基于CMOS圖像傳感器的納型衛(wèi)星遙感系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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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(chǔ)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, rd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θr 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θt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(dòng)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(dòng)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(dòng), 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(dòng)Read 指針, 進(jìn)行讀取。如此循環(huán)交替移動(dòng)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。
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