基于CMOS图像传感器的纳型卫星遥感系统设计

文章摘要：式中θt为地物中心对光学系统的张角。 设计中应综合考虑式(2) 和(4) 的结果, 选定的设计参数在保证遥感系统获得足够光照的情况下,要同时满足设计分辨率的要求。 1. 3电子系统设计 考虑到星地相对运动速度, 每幅图像的曝光时间约为几毫秒, 故设计中采用现场可编程门阵列(FPGA ) 对CMOS 图像传感器进行时序控制, 并将输出的图像数据保存到SRAM 中。当需要传输图像的时候, 由FPGA 将保存在SRAM 中的图像数据读出, 通过CAN总线传至星上数据处理系统。 1) 器件选型 CMOS图像传感器按照像元电路可分为无源像素传感器(PPS) 和有源像素传感器(APS)。目前国际上能够买到

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式中θ_t为地物中心对光学系统的张角。
　　设计中应综合考虑式(2) 和(4) 的结果, 选定的设计参数在保证遥感系统获得足够光照的情况下,要同时满足设计分辨率的要求。

1. 3　电子系统设计

　　考虑到星地相对运动速度, 每幅图像的曝光时间约为几毫秒, 故设计中采用现场可编程门阵列(FPGA ) 对CMOS 图像传感器进行时序控制, 并将输出的图像数据保存到SRAM 中。当需要传输图像的时候, 由FPGA 将保存在SRAM 中的图像数据读出, 通过CAN总线传至星上数据处理系统。

1) 器件选型
　　CMOS图像传感器按照像元电路可分为无源像素传感器(PPS) 和有源像素传感器(APS)。目前国际上能够买到的分辨率达到106级以上的CMOS图像传感器并不多, 价格差异也很大, 设计中应根据CMOS 图像传感器的光学要求和市场状况综合选型。为保证成像质量, 纳型卫星上宜选用CMOS 有源像素传感器。

　　FPGA根据实现技术机理的不同, 可分为反熔丝型、EPROM或EEPROM型、Flash型、SRAM型等几种。根据航天器件要求, FPGA 控制器件宜选择反熔丝型FPGA 产品。选择SRAM 时, 主要考虑图像数据量要求以及SRAM的数据端口位数、存取时间、工作温度、功耗等因素。

　　CAN总线接口的主要任务是接收星上数据处理模块发来的命令, 完成对相机的相关监控, 将获得的图像数据分时发送给星上数据处理模块。本文选用的微处理器在MCS251 系列单片机的基础上集成了CAN 控制器, 既可以实现对遥感系统简单的监控功能, 又可以方便地实现CAN 通讯功能。

2) FPGA 控制器设计
　　作为相机成像模块的控制核心, FPGA 负责产生所有重要的控制时序, 包括产生CMOS 图像传感器的工作时序, 把读出CMOS 图像传感器数据存到SRAM 中; 将存放在SRAM 中的图像数据分时输出。整个FPGA 的传输模型如图3 所示。

图3　FPGA 设计模型图

　　FPGA 对CMOS 图像传感器的成像控制如状态转换图4 所示。当系统启动后, FPGA 先向CMOS 图像传感器发出芯片复位指令, 芯片复位完成后, 让Reset 指针沿着像素矩阵逐行移动, 而使Read 指针保持在初始位置(第0 行) , 进行读前行复位。当Reset 指针到达某一目标行, 其间所间隔的时间满足积分时间时, 即开始激活Read 指针, 并开始移动Read 指针, 进行读取。如此循环交替移动两个指针, 不断进行读间行复位、行读取、读间等待, 即可保证整个像素阵列各行都符合所要求的积分时间。

图4　FPGA 状态转换图

3) CAN 总线接口设计
　　CAN 总线接口的主要任务是接收星上数据处理模块发来的命令, 监控遥感相机模块的工作状态,包括遥感相机模块的电源控制、电流监测、温度监测、曝光时间控制等功能, 并将获得的图像数据分时发送给星上数据处理模块。设计上, 星上数据处理模块发来的指令会使微控制器进入中断, 设置相应的标志。微控制器查询各标志的变化, 根据星上CAN通讯协议完成相关动作, 包括监测遥感模块工作温度、工作电流, 设置曝光时间, 进行图像数据传输等操作。

2　纳型卫星遥感系统的热循环实验

2. 1　实验系统及方案
　　为了方便完成在设计阶段的单模块调试, 实现遥感系统地面原理与性能测试, 本文采用PC机模拟星上数据处理系统, 利用CAN 卡将CMOS 相机与PC机相连, 建立了一套CMOS遥感系统地面测试系统。
　　
　　本文采用德国Vtsch Industrietechnik VT7034 型恒温实验箱, 在60～- 5℃温度区间内,每下降5℃采集一组暗图像。热循环实验之所以按照从高温到低温的顺序进行, 是因为实验所用恒温箱不能抽真空。如果反过来进行实验, 尽管不断向恒温箱内充氮气, 箱内微量空气中的水气仍可能凝结在相机上, 影响实验结果。

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