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CMOS图像传感器在星敏感器中应用研究

作　者: 刘智
导　师: 郝志航
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 星敏感器 CMOS图像传感器有源像元传感器卷帘式快门亚像元细分
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

星敏感器是一种以恒星为参照系,以星空为工作对象的高精度的空间姿态测量装置,是迄今为止最精密且漂移最小的姿态测量部件,经常为卫星、洲际战略导弹,宇宙飞船等航空航天飞行器提供准确的空间方位和基准,并且与惯性陀螺一样都具有自主导航的能力,具有极为重要的应用价值。 CCD目前是星敏感器中的标准图像传感器件。然而在长期的应用过程中发现CCD器件存在着诸多缺点,如抗空间辐射的能力比较差、所需要的电源种类比较多、图像电荷须经串行顺序输出才能到达输出端、制造工艺复杂且无法与通用集成电路制造工艺兼容等。随着技术的不断发展,对星敏感器的姿态精度、体积、重量和功耗等技术指标提出了越来越高的要求,基于上述原因,CCD的星敏感器电子学设计复杂,体积、功耗无法进一步减小。近年来得到快速发展的CMOS图像传感器与CCD一样都属于固态成像器件。不同的是,CMOS图像传感器将图像传感部分和控制电路高度集成在同一芯片里,其体积不仅明显缩小,而且功耗也大大降低,只相当于CCD的三分之一到十分之一,具有重量轻、高可靠、高集成、低成本、宽动态范围、抗辐射和没有拖影等众多优点,克服了上述CCD器件的固有缺点,充分满足了星敏感器对图像敏感器件的要求,因此具有在星敏感器中应用的巨大潜力。世界各主要星敏感器研究所都在对基于CMOS图像传感器的各种姿态敏感器如地球敏感器、太阳敏感器和星敏感器等进行认真研究,目前已经取得了一些重要进展。本文的主要研究目的就是准备将CMOS图像传感器引入星敏感器,对其在星敏感器中应用的可行性和应用方法进行研究。围绕着CMOS图像传感器在星敏感器中应用的具体目标,本文主要做了以下研究工作: 1.在分析、比较和归纳有关文献和专著的基础上,本文首先对星敏感器的主要发展背景、发展现状和发展趋势做了简要介绍。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-9
插图目录  9-11
表格目录  11-12
缩略语  12-13
第一章绪论  13-30
  1.1 姿态敏感器概述  13-15
  1.2 星敏感器的组成、工作原理、发展过程及趋势  15-20
    1.2.1 星敏感器的组成和工作原理  15-17
    1.2.2 星敏感器的发展过程及趋势  17-20
  1.3 星敏感器中的图像传感器及应用现状  20-26
    1.3.1 星敏感器中图像传感器发展过程  20-22
    1.3.2 CMOS图像传感器在星敏感器中应用现状  22-26
  1.4 论文的研究背景、研究意义和研究内容  26-29
    1.4.1 论文研究背景  26-28
    1.4.2 论文研究意义  28
    1.4.3 论文研究内容  28-29
  1.5 本章小结  29-30
第二章 CMOS图像传感器发展概述、工作原理及特性  30-66
  2.1 CMOS图像传感器发展概述  30-33
  2.2 CMOS图像传感器组成、工作原理和像元结构  33-42
    2.2.1 CMOS图像传感器的组成  33-35
    2.2.2 CMOS图像传感器工作原理  35-38
    2.2.3 CMOS图像传感器像元结构  38-42
  2.3 CMOS图像传感器的特性参数  42-60
    2.3.1 光谱响应特性  42-43
    2.3.2 暗电流  43-44
    2.3.3 电荷串扰  44-45
    2.3.4 随机噪声  45-49
    2.3.5 固定模式噪声  49-51
    2.3.6 填充率  51-55
    2.3.7 快门模式  55-57
    2.3.8 像元尺寸与分辨率  57-58
    2.3.9 动态范围  58-59
    2.3.10 光电响应不均匀性  59-60
  2.4 CMOS图像传感器与CCD图像传感器的性能比较  60-65
    2.4.1 CMOS图像传感器的优点  60-64
    2.4.2 CMOS图像传感器的缺点  64-65
  2.5 本章小结  65-66
第三章星敏感器技术指标要求及关键技术分析  66-97
  3.1 星敏感器指标要求  66-81
    3.1.1 恒星目标特性  66-70
    3.1.2 星光信号能量  70-72
    3.1.3 星探测能力  72-77
    3.1.4 姿态测量精度分析  77-81
  3.2 星敏感器中关键技术分析  81-90
    3.2.1 光学系统设计考虑  81
    3.2.2 电路结构设计考虑  81-82
    3.2.3 数字信号处理方法  82-90
    3.2.4 星图识别及姿态测量方法  90
  3.3 CMOS图像传感器在星敏感器中应用可行性分析  90-95
    3.3.1 星敏感器要求  90-91
    3.3.2 CMOS图像传感器说明  91-92
    3.3.3 探测灵敏度与光谱响应分析  92-95
  3.4 本章小结  95-97
第四章基于CMOS图像传感器的实验星敏感器  97-144
  4.1 基于COMS图像传感器的实验星敏感器设计  97-105
    4.1.1 COMS图像传感器选择  97
    4.1.2 数据采集接口设计  97-99
    4.1.3 实验星敏感器具体实现  99-104
    4.1.4 实验星敏感器工作流程图与结构  104-105
  4.2 基于CMOS图像传感器的实验星敏感器测试与分析  105-136
    4.2.1 主要性能指标测试分析  105-111
    4.2.2 卷帘式快门对测量精度影响测试及分析  111-119
    4.2.3 COMS图像传感器像元细分测量精度实验及结果分析  119-136
  4.3 实验星敏感器成像实验及结果分析  136-142
    4.3.1 静态星点成像稳定性实验  137-139
    4.3.2 外景成像实验  139-140
    4.3.3 外场观星成像实验  140-142
  4.4 实验星敏感器测试、标定及分析  142
  4.5 本章小结  142-144
第五章结论  144-147
  5.1 论文的研究工作与成果  144
  5.2 具有创新意义的工作  144-145
  5.3 展望  145-147
致谢  147-148
参考文献  148-153
附录1 目前流行的CMOS图像传感器参数简表  153-156
附录2A 典型星敏感器性能对比  156-157
附录2B 几种星敏感器技术参数对照表  157-158
附录3 典型COMS图像传感器性能参数对比  158-159
附录4 3×3像元光斑质心测量数据  159-163
附录5 实验星敏感器拍摄图片  163-164
作者简历  164-165
作者在攻读博士学位期间发表的论文  165

CMOS图像传感器在星敏感器中应用研究

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