基于CMOS APS和SoPC芯片 設(shè)計(jì)了微小型星敏感器的光學(xué)及電學(xué)系統(tǒng)

星敏感器是所有敏感器中最為精密而且漂移最小的，是航天飛行器中重要的定姿系統(tǒng)。使用CMOS作為星敏感器的傳感器器件已經(jīng)是現(xiàn)在的主流方向，國產(chǎn)星敏感器與國外先進(jìn)技術(shù)存在著較大的差距，使用國產(chǎn)化器件，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的微小型化星敏感器已經(jīng)變得迫在眉睫。本文以某國產(chǎn)化CMOS APS芯片和SoPC控制芯片設(shè)計(jì)星敏感器，對其光學(xué)及電學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。

1 星敏感器設(shè)計(jì)

星敏感器系統(tǒng)由遮光罩、光學(xué)鏡頭、敏感器芯片及外圍電路、數(shù)據(jù)處理器和電腦控制系統(tǒng)組成，其組成框圖如圖1所示。

1.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中使用的CMOS APS傳感器為某國產(chǎn)型號B1XXX，電路中各項(xiàng)功能、指標(biāo)、參數(shù)、封裝形式、引腳定義均兼容最常用的美國CYPRESS公司STAR1000產(chǎn)品，其參數(shù)見表1。

星敏感器光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)會根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境而有所不同，它主要由以下幾點(diǎn)確定：傳感器的像元尺寸、光譜響應(yīng)特性、所需探測的最高星等。光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)需要設(shè)定的有鏡頭的焦距、光譜范圍、彌散斑尺寸、通光孔徑、中心波長透過率等[1]。

1.1.1 視場角的確定

視場角是確定光學(xué)鏡頭能夠探測到星空最大范圍的指標(biāo)。在同等條件下，視場角越大，能夠觀測到的星數(shù)越多。但是過多的星數(shù)會干擾后續(xù)的計(jì)算，所以選擇合適的視場角是構(gòu)建光學(xué)系統(tǒng)的第一步。

本文使用的APS CMOS傳感器是某國產(chǎn)芯片。像元尺寸15 μm，分辨率1 024×1 024，工作波長范圍選定為400 nm~780 nm。要求在任意姿態(tài)下捕獲4顆以上導(dǎo)航星的概率達(dá)到99%，以便后續(xù)計(jì)算[2]。根據(jù)這一數(shù)據(jù)要求，通過編程處理星表，可得在給定視場內(nèi)觀測到各個(gè)星等的數(shù)量。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)當(dāng)星等為5.5等時(shí)，選取視場角為20°×20°能夠滿足在任意視場內(nèi)觀測到4顆及以上星星這一條件。故選取20°×20°作為視場角。

1.1.2 焦距的確定

焦距是確定成像平面到鏡面的距離。由于選取的物體遠(yuǎn)近不同，焦距會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。在太空中，星星的位置與距離相對固定，所以與普通的相機(jī)變焦不同，星敏感器的焦距是固定的?，F(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)視場和焦距關(guān)系式為：

1.1.3 彌散斑尺寸的確定

本文以 20°×20°的視場角為例，采用1 024×1 024 像元，則單個(gè)像元僅能達(dá)到20/1 024≈0.019 5°≈70″。為了提高像元測算的精準(zhǔn)度，需要將傳感器接收到的圖像進(jìn)行離焦，使像點(diǎn)彌散開來，從而使能量擴(kuò)散到周圍的數(shù)個(gè)像元。將多個(gè)像元的能量信號進(jìn)行匯總，根據(jù)一定的算法，共同計(jì)算并獲取星點(diǎn)的位置。這樣做的目的是使得星點(diǎn)位置不僅僅從單個(gè)像元上獲得，而是能夠達(dá)到亞像元級別。即亞像元內(nèi)插星點(diǎn)提取方法[3]。目前常用的彌散斑尺寸大小有2×2像元或者3×3像元，使用大的彌散斑尺寸能提高定位精度，但會影響到后續(xù)的計(jì)算速度。本文采取2×2像元大小作為彌散斑尺寸。

1.1.4 相對孔徑的確定

孔徑與焦距用相對孔徑F表示，即F/#=f/D。國標(biāo)GB/T 30111-2013中，對相對孔徑的定義是入瞳直徑與焦距的比值，即D/f，其數(shù)值在1/0.8~1/6之間選取。

F/#的計(jì)算由以下公式給出[4]：

其中Vth為信噪比，取值5；Id為暗電流噪聲；

1.2 電學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 CMOS APS傳感器分析

本文所用的B1XXX是一款具有1 024×1 024分辨率的抗輻射CMOS圖像傳感器，像素尺寸為15 μm×15 μm。電路各項(xiàng)功能、指標(biāo)、封裝形式、引腳定義均兼容美國CYPRESS公司的STAR1000產(chǎn)品。片內(nèi)集成了雙采樣技術(shù)、可變增益放大器（PGA）以及12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。且片上ADC電學(xué)可隔離，既可以采用片上ADC數(shù)字量化輸出，也可以依據(jù)用戶需求，直接輸出光模擬信號。

電路具有智能窗口功能，即像素陣列的X、Y地址可隨機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)對窗口大小、起止地址的隨機(jī)控制；具有高靈敏度（≥2.7 V/lux·s（@550 nm）），可適應(yīng)空間微光環(huán)境需求；具有1、2、4、8倍可編程增益，可以根據(jù)光照強(qiáng)弱控制輸出增益，適應(yīng)更寬工作環(huán)境；具有雙斜積分功能，可大大提高動態(tài)范圍，從而提高同一環(huán)境下強(qiáng)光弱光同時(shí)存在時(shí)的適應(yīng)性；抗輻射總劑量能力≥100 Krad（Si），抗單粒子閂鎖LET≥75 Mev·cm2/mg。

器件結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)：B1XXX的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該圖像傳感器主要包含6個(gè)部分：像素陣列、尋址邏輯、前置列放大器、可編程增益放大器（PGA）、模擬多路選擇器和ADC。

1.2.2 FPGA時(shí)序驅(qū)動模塊

焦平面圖像傳感器的選擇直接關(guān)系到星敏感器的核心設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)利用FPGA實(shí)現(xiàn)對CMOS圖像傳感器的驅(qū)動、CMOS圖像傳感器與處理器系統(tǒng)的接口，以及星圖存儲或星圖預(yù)處理等功能。單時(shí)鐘全同步的設(shè)計(jì)被設(shè)計(jì)中所使用，外部20 MHz晶振提供了時(shí)鐘輸入來源，內(nèi)部則進(jìn)行分頻處理。這一較為復(fù)雜的時(shí)序邏輯能夠通過編程得以實(shí)現(xiàn)[5]，如圖3所示。

1.2.3 信號處理方案

信號處理板采用了國產(chǎn)SoPC核心信號處理板，該核心板基于國產(chǎn)SoPC進(jìn)行二次集成開發(fā)，將SoPC最小應(yīng)用系統(tǒng)、基礎(chǔ)配置電路和通信接口模塊集成在了尺寸為51.4 mm×51.4 mm的小型SoC板上。其中SoPC芯片總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

此外，核心信號處理板還包括了基礎(chǔ)的配置及與應(yīng)用系統(tǒng)的通信接口，主要包括：PLL配置、調(diào)試接口配置、復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊、FPGA配置等。通信接口主要包括：1553通信接口、ADC接口、串行通信接口、可擴(kuò)展GPIO接口、中斷接口、I2C總線、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸入/輸出接口、測試與指示接口等。這些基本可以滿足星敏感器的軟件需求。

最終設(shè)計(jì)方案為：將星敏感器電學(xué)系統(tǒng)(不含外殼)尺寸小型化到60 mm×60 mm，2塊電路板重量(含緊固件)共計(jì)約60 g，靜態(tài)功耗約1.2 W。

2 APS星敏感器軟件方案

星敏感器的軟件算法主要包括星庫建立、星圖預(yù)處理、星圖識別與星圖匹配、姿態(tài)解算等部分。

(1)星庫建立

星庫是根據(jù)星表篩選后建立的導(dǎo)航星的集合，其作用是在進(jìn)行星圖匹配時(shí)提供匹配的依據(jù)。確定好星表后，就可以根據(jù)星表建立起相應(yīng)的導(dǎo)航星庫。

(2)星圖預(yù)處理

在傳感器獲得圖像之后，由于各種噪聲的存在，需要在處理數(shù)據(jù)之前進(jìn)行降噪，隨后將星點(diǎn)質(zhì)心提取，提供給星圖識別算法。

在實(shí)際應(yīng)用中采用了簡單的平均值去噪方法。由于固定噪聲的數(shù)值在一定范圍內(nèi)不規(guī)律地呈現(xiàn)，故可以取其平均值作為系統(tǒng)的固定噪聲，再用采集的圖像與平均值求差，可以得到初步的降噪效果。具體方法為：使用星敏感器系統(tǒng)連續(xù)拍攝在黑暗條件下的圖片，獲取其中噪點(diǎn)的信息，包括位置及數(shù)值。在同一位置獲得的噪點(diǎn)信息，使用平均值法算出均值作為其最終數(shù)值。

由于積分時(shí)間不同，固定噪聲呈現(xiàn)出的噪點(diǎn)會有略微不同。統(tǒng)計(jì)在積分時(shí)間為10 ms、50 ms、100 ms的情況下，采用10次平均值方法得出的平均噪聲與實(shí)際的差值。

在采集全黑的圖片時(shí)，固定噪聲干擾會帶來大約3.6%左右的影響。噪聲灰度值集中在08～10左右。當(dāng)使用平均值去噪方法后，噪聲灰度值集中在00～02左右。表2為不同積分時(shí)間下使用平均值去噪的效果。

(3)星圖識別與星圖匹配

在提取質(zhì)心信息后，在導(dǎo)航星庫中搜索識別相同信息的導(dǎo)航星，如果獲得唯一匹配的導(dǎo)航星，則匹配成功。

(4)姿態(tài)解算

當(dāng)匹配成功后進(jìn)行姿態(tài)解算，算出當(dāng)前的姿態(tài)角或四元數(shù)數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果。

圖5為星敏感器軟件流程圖。

3 結(jié)論

本文根據(jù)某國產(chǎn)抗輻射COMS APS芯片和SoPC控制芯片，設(shè)計(jì)了微小型星敏感器的光學(xué)及電學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)有的傳感器特性，有針對性地選擇合適的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，并得出其確定參數(shù)。光學(xué)系統(tǒng)在確定了視場角和APS傳感器之后，就可以依次得出焦距、相對孔徑等參數(shù)。星敏感器根據(jù)硬件及系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了FPGA驅(qū)動模塊和信號處理模塊。星敏感器硬件完全國產(chǎn)自主化，并符合GB/T 30111-2013中對于星敏感器的要求，軟件部分根據(jù)現(xiàn)有的器件參數(shù)進(jìn)行編程。最后，設(shè)計(jì)并完成了一套國產(chǎn)化星敏感器實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)。