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、圖像采集與預處理單元、圖像處理和誤差補償單元，其中光電組件包括掩膜板和APS圖像傳感器，圖像采集與預處理單元包括視頻放大器、A/D轉換器和FPGA，圖像處理和誤差補償單元包括單片機和存儲器ROM，其中掩膜板為為“N”形五光縫玻璃板結構，利用一個線陣圖像傳感器可以輸出兩個太陽軸角度，同時具有太陽亮斑的識別功能；采用FPGA進行圖像采集和圖像預處理，采用單片機進行圖像處理和誤差補償，在采集圖像時將圖像數據處理完成，大大節省了圖像存儲空間，且FPGA和單片機并行流水工作，產品更新率達到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
【技術領域】
[0001] 本發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，屬于衛星控制 分系統光學姿態敏感器【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 太陽敏感器以太陽為基準方位，測量航天器姿態與太陽光線矢量夾角的一種光學 姿態敏感器，根據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，需要大容量數據存 儲器和圖像處理器（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，對電源要求高，集成度低，增加了太陽敏感器系統的功耗、重量 和體積等，難以實現太陽敏感器的小型化和一體化。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，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、 接口方便等優點，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] 本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的：
[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 與預處理單元、圖像處理和誤差補償單元，其中光電組件包括掩膜板和APS圖像傳感器，圖 像采集與預處理單元包括視頻放大器、A/D轉換器和FPGA，圖像處理和誤差補償單元包括 單片機和存儲器R0M，其中：
[0008] 掩膜板：將太陽光線投影到APS圖像傳感器，產生具有雙軸太陽角信息的光信號；
[0009] APS圖像傳感器：接收FPGA輸出的APS圖像傳感器工作時序，將所述具有雙軸太 陽角信息的光信號轉化為電信號，并將所述電信號發送給視頻放大器；
[0010] 視頻放大器：接收APS圖像傳感器輸出的電信號進行濾波和信號放大，并輸出給 A/D轉換器；
[0011] A/D轉換器：接收FPGA輸出的A/D轉換器工作時序，將視頻放大器輸出的模擬信 號轉換為數字信號，供FPGA采集；
[0012] FPGA :將APS圖像傳感器工作時序輸出給APS圖像傳感器，將A/D轉換器工作時序 輸出給A/D轉換器，采集A/D轉換器輸出數字圖像信號，進行圖像預處理，并將預處理的結 果供單片機讀取；
[0013] 單片機：從FPGA讀取圖像預處理后的結果，完成圖像處理，從存儲ROM中讀取誤差 補償系數進行誤差補償；
[0014] 存儲器ROM :存儲誤差補償系數。
[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"形五光縫玻璃板結構，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的識別，掩膜板位于APS圖像傳感器上方的平面內；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，FPGA包括圖像采集模 塊、圖像預處理模塊、雙口 RAM、單片機接口模塊、時鐘分頻模塊、全局時鐘和復位時鐘管理 模塊，其中：
[0017] 圖像采集模塊：產生APS圖像傳感器工作時序和A/D工作時序，采集A/D轉換器輸 出圖像灰度值vpi = 1?2048,將圖像灰度值Vi輸出給圖像預處理模塊；同時從時鐘分頻 模塊接收分頻后的時鐘信號；
[0018] 圖像預處理模塊：接收圖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)、對每個像元圖像進行去背景處理，公式如下：
[0020]
【權利要求】
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、 圖像采集與預處理單元、圖像處理和誤差補償單元，其中光電組件包括掩膜板和APS圖像 傳感器，圖像采集與預處理單元包括視頻放大器、A/D轉換器和FPGA，圖像處理和誤差補償 單元包括單片機和存儲器ROM，其中： 掩膜板：將太陽光線投影到APS圖像傳感器，產生具有雙軸太陽角信息的光信號； APS圖像傳感器：接收FPGA輸出的APS圖像傳感器工作時序，將所述具有雙軸太陽角 信息的光信號轉化為電信號，并將所述電信號發送給視頻放大器； 視頻放大器：接收APS圖像傳感器輸出的電信號進行濾波和信號放大，并輸出給A/D轉 換器； A/D轉換器：接收FPGA輸出的A/D轉換器工作時序，將視頻放大器輸出的模擬信號轉 換為數字信號，供FPGA采集； FPGA :將APS圖像傳感器工作時序輸出給APS圖像傳感器，將A/D轉換器工作時序輸出 給A/D轉換器，采集A/D轉換器輸出數字圖像信號，進行圖像預處理，并將預處理的結果供 單片機讀取； 單片機：從FPGA讀取圖像預處理后的結果，完成圖像處理，從存儲ROM中讀取誤差補償 系數進行誤差補償； 存儲器ROM :存儲誤差補償系數。
2. 根據權利要求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"形五光縫玻璃板結構，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的識別，掩膜板位于APS圖像傳感器上方的平面 內；其中Y的角度取值范圍為30°?60°。
3. 根據權利要求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、圖像預處理模塊、雙口 RAM、單片機接口模塊、時 鐘分頻模塊、全局時鐘和復位時鐘管理模塊，其中： 圖像采集模塊：產生APS圖像傳感器工作時序和A/D工作時序，采集A/D轉換器輸出圖 像灰度值Vp i = 1?2048,將圖像灰度值Vi輸出給圖像預處理模塊；同時從時鐘分頻模塊 接收分頻后的時鐘信號； 圖像預處理模塊：接收圖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) 、對每個像元圖像進行去背景處理，公式如下：
其中i為第i個像元經去背景處理后的輸出值，Vi為第i個像元灰度值，vbk為去 背景閾值； (2) 、利用如下公式得到每個亮斑的質量矩因子XA和每個亮斑的灰度和GA ;
其中： i為像元序號，m為光斑的起始像元，η為光斑的終止像元； (3)、將運算結果存儲到雙口 RAM模塊，重復步驟（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 :包括質量矩因子XA_RAM、每個亮斑的灰度和GA_RAM以及預處理結果輸出 OUT_RAM，其中將每個亮斑的所有像元利用乘法器實現的iXv' i運算結果存儲到XA_RAM 中，將每個亮斑的所有像元對應的灰度值V i存儲到GA_RAM中，將每個亮斑的質量矩因子 XA和每個亮斑的灰度和GA存儲到OUT_RAM中； 單片機接口模塊：連接單片機與雙口 RAM中的OUT_RAM，接收單片機輸出的讀寫信號和 地址信號，由單片機從〇UT_RAM中讀取運算結果； 復位和時鐘管理模塊：接收外部輸入的復位信號，實現復位信號的同步釋放，接收外部 輸入的時鐘信號，將時鐘信號接入FPGA的全局時鐘； 全局時鐘：FPGA內部高速信號走線網絡，從復位和時鐘管理模塊接收外部輸入的時鐘 信號，并將所述時鐘信號輸出給時鐘分頻模塊； 時鐘分頻模塊：對外部輸入的時鐘信號進行分頻處理，分頻后的時鐘信號輸出給圖像 采集模塊。
4. 根據權利要求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：所述單片機包括圖像處理模塊和誤差補償模塊，其中圖像處理模塊用于計算 太陽光矢量的兩軸姿態角α和β，誤差補償模塊用于對太陽光線矢量的兩軸姿態角α和 β進行誤差補償。
5. 根據權利要求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算太陽光矢量的兩軸姿態角α和β的具體方法如下： (1) 、建立直角坐標系ΟΧΥΖ，其中坐標原點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，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) 、利用如下公式計算中央直縫SO的質心坐標，及斜縫S1或S2的質心坐標：
其中： X。為質心坐標； b為線陣APS圖像傳感器相鄰兩個像元的中心距離； (3) 、計算太陽光線矢量的兩軸姿態角β 或 其中：
Λ Xl為斜縫S1的光斑位置與斜縫S1在零位時的光斑位置之差； 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)、計算太陽光線矢量的兩軸姿態角α
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6.根據權利要求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：所述誤差補償模塊用于對太陽光線矢量的兩軸姿態角α和β進行誤差補償的具 體方法如下： (1) 、分別建立α角和β角在視場范圍內的二維誤差補償系數表，并將二維誤差補償 系數表存儲在存儲器ROM中，其中建立二維誤差補償系數表的方法如下： (a) 、在線陣APS太陽敏感器的視場范圍內，給出一組固定角度間隔的太陽光矢量的兩 軸姿態角真實值α 和β ，其中固定角度間隔為K，再根據步驟（一）中的計算方法計 算出一組相應的姿態角α實測和β實測，得到姿態角的誤差值α誤差=α真實 -α實測和β誤差 =β ;分別對a 和β 進行曲線擬合得到擬合曲線的補償系數值，如下公式 所示：
其中AO、A1……A7 ;B0、B1……B7為擬合曲線上的多項式系數，即補償系數值；α、β 為擬合曲線上的自變量； (b) 、根據所述補償系數值建立α角和β角在線陣APS太陽敏感器的視場范圍內的二 維誤差補償系數表，具體方法為：在線陣APS太陽敏感器的視場范圍內，以固定角度間隔K 變化的每一個兩軸姿態角β 對應α 的一組誤差補償系數，從而得到α的誤差補償系 數表；以固定角度間隔Κ變化的每一個兩軸姿態角α對應β 的一組誤差補償系數，從 而得到β的誤差補償系數表； (2) 、利用實測的β 查找α的誤差補償系數表，找到β 對應的一組誤差補償系數 Α0、Α1……Α7,利用公式（1)求出誤差補償值α補，對α 進行補償，得到補償后的α補+實 測，即α補+實測=α補+ α實測，α補+實測為$Η!]出太陽光線矢里α軸角度； (3) 、利用補償后的α # + 查找β的誤差補償系數表，找到α # + 對應的一組誤差 補償系數Β0、Β1……Β7,利用公式（2)求出β的誤差補償值β彳卜，對β 進行補償，得到
【文檔編號】G01C1/00GK104142136SQ201410318811
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月4日 優先權日:2014年7月4日
【發明者】張建福, 梁鶴, 呂政欣, 賈錦忠, 余成武 申請人:北京控制工程研究所