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

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(biāo)準(zhǔn)的CMOS 技術(shù), 繼承了CMOS 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn), 如靜態(tài)功耗低、動態(tài)功耗與工作頻率成比例、噪聲容限大、抗干擾能力強(qiáng)、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(rèn)CMOS 器件將是未來遙感傳感器的發(fā)展方向。本文設(shè)計(jì)了一套納型衛(wèi)星CMOS 遙感系統(tǒng), 并對其進(jìn)行了熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究。

1　納型衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1. 1　遙感系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
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(jī)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1) 焦距設(shè)計(jì)
遙感相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)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(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(gè)相應(yīng)的點(diǎn)。對于衛(wèi)星遙感相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng), 因?yàn)槌上裎锞嗟扔谛l(wèi)星軌道高度h, 相對于焦距f 來說可認(rèn)為是無窮遠(yuǎn), 所以可認(rèn)為光線都是近軸的平行光。這些近軸平行光通過光學(xué)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(diǎn)的距離, 焦距將大體上決定聚光系統(tǒng)的長度, 而光學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)原理圖

在實(shí)際設(shè)計(jì)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(jī)成像覆蓋半徑。

2) 光學(xué)孔徑設(shè)計(jì)
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(xué)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的光圈數(shù):

實(shí)際設(shè)計(jì)中, 一般取F≤4～5。

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

式中λ為中心波長。光學(xué)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(xué)系統(tǒng)的張角。
設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮式(2) 和(4) 的結(jié)果, 選定的設(shè)計(jì)參數(shù)在保證遙感系統(tǒng)獲得足夠光照的情況下,要同時(shí)滿足設(shè)計(jì)分辨率的要求。

1. 3　電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到星地相對運(yùn)動速度, 每幅圖像的曝光時(shí)間約為幾毫秒, 故設(shè)計(jì)中采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA ) 對CMOS 圖像傳感器進(jìn)行時(shí)序控制, 并將輸出的圖像數(shù)據(jù)保存到SRAM 中。當(dāng)需要傳輸圖像的時(shí)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(dá)到106級以上的CMOS圖像傳感器并不多, 價(jià)格差異也很大, 設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)CMOS 圖像傳感器的光學(xué)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(shí)現(xiàn)技術(shù)機(jī)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(shí), 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(shí)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(jī)的相關(guān)監(jiān)控, 將獲得的圖像數(shù)據(jù)分時(shí)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(jī)的基礎(chǔ)上集成了CAN 控制器, 既可以實(shí)現(xiàn)對遙感系統(tǒng)簡單的監(jiān)控功能, 又可以方便地實(shí)現(xiàn)CAN 通訊功能。

2) FPGA 控制器設(shè)計(jì)
作為相機(jī)成像模塊的控制核心, FPGA 負(fù)責(zé)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(shù)據(jù)存到SRAM 中; 將存放在SRAM 中的圖像數(shù)據(jù)分時(shí)輸出。整個(gè)FPGA 的傳輸模型如圖3 所示。

圖3　FPGA 設(shè)計(jì)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(dāng)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(jìn)行讀前行復(fù)位。當(dāng)Reset 指針到達(dá)某一目標(biāo)行, 其間所間隔的時(shí)間滿足積分時(shí)間時(shí), 即開始激活Read 指針, 并開始移動Read 指針, 進(jìn)行讀取。如此循環(huán)交替移動兩個(gè)指針, 不斷進(jìn)行讀間行復(fù)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。

圖4　FPGA 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3) CAN 總線接口設(shè)計(jì)
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, 監(jiān)控遙感相機(jī)模塊的工作狀態(tài),包括遙感相機(jī)模塊的電源控制、電流監(jiān)測、溫度監(jiān)測、曝光時(shí)間控制等功能, 并將獲得的圖像數(shù)據(jù)分時(shí)發(fā)送給星上數(shù)據(jù)處理模塊。設(shè)計(jì)上, 星上數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)來的指令會使微控制器進(jìn)入中斷, 設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。微控制器查詢各標(biāo)志的變化, 根據(jù)星上CAN通訊協(xié)議完成相關(guān)動作, 包括監(jiān)測遙感模塊工作溫度、工作電流, 設(shè)置曝光時(shí)間, 進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?

2　納型衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)

2. 1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方案
為了方便完成在設(shè)計(jì)階段的單模塊調(diào)試, 實(shí)現(xiàn)遙感系統(tǒng)地面原理與性能測試, 本文采用PC機(jī)模擬星上數(shù)據(jù)處理系統(tǒng), 利用CAN 卡將CMOS 相機(jī)與PC機(jī)相連, 建立了一套CMOS遙感系統(tǒng)地面測試系統(tǒng)。
　　
本文采用德國Vtsch IndustrietechnikVT7034 型恒溫實(shí)驗(yàn)箱, 在60～- 5℃溫度區(qū)間內(nèi),每下降5℃采集一組暗圖像。熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)之所以按照從高溫到低溫的順序進(jìn)行, 是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用恒溫箱不能抽真空。如果反過來進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 盡管不斷向恒溫箱內(nèi)充氮?dú)? 箱內(nèi)微量空氣中的水氣仍可能凝結(jié)在相機(jī)上, 影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2. 2　特征參數(shù)的提取

1) 平均暗輸出
平均暗輸出是在沒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(jì)算:

其中: I _i,j是圖像傳感器在無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(shù)和列數(shù)。

2) 暗不一致性
理想情況下, 在無光照的時(shí)候圖像傳感器的輸出也應(yīng)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。波動的大小表明圖像傳感器像素性能的穩(wěn)定性, 計(jì)算方法是求出暗圖像各像素輸出灰度值的標(biāo)準(zhǔn)差

其中各符號的含義與暗噪聲計(jì)算式(5) 相同。

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

圖5　平均暗輸出隨溫度的變化曲線

圖6　暗不一致性隨溫度的變化曲線

從圖中可以看出, 平均暗輸出隨著溫度的升高大致呈上升趨勢。當(dāng)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 ℃開始略有下降,到30 ℃時(shí)達(dá)到低谷,10～30℃之間,總的來說平均暗輸出值變化比較平穩(wěn); 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(yàn)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溫度的升高大致呈上升趨勢, 是因?yàn)闇囟壬? CMOS圖像傳感器及其外圍電子器件的熱噪聲都會升高; 而平均暗輸出在10～30 ℃之間變化比較平穩(wěn), 甚至在15～30 ℃之間略有下降, 是因?yàn)镃MOS圖像傳感器在設(shè)計(jì)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)也說明了這套遙感系統(tǒng)的電噪聲主要來源于CMOS圖像傳感器。

暗不一致性隨溫度的變化不大, 實(shí)驗(yàn)中其變化范圍為0.6148～0.8542,比平均暗輸出低一個(gè)數(shù)量級, 可以忽略。
實(shí)驗(yàn)中還測試了CMOS相機(jī)的耐低溫性能。關(guān)機(jī)后將相機(jī)降溫至- 25 ℃,達(dá)到溫度平衡后再升溫至0 ℃,開機(jī)采集圖像, 分析其性能變化。實(shí)驗(yàn)測得經(jīng)受低溫后, CMOS相機(jī)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(yàn)中暗不一致性始終比平均暗輸出低一個(gè)數(shù)量級, 其變化相對平均暗輸出可以忽略, 所以這個(gè)結(jié)果說明關(guān)機(jī)狀態(tài)下低溫環(huán)境不會對CMOS相機(jī)的成像質(zhì)量產(chǎn)生顯著的不良影響。綜上所述, 本文設(shè)計(jì)的這套CMOS遙感相機(jī)在10～30℃之間平均暗輸出變化平穩(wěn), 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(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)了一套納型衛(wèi)星CMOS遙感系統(tǒng), 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?cái)?shù)目的CMOS圖像傳感器, 光譜響應(yīng)范圍為400～800nm,配合焦距為50mm的鏡頭,在800km的太陽同步軌道上,可以實(shí)現(xiàn)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(wèi)星獲取多光譜和彩色的普查信息。熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明, 該CMOS遙感相機(jī)能夠耐受空間環(huán)境中- 25～60 ℃的衛(wèi)星艙內(nèi)溫度變化, 在10～30 ℃的溫度范圍內(nèi)工作穩(wěn)定,可通過地面測試數(shù)據(jù)對其在空間獲取的圖像進(jìn)行校正補(bǔ)償。

由于國際上對CMOS圖像傳感器在航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究較少, 所以設(shè)計(jì)出來的CMOS相機(jī)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(yīng)的補(bǔ)償、加固措施。