APS傳感器為某國產(chǎn)型號B1XXX,電路中各項(xiàng)功能,、指標(biāo),、參數(shù)、封裝形式,、引腳定義均兼容最常用的美國CYPRESS公司STAR1000產(chǎn)品,,其參數(shù)見表1。
星敏感器光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)會根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境而有所不同,,它主要由以下幾點(diǎn)確定:傳感器的像元尺寸,、光譜響應(yīng)特性、所需探測的最高星等,。光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)需要設(shè)定的有鏡頭的焦距,、光譜范圍、彌散斑尺寸,、通光孔徑,、中心波長透過率等[1]。
1.1.1 視場角的確定
視場角是確定光學(xué)鏡頭能夠探測到星空最大范圍的指標(biāo),。在同等條件下,,視場角越大,能夠觀測到的星數(shù)越多,。但是過多的星數(shù)會干擾后續(xù)的計(jì)算,,所以選擇合適的視場角是構(gòu)建光學(xué)系統(tǒng)的第一步。
本文使用的APS CMOS傳感器是某國產(chǎn)芯片,。像元尺寸15 μm,,分辨率1 024×1 024,工作波長范圍選定為400 nm~780 nm,。要求在任意姿態(tài)下捕獲4顆以上導(dǎo)航星的概率達(dá)到99%,,以便后續(xù)計(jì)算[2]。根據(jù)這一數(shù)據(jù)要求,,通過編程處理星表,,可得在給定視場內(nèi)觀測到各個星等的數(shù)量。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)當(dāng)星等為5.5等時,,選取視場角為20°×20°能夠滿足在任意視場內(nèi)觀測到4顆及以上星星這一條件,。故選取20°×20°作為視場角。
1.1.2 焦距的確定
焦距是確定成像平面到鏡面的距離,。由于選取的物體遠(yuǎn)近不同,,焦距會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。在太空中,,星星的位置與距離相對固定,,所以與普通的相機(jī)變焦不同,,星敏感器的焦距是固定的。現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)視場和焦距關(guān)系式為:
1.1.3 彌散斑尺寸的確定
本文以 20°×20°的視場角為例,,采用1 024×1 024 像元,,則單個像元僅能達(dá)到20/1 024≈0.019 5°≈70″。為了提高像元測算的精準(zhǔn)度,,需要將傳感器接收到的圖像進(jìn)行離焦,,使像點(diǎn)彌散開來,,從而使能量擴(kuò)散到周圍的數(shù)個像元,。將多個像元的能量信號進(jìn)行匯總,根據(jù)一定的算法,,共同計(jì)算并獲取星點(diǎn)的位置,。這樣做的目的是使得星點(diǎn)位置不僅僅從單個像元上獲得,而是能夠達(dá)到亞像元級別,。即亞像元內(nèi)插星點(diǎn)提取方法[3],。目前常用的彌散斑尺寸大小有2×2像元或者3×3像元,使用大的彌散斑尺寸能提高定位精度,,但會影響到后續(xù)的計(jì)算速度,。本文采取2×2像元大小作為彌散斑尺寸。
1.1.4 相對孔徑的確定
孔徑與焦距用相對孔徑F表示,,即F/#=f/D,。國標(biāo)GB/T 30111-2013中,對相對孔徑的定義是入瞳直徑與焦距的比值,,即D/f,,其數(shù)值在1/0.8~1/6之間選取。
F/#的計(jì)算由以下公式給出[4]:
其中Vth為信噪比,,取值5,;Id為暗電流噪聲;為其余噪聲總和,;τ為光學(xué)系統(tǒng)透過率,,取0.75;η為能量集中度,,取90%,;t為曝光積分時間,取100 ms,;a為像元尺寸,,取15 μm;k為探測器的光功當(dāng)量,;H為恒星發(fā)射到光學(xué)系統(tǒng)入瞳上的光照度,;QE為量子效率,;FF為面積占空比;d為彌散斑大小,,h為普朗克常數(shù),,v表示入射光中心波長對應(yīng)的頻率。最終計(jì)算結(jié)果為D≥25.2 mm,。則F/#=25.2/43.56=1:1.73,。符合國家標(biāo)準(zhǔn)范圍。
1.2 電學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.2.1 CMOS APS傳感器分析
本文所用的B1XXX是一款具有1 024×1 024分辨率的抗輻射CMOS圖像傳感器,,像素尺寸為15 μm×15 μm,。電路各項(xiàng)功能、指標(biāo),、封裝形式,、引腳定義均兼容美國CYPRESS公司的STAR1000產(chǎn)品。片內(nèi)集成了雙采樣技術(shù),、可變增益放大器(PGA)以及12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),。且片上ADC電學(xué)可隔離,既可以采用片上ADC數(shù)字量化輸出,,也可以依據(jù)用戶需求,,直接輸出光模擬信號。
電路具有智能窗口功能,,即像素陣列的X,、Y地址可隨機(jī)編程,實(shí)現(xiàn)對窗口大小,、起止地址的隨機(jī)控制,;具有高靈敏度(≥2.7 V/lux·s(@550 nm)),可適應(yīng)空間微光環(huán)境需求,;具有1,、2、4,、8倍可編程增益,,可以根據(jù)光照強(qiáng)弱控制輸出增益,適應(yīng)更寬工作環(huán)境,;具有雙斜積分功能,,可大大提高動態(tài)范圍,從而提高同一環(huán)境下強(qiáng)光弱光同時存在時的適應(yīng)性,;抗輻射總劑量能力≥100 Krad(Si),,抗單粒子閂鎖LET≥75 Mev·cm2/mg。
器件結(jié)構(gòu)及特點(diǎn):B1XXX的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。該圖像傳感器主要包含6個部分:像素陣列,、尋址邏輯,、前置列放大器、可編程增益放大器(PGA),、模擬多路選擇器和ADC,。
1.2.2 FPGA時序驅(qū)動模塊
焦平面圖像傳感器的選擇直接關(guān)系到星敏感器的核心設(shè)計(jì)。
本系統(tǒng)利用FPGA實(shí)現(xiàn)對CMOS圖像傳感器的驅(qū)動,、CMOS圖像傳感器與處理器系統(tǒng)的接口,,以及星圖存儲或星圖預(yù)處理等功能。單時鐘全同步的設(shè)計(jì)被設(shè)計(jì)中所使用,,外部20 MHz晶振提供了時鐘輸入來源,,內(nèi)部則進(jìn)行分頻處理。這一較為復(fù)雜的時序邏輯能夠通過編程得以實(shí)現(xiàn)[5],,如圖3所示,。
1.2.3 信號處理方案
信號處理板采用了國產(chǎn)SoPC核心信號處理板,該核心板基于國產(chǎn)SoPC進(jìn)行二次集成開發(fā),,將SoPC最小應(yīng)用系統(tǒng)、基礎(chǔ)配置電路和通信接口模塊集成在了尺寸為51.4 mm×51.4 mm的小型SoC板上,。其中SoPC芯片總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示,。
此外,核心信號處理板還包括了基礎(chǔ)的配置及與應(yīng)用系統(tǒng)的通信接口,,主要包括:PLL配置,、調(diào)試接口配置、復(fù)位模塊,、時鐘模塊,、FPGA配置等。通信接口主要包括:1553通信接口,、ADC接口,、串行通信接口、可擴(kuò)展GPIO接口,、中斷接口,、I2C總線、定時器/計(jì)數(shù)器輸入/輸出接口,、測試與指示接口等,。這些基本可以滿足星敏感器的軟件需求。
最終設(shè)計(jì)方案為:將星敏感器電學(xué)系統(tǒng)(不含外殼)尺寸小型化到60 mm×60 mm,,2塊電路板重量(含緊固件)共計(jì)約60 g,,靜態(tài)功耗約1.2 W。
2 APS星敏感器軟件方案
星敏感器的軟件算法主要包括星庫建立,、星圖預(yù)處理,、星圖識別與星圖匹配,、姿態(tài)解算等部分。
(1)星庫建立
星庫是根據(jù)星表篩選后建立的導(dǎo)航星的集合,,其作用是在進(jìn)行星圖匹配時提供匹配的依據(jù),。確定好星表后,就可以根據(jù)星表建立起相應(yīng)的導(dǎo)航星庫,。
(2)星圖預(yù)處理
在傳感器獲得圖像之后,,由于各種噪聲的存在,需要在處理數(shù)據(jù)之前進(jìn)行降噪,,隨后將星點(diǎn)質(zhì)心提取,,提供給星圖識別算法。
在實(shí)際應(yīng)用中采用了簡單的平均值去噪方法,。由于固定噪聲的數(shù)值在一定范圍內(nèi)不規(guī)律地呈現(xiàn),,故可以取其平均值作為系統(tǒng)的固定噪聲,再用采集的圖像與平均值求差,,可以得到初步的降噪效果,。具體方法為:使用星敏感器系統(tǒng)連續(xù)拍攝在黑暗條件下的圖片,獲取其中噪點(diǎn)的信息,,包括位置及數(shù)值,。在同一位置獲得的噪點(diǎn)信息,使用平均值法算出均值作為其最終數(shù)值,。
由于積分時間不同,,固定噪聲呈現(xiàn)出的噪點(diǎn)會有略微不同。統(tǒng)計(jì)在積分時間為10 ms,、50 ms,、100 ms的情況下,采用10次平均值方法得出的平均噪聲與實(shí)際的差值,。
在采集全黑的圖片時,,固定噪聲干擾會帶來大約3.6%左右的影響。噪聲灰度值集中在08~10左右,。當(dāng)使用平均值去噪方法后,,噪聲灰度值集中在00~02左右。表2為不同積分時間下使用平均值去噪的效果,。
(3)星圖識別與星圖匹配
在提取質(zhì)心信息后,,在導(dǎo)航星庫中搜索識別相同信息的導(dǎo)航星,如果獲得唯一匹配的導(dǎo)航星,,則匹配成功,。
(4)姿態(tài)解算
當(dāng)匹配成功后進(jìn)行姿態(tài)解算,算出當(dāng)前的姿態(tài)角或四元數(shù)數(shù)據(jù),,輸出結(jié)果,。
圖5為星敏感器軟件流程圖,。
3 結(jié)論
本文根據(jù)某國產(chǎn)抗輻射COMS APS芯片和SoPC控制芯片,設(shè)計(jì)了微小型星敏感器的光學(xué)及電學(xué)系統(tǒng),。根據(jù)現(xiàn)有的傳感器特性,,有針對性地選擇合適的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù),并得出其確定參數(shù),。光學(xué)系統(tǒng)在確定了視場角和APS傳感器之后,,就可以依次得出焦距、相對孔徑等參數(shù),。星敏感器根據(jù)硬件及系統(tǒng)的要求,,設(shè)計(jì)了FPGA驅(qū)動模塊和信號處理模塊。星敏感器硬件完全國產(chǎn)自主化,,并符合GB/T 30111-2013中對于星敏感器的要求,,軟件部分根據(jù)現(xiàn)有的器件參數(shù)進(jìn)行編程。最后,,設(shè)計(jì)并完成了一套國產(chǎn)化星敏感器實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī),。
參考文獻(xiàn)
[1] 黃欣.星敏感器光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的確定[J].航天控制,2000(1):44-50.
[2] 吳峰.自主導(dǎo)航星敏感器關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].蘇州:蘇州大學(xué),,2012.
[3] 何家維.高精度全天時星敏感器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長春:中國科學(xué)院研究生院,,2013.
[4] 吳峰.自主導(dǎo)航星敏感器關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].蘇州:蘇州大學(xué),2012.
[5] 袁家虎.導(dǎo)航星敏感器技術(shù)研究[D].成都:四川大學(xué),,1999.