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基于CMOS相机的微卫星数字式太阳敏感器研究

作　者: 李辉
导　师: 金仲和
学　校: 浙江大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 数字式太阳敏感器 CMOS图像传感器全景环形镜头 PowerPC核边界跟踪
分类号: V448.222
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 196次
引　用: 5次
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内容摘要

太阳敏感器是航天姿态控制系统中的重要测量部件,是在航天领域应用最广泛的一类敏感器。低功耗、轻质量以及高精度是对太阳敏感器的基本要求。由于传统的太阳敏感器采用CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)作为图像传感器,需要复杂的外围时序电路和电源模块,使得太阳敏感器的质量、功耗难以进一步降低。随着卫星向着微小型、甚至纳卫星皮卫星方向的发展,国内外许多科研机构开展了将高端CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补型金属氧化物半导体)有源像素传感器应用于太阳敏感器的探索。本文提出了基于CMOS相机的数字式太阳敏感器的设计方案,方案主要由PAL(Panoramic Annular Len,全景环形镜头)、CMOS相机模组以及FPGA(FieldProgrammable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)组成。其中浙江大学自行研制的全景环形光学镜头可在360°内一次凝视成像,具有景深大、图像处理全景化等特性,比一般镜头的视场更大。提出了基于全景环形镜头的太阳敏感器的姿态测量原理,先根据“灰度门限法”对全景图像进行二值化,找到图像的边界点,再运用改进的八邻域边界跟踪算法找到满足周长的太阳轮廓曲线,然后找到离探测器光敏面中心最远和最近的两个点,计算出太阳相对于卫星本体坐标系的位置。该算法能有效去除噪声和不封闭曲线,具有一定的应用价值。本文详细介绍了算法的分析设计过程,以及基于特定FPGA芯片的SoC(System on Chip,片上系统)体系结构实现方法。系统验证采用了内嵌PowerPC405的Xilinx Virtex-ⅡPro器件,其中主要姿态测量算法通过PowerPC核软件实现,数值计算和存储管理等采用FPGA可编程逻辑实现。另外,本文还在设计开发过程中使用Matlab和Verilog HDL混合仿真的方法对系统的设计模块和算法进行了验证。结果表明,本文的设计方案满足小型化、低功耗等微小卫星应用需求。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
目次  8-11
1 绪论  11-22
  1.1 课题研究的目的及意义  11
  1.2 微小卫星发展概况  11-12
  1.3 太阳敏感器发展概况  12-20
    1.3.1 太阳敏感器构成  12-13
    1.3.2 各种太阳敏感器工作原理与特点  13-14
    1.3.3 太阳敏感器国内外研究现状  14-17
    1.3.4 太阳敏感器发展趋势  17-20
  1.4 本文的背景和主要内容  20-22
2 基于CMOS相机的太阳敏感器系统的设计理论  22-33
  2.1 图像处理相关概念  22-24
  2.2 数字式太阳敏感器基本原理  24-25
  2.3 全景环形镜头介绍  25-28
  2.4 基于全景环形镜头的太阳敏感器姿态测量原理  28-32
    2.4.1 全景环形镜头拍摄的太阳图像特点  28-29
    2.4.2 姿态测量原理  29-31
    2.4.3 系统需求  31-32
  2.5 本章小结  32-33
3 太阳敏感器系统设计  33-46
  3.1 太阳敏感器系统总体设计  33-40
    3.1.1 功能需求分析  33-34
    3.1.2 器件选择  34-38
    3.1.3 系统实现框图  38-40
  3.2 CMOS相机子系统设计  40-45
    3.2.1 有效载荷系统介绍  40-41
    3.2.2 CMOS相机子系统设计  41-43
    3.2.3 CMOS相机子系统性能  43-45
  3.3 本章小结  45-46
4 太阳敏感器系统硬件实现  46-67
  4.1 FPGA具体实现  46-48
  4.2 SCCB Ctrl模块的具体实现  48-55
    4.2.1 SCCB总线介绍  48-50
    4.2.2 重要寄存器说明  50-51
    4.2.3 模块实现  51-55
    4.2.4 仿真结果  55
  4.3 Image_Ctrl模块的具体实现  55-62
    4.3.1 图像传感器输出格式(YUV422)及时序分析  56-57
    4.3.2 重要寄存器说明  57-58
    4.3.3 模块实现  58-62
    4.3.4 仿真结果  62
  4.4 Edge_Detect模块的具体实现  62-66
    4.4.1 模块实现  62-65
    4.4.2 仿真结果  65-66
  4.5 本章小结  66-67
5 太阳敏感器系统软件实现  67-78
  5.1 初始化  68
  5.2 图像信号的采集  68-70
  5.3 图像信号的处理  70-74
  5.4 方案验证及结果分析  74-77
  5.5 本章小结  77-78
6 结论  78-80
参考文献  80-82
作者简介  82

基于CMOS相机的微卫星数字式太阳敏感器研究

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