一種基于線陣aps圖像傳感器的小型雙軸太陽敏感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于線陣APS圖像傳感器的小型雙軸太陽敏感器，包括光電組件、圖像采集與預(yù)處理單元、圖像處理和誤差補(bǔ)償單元，其中光電組件包括掩膜板和APS圖像傳感器，圖像采集與預(yù)處理單元包括視頻放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和FPGA，圖像處理和誤差補(bǔ)償單元包括單片機(jī)和存儲(chǔ)器ROM，其中掩膜板為為“N”形五光縫玻璃板結(jié)構(gòu)，利用一個(gè)線陣圖像傳感器可以輸出兩個(gè)太陽軸角度，同時(shí)具有太陽亮斑的識(shí)別功能；采用FPGA進(jìn)行圖像采集和圖像預(yù)處理，采用單片機(jī)進(jìn)行圖像處理和誤差補(bǔ)償，在采集圖像時(shí)將圖像數(shù)據(jù)處理完成，大大節(jié)省了圖像存儲(chǔ)空間，且FPGA和單片機(jī)并行流水工作，產(chǎn)品更新率達(dá)到30Hz以上，此外該太陽敏感器精度高、體積小、重量輕、一體化、更新率高、接口方便。
【專利說明】-種基于線陣APS圖像傳感器的小型雙軸太陽敏感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于線陣APS圖像傳感器的小型雙軸太陽敏感器，屬于衛(wèi)星控制 分系統(tǒng)光學(xué)姿態(tài)敏感器【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 太陽敏感器以太陽為基準(zhǔn)方位，測量航天器姿態(tài)與太陽光線矢量夾角的一種光學(xué) 姿態(tài)敏感器，根據(jù)在太陽敏感器中利用的探測器不同可以分為電池片式和成像式兩種。
[0003] 在研究成像式太陽敏感器過程中，提出了兩種解決方案，一種是基于面陣圖像傳 感器的太陽敏感器，一種是基于線陣圖像傳感器的太陽敏感器，前者以APS CMOS圖像傳感 器居多，后者以線陣CCD圖像傳感器居多。
[0004] 對(duì)基于面陣APS CMOS的太陽敏感器，由于面陣圖像陣列較大，需要大容量數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器和圖像處理器（DSP或RISC)，造成太陽敏感器體積大、功耗大、更新率低，而且成本相 對(duì)較高。而在利用線陣CCD圖像傳感器的研制太陽敏感器的過程中，由于CCD圖像傳感器 的特性所需電源種類較多，對(duì)電源要求高，集成度低，增加了太陽敏感器系統(tǒng)的功耗、重量 和體積等，難以實(shí)現(xiàn)太陽敏感器的小型化和一體化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種基于線陣APS圖像傳感 器的小型雙軸太陽敏感器，該太陽敏感器具有精度高、體積小、重量輕、一體化、更新率高、 接口方便等優(yōu)點(diǎn)，使APS太陽敏感器在±64° X±64°視場范圍的兩軸角度測角精度從 0.08° 提升至 0.03°。
[0006] 本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種基于線陣APS圖像傳感器的小型雙軸太陽敏感器，包括光電組件、圖像采集 與預(yù)處理單元、圖像處理和誤差補(bǔ)償單元，其中光電組件包括掩膜板和APS圖像傳感器，圖 像采集與預(yù)處理單元包括視頻放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和FPGA，圖像處理和誤差補(bǔ)償單元包括 單片機(jī)和存儲(chǔ)器R0M，其中：
[0008] 掩膜板：將太陽光線投影到APS圖像傳感器，產(chǎn)生具有雙軸太陽角信息的光信號(hào)；
[0009] APS圖像傳感器：接收FPGA輸出的APS圖像傳感器工作時(shí)序，將所述具有雙軸太 陽角信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將所述電信號(hào)發(fā)送給視頻放大器；
[0010] 視頻放大器：接收APS圖像傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行濾波和信號(hào)放大，并輸出給 A/D轉(zhuǎn)換器；
[0011] A/D轉(zhuǎn)換器：接收FPGA輸出的A/D轉(zhuǎn)換器工作時(shí)序，將視頻放大器輸出的模擬信 號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供FPGA采集；
[0012] FPGA :將APS圖像傳感器工作時(shí)序輸出給APS圖像傳感器，將A/D轉(zhuǎn)換器工作時(shí)序 輸出給A/D轉(zhuǎn)換器，采集A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字圖像信號(hào)，進(jìn)行圖像預(yù)處理，并將預(yù)處理的結(jié) 果供單片機(jī)讀?。?br> [0013] 單片機(jī)：從FPGA讀取圖像預(yù)處理后的結(jié)果，完成圖像處理，從存儲(chǔ)ROM中讀取誤差 補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償；
[0014] 存儲(chǔ)器ROM :存儲(chǔ)誤差補(bǔ)償系數(shù)。
[0015] 在上述基于線陣APS圖像傳感器的小型雙軸太陽敏感器中，光電組件中的掩膜板 為"N"形五光縫玻璃板結(jié)構(gòu)，玻璃板上具有五條光縫，中間三條為等間距的直縫，直縫兩邊 各有一條斜縫，正中間的1條垂直縫S0與最外側(cè)的兩條傾斜光縫S1、S2呈大寫的"N"形分 布，兩條傾斜光縫SI、S2與中間的垂直縫S0間的夾角為γ，S0與APS圖像傳感器的排列 方向正交，在正中間的光縫S0兩側(cè)等間距布有與其平行的兩條輔助光縫SOL、S0R，用于中 間光縫S0的識(shí)別，掩膜板位于APS圖像傳感器上方的平面內(nèi)；其中γ的角度取值范圍為 30。?60°。
[0016] 在上述基于線陣APS圖像傳感器的小型雙軸太陽敏感器中，F(xiàn)PGA包括圖像采集模 塊、圖像預(yù)處理模塊、雙口 RAM、單片機(jī)接口模塊、時(shí)鐘分頻模塊、全局時(shí)鐘和復(fù)位時(shí)鐘管理 模塊，其中：
[0017] 圖像采集模塊：產(chǎn)生APS圖像傳感器工作時(shí)序和A/D工作時(shí)序，采集A/D轉(zhuǎn)換器輸 出圖像灰度值vpi = 1?2048,將圖像灰度值Vi輸出給圖像預(yù)處理模塊；同時(shí)從時(shí)鐘分頻 模塊接收分頻后的時(shí)鐘信號(hào)；
[0018] 圖像預(yù)處理模塊：接收?qǐng)D像采集模塊輸出的圖像灰度值Vi，提取圖像中的有效太 陽光斑信息，具體方法如下：
[0019] (1)、對(duì)每個(gè)像元圖像進(jìn)行去背景處理，公式如下：
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于線陣APS圖像傳感器的小型雙軸太陽敏感器，其特征在于：包括光電組件、 圖像采集與預(yù)處理單元、圖像處理和誤差補(bǔ)償單元，其中光電組件包括掩膜板和APS圖像 傳感器，圖像采集與預(yù)處理單元包括視頻放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和FPGA，圖像處理和誤差補(bǔ)償 單元包括單片機(jī)和存儲(chǔ)器ROM，其中： 掩膜板：將太陽光線投影到APS圖像傳感器，產(chǎn)生具有雙軸太陽角信息的光信號(hào)； APS圖像傳感器：接收FPGA輸出的APS圖像傳感器工作時(shí)序，將所述具有雙軸太陽角 信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將所述電信號(hào)發(fā)送給視頻放大器； 視頻放大器：接收APS圖像傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行濾波和信號(hào)放大，并輸出給A/D轉(zhuǎn) 換器； A/D轉(zhuǎn)換器：接收FPGA輸出的A/D轉(zhuǎn)換器工作時(shí)序，將視頻放大器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號(hào)，供FPGA采集； FPGA :將APS圖像傳感器工作時(shí)序輸出給APS圖像傳感器，將A/D轉(zhuǎn)換器工作時(shí)序輸出 給A/D轉(zhuǎn)換器，采集A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字圖像信號(hào)，進(jìn)行圖像預(yù)處理，并將預(yù)處理的結(jié)果供 單片機(jī)讀?。? 單片機(jī)：從FPGA讀取圖像預(yù)處理后的結(jié)果，完成圖像處理，從存儲(chǔ)ROM中讀取誤差補(bǔ)償 系數(shù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償； 存儲(chǔ)器ROM :存儲(chǔ)誤差補(bǔ)償系數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于線陣APS圖像傳感器的小型雙軸太陽敏感器，其特 征在于所述光電組件中的掩膜板為"N"形五光縫玻璃板結(jié)構(gòu)，玻璃板上具有五條光縫，中間 三條為等間距的直縫，直縫兩邊各有一條斜縫，正中間的1條垂直縫SO與最外側(cè)的兩條傾 斜光縫SI、S2呈大寫的"N"形分布，兩條傾斜光縫SI、S2與中間的垂直縫SO間的夾角為 Y，S0與APS圖像傳感器的排列方向正交，在正中間的光縫SO兩側(cè)等間距布有與其平行的 兩條輔助光縫SOL、S0R，用于中間光縫SO的識(shí)別，掩膜板位于APS圖像傳感器上方的平面 內(nèi)；其中Y的角度取值范圍為30°?60°。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于線陣APS圖像傳感器的小型雙軸太陽敏感器， 其特征在于所述FPGA包括圖像采集模塊、圖像預(yù)處理模塊、雙口 RAM、單片機(jī)接口模塊、時(shí) 鐘分頻模塊、全局時(shí)鐘和復(fù)位時(shí)鐘管理模塊，其中： 圖像采集模塊：產(chǎn)生APS圖像傳感器工作時(shí)序和A/D工作時(shí)序，采集A/D轉(zhuǎn)換器輸出圖 像灰度值Vp i = 1?2048,將圖像灰度值Vi輸出給圖像預(yù)處理模塊；同時(shí)從時(shí)鐘分頻模塊 接收分頻后的時(shí)鐘信號(hào)； 圖像預(yù)處理模塊：接收?qǐng)D像采集模塊輸出的圖像灰度值Vi，提取圖像中的有效太陽光 斑信息，具體方法如下： (1) 、對(duì)每個(gè)像元圖像進(jìn)行去背景處理，公式如下：
其中i為第i個(gè)像元經(jīng)去背景處理后的輸出值，Vi為第i個(gè)像元灰度值，vbk為去 背景閾值； (2) 、利用如下公式得到每個(gè)亮斑的質(zhì)量矩因子XA和每個(gè)亮斑的灰度和GA ;

其中： i為像元序號(hào)，m為光斑的起始像元，η為光斑的終止像元； (3)、將運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)到雙口 RAM模塊，重復(fù)步驟（1)?（3)，直至處理完成一幅圖像中 所有的太陽亮斑信息； 雙口 RAM :包括質(zhì)量矩因子XA_RAM、每個(gè)亮斑的灰度和GA_RAM以及預(yù)處理結(jié)果輸出 OUT_RAM，其中將每個(gè)亮斑的所有像元利用乘法器實(shí)現(xiàn)的iXv' i運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)到XA_RAM 中，將每個(gè)亮斑的所有像元對(duì)應(yīng)的灰度值V i存儲(chǔ)到GA_RAM中，將每個(gè)亮斑的質(zhì)量矩因子 XA和每個(gè)亮斑的灰度和GA存儲(chǔ)到OUT_RAM中； 單片機(jī)接口模塊：連接單片機(jī)與雙口 RAM中的OUT_RAM，接收單片機(jī)輸出的讀寫信號(hào)和 地址信號(hào)，由單片機(jī)從〇UT_RAM中讀取運(yùn)算結(jié)果； 復(fù)位和時(shí)鐘管理模塊：接收外部輸入的復(fù)位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)復(fù)位信號(hào)的同步釋放，接收外部 輸入的時(shí)鐘信號(hào)，將時(shí)鐘信號(hào)接入FPGA的全局時(shí)鐘； 全局時(shí)鐘：FPGA內(nèi)部高速信號(hào)走線網(wǎng)絡(luò)，從復(fù)位和時(shí)鐘管理模塊接收外部輸入的時(shí)鐘 信號(hào)，并將所述時(shí)鐘信號(hào)輸出給時(shí)鐘分頻模塊； 時(shí)鐘分頻模塊：對(duì)外部輸入的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻處理，分頻后的時(shí)鐘信號(hào)輸出給圖像 采集模塊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于線陣APS圖像傳感器的小型雙軸太陽敏感器， 其特征在于：所述單片機(jī)包括圖像處理模塊和誤差補(bǔ)償模塊，其中圖像處理模塊用于計(jì)算 太陽光矢量的兩軸姿態(tài)角α和β，誤差補(bǔ)償模塊用于對(duì)太陽光線矢量的兩軸姿態(tài)角α和 β進(jìn)行誤差補(bǔ)償。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于線陣APS圖像傳感器的小型雙軸太陽敏感器，其特 征在于：所述圖像處理模塊用于計(jì)算太陽光矢量的兩軸姿態(tài)角α和β的具體方法如下： (1) 、建立直角坐標(biāo)系ΟΧΥΖ，其中坐標(biāo)原點(diǎn)0在線陣APS圖像傳感器中像元總長度的 1/2處；X軸與APS光敏單元排列線重合，由零像元指向最大像元處；Y軸在線陣APS的光敏 面內(nèi)，Z軸通過右手法則定義；入射光矢量在YOZ面上的投影與Z軸之間的夾角為β ;入射 光在ΧΟΖ面上的投影與Ζ軸之間的夾角為α ; (2) 、利用如下公式計(jì)算中央直縫SO的質(zhì)心坐標(biāo)，及斜縫S1或S2的質(zhì)心坐標(biāo)：
其中： X。為質(zhì)心坐標(biāo)； b為線陣APS圖像傳感器相鄰兩個(gè)像元的中心距離； (3) 、計(jì)算太陽光線矢量的兩軸姿態(tài)角β 或 其中：
Λ Xl為斜縫S1的光斑位置與斜縫S1在零位時(shí)的光斑位置之差； Λ x2為斜縫S2的光斑位置與斜縫S2在零位時(shí)的光斑位置之差； Λ X為中央直縫SO的光斑位置與中央直縫SO在零位時(shí)的光斑位置X。之差； Y為兩條傾斜光縫S1、S2與中間垂直縫SO間的夾角；h為光縫玻璃下表面與APS圖像 傳感器器件封裝玻璃上表面之間的距離； (4)、計(jì)算太陽光線矢量的兩軸姿態(tài)角α
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6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于線陣APS圖像傳感器的小型雙軸太陽敏感器，其特 征在于：所述誤差補(bǔ)償模塊用于對(duì)太陽光線矢量的兩軸姿態(tài)角α和β進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)木?體方法如下： (1) 、分別建立α角和β角在視場范圍內(nèi)的二維誤差補(bǔ)償系數(shù)表，并將二維誤差補(bǔ)償 系數(shù)表存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器ROM中，其中建立二維誤差補(bǔ)償系數(shù)表的方法如下： (a) 、在線陣APS太陽敏感器的視場范圍內(nèi)，給出一組固定角度間隔的太陽光矢量的兩 軸姿態(tài)角真實(shí)值α 和β ，其中固定角度間隔為K，再根據(jù)步驟（一）中的計(jì)算方法計(jì) 算出一組相應(yīng)的姿態(tài)角α實(shí)測和β實(shí)測，得到姿態(tài)角的誤差值α誤差=α真實(shí) -α實(shí)測和β誤差 =β ;分別對(duì)a 和β 進(jìn)行曲線擬合得到擬合曲線的補(bǔ)償系數(shù)值，如下公式 所示：
其中AO、A1……A7 ;B0、B1……B7為擬合曲線上的多項(xiàng)式系數(shù)，即補(bǔ)償系數(shù)值；α、β 為擬合曲線上的自變量； (b) 、根據(jù)所述補(bǔ)償系數(shù)值建立α角和β角在線陣APS太陽敏感器的視場范圍內(nèi)的二 維誤差補(bǔ)償系數(shù)表，具體方法為：在線陣APS太陽敏感器的視場范圍內(nèi)，以固定角度間隔K 變化的每一個(gè)兩軸姿態(tài)角β 對(duì)應(yīng)α 的一組誤差補(bǔ)償系數(shù)，從而得到α的誤差補(bǔ)償系 數(shù)表；以固定角度間隔Κ變化的每一個(gè)兩軸姿態(tài)角α對(duì)應(yīng)β 的一組誤差補(bǔ)償系數(shù)，從 而得到β的誤差補(bǔ)償系數(shù)表； (2) 、利用實(shí)測的β 查找α的誤差補(bǔ)償系數(shù)表，找到β 對(duì)應(yīng)的一組誤差補(bǔ)償系數(shù) Α0、Α1……Α7,利用公式（1)求出誤差補(bǔ)償值α補(bǔ)，對(duì)α 進(jìn)行補(bǔ)償，得到補(bǔ)償后的α補(bǔ)+實(shí) 測，即α補(bǔ)+實(shí)測=α補(bǔ)+ α實(shí)測，α補(bǔ)+實(shí)測為$Η!]出太陽光線矢里α軸角度； (3) 、利用補(bǔ)償后的α # + 查找β的誤差補(bǔ)償系數(shù)表，找到α # + 對(duì)應(yīng)的一組誤差 補(bǔ)償系數(shù)Β0、Β1……Β7,利用公式（2)求出β的誤差補(bǔ)償值β彳卜，對(duì)β 進(jìn)行補(bǔ)償，得到
【文檔編號(hào)】G01C1/00GK104142136SQ201410318811
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】張建福, 梁鶴, 呂政欣, 賈錦忠, 余成武 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所