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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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(huì)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(dòng)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(dòng)。波動(dòng)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(huì)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(huì)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。
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