基于CMOS圖像傳感器的納型衛星遙感系統設計
加入技術交流群
圖4 FPGA 狀態轉換圖
3) CAN 總線接口設計
CAN 總線接口的主要任務是接收星上數據處理模塊發來的命令, 監控遙感相機模塊的工作狀態,包括遙感相機模塊的電源控制、電流監測、溫度監測、曝光時間控制等功能, 并將獲得的圖像數據分時發送給星上數據處理模塊。設計上, 星上數據處理模塊發來的指令會使微控制器進入中斷, 設置相應的標志。微控制器查詢各標志的變化, 根據星上CAN通訊協議完成相關動作, 包括監測遙感模塊工作溫度、工作電流, 設置曝光時間, 進行圖像數據傳輸等操作。
2 納型衛星遙感系統的熱循環實驗
2. 1 實驗系統及方案
為了方便完成在設計階段的單模塊調試, 實現遙感系統地面原理與性能測試, 本文采用PC機模擬星上數據處理系統, 利用CAN 卡將CMOS 相機與PC機相連, 建立了一套CMOS遙感系統地面測試系統。
本文采用德國Vtsch IndustrietechnikVT7034 型恒溫實驗箱, 在60～- 5℃溫度區間內,每下降5℃采集一組暗圖像。熱循環實驗之所以按照從高溫到低溫的順序進行, 是因為實驗所用恒溫箱不能抽真空。如果反過來進行實驗, 盡管不斷向恒溫箱內充氮氣, 箱內微量空氣中的水氣仍可能凝結在相機上, 影響實驗結果。
2. 2 特征參數的提取
1) 平均暗輸出
平均暗輸出是在沒有光照的條件下圖像傳感器輸出的平均灰度值, 可由下式進行計算:
其中: I i,j是圖像傳感器在無光照條件下輸出的暗圖像灰度值矩陣, M 、N 是圖像傳感器像素陣列的行數和列數。
2) 暗不一致性
理想情況下, 在無光照的時候圖像傳感器的輸出也應該是均勻的。但是圖像傳感器的像素間總是存在差異的, 因此暗輸出總有波動。波動的大小表明圖像傳感器像素性能的穩定性, 計算方法是求出暗圖像各像素輸出灰度值的標準差
其中各符號的含義與暗噪聲計算式(5) 相同。
2. 3 實驗結果及分析
按照2. 1 所述的方案進行實驗, 得到了CMOS相機在60～- 5 ℃溫度區間內平均暗輸出以及暗不一致性隨溫度的變化曲線, 分別如圖5、圖6 所示。
圖5 平均暗輸出隨溫度的變化曲線
圖6 暗不一致性隨溫度的變化曲線
從圖中可以看出, 平均暗輸出隨著溫度的升高大致呈上升趨勢。當溫度小于10 ℃時, 平均暗輸出上升速度較快;10～ 15 ℃上升趨緩;從15 ℃開始略有下降,到30 ℃時達到低谷,10～30℃之間,總的來說平均暗輸出值變化比較平穩; 30 ℃以上, 平均暗輸出值又以較快的速度上升。本文選用的CMOS圖像傳感器為256 級灰度輸出, 實驗中平均暗輸出的變化范圍為7.7567～10.1092。
平均暗輸出之所以隨著溫度的升高大致呈上升趨勢, 是因為溫度升高, CMOS圖像傳感器及其外圍電子器件的熱噪聲都會升高; 而平均暗輸出在10～30 ℃之間變化比較平穩, 甚至在15～30 ℃之間略有下降, 是因為CMOS圖像傳感器在設計上的特殊考慮保證了其在常溫下具有最優的工作性能;這同時也說明了這套遙感系統的電噪聲主要來源于CMOS圖像傳感器。
暗不一致性隨溫度的變化不大, 實驗中其變化范圍為0.6148～0.8542,比平均暗輸出低一個數量級, 可以忽略。
實驗中還測試了CMOS相機的耐低溫性能。關機后將相機降溫至- 25 ℃,達到溫度平衡后再升溫至0 ℃,開機采集圖像, 分析其性能變化。實驗測得經受低溫后, CMOS相機在0℃下的平均暗輸出為7.2323, 比先前略有降低; 暗不一致性為0.8781,比先前略有增大。由于實驗中暗不一致性始終比平均暗輸出低一個數量級, 其變化相對平均暗輸出可以忽略, 所以這個結果說明關機狀態下低溫環境不會對CMOS相機的成像質量產生顯著的不良影響。綜上所述, 本文設計的這套CMOS遙感相機在10～30℃之間平均暗輸出變化平穩, 暗不一致性可以忽略,有利于對成像質量的控制和校正,是理想的成像溫度范圍。
3 結論與展望
本文設計了一套納型衛星CMOS遙感系統, 體積為62mm×62mm×35mm,功耗小于0.6W, 質量小于150g,采用10μm像素尺寸、1024×1024像素數目的CMOS圖像傳感器, 光譜響應范圍為400～800nm,配合焦距為50mm的鏡頭,在800km的太陽同步軌道上,可以實現大于150km×150km的地面覆蓋面積和優于160m 的地面分辨率,適于納型衛星獲取多光譜和彩色的普查信息。熱循環實驗表明, 該CMOS遙感相機能夠耐受空間環境中- 25～60 ℃的衛星艙內溫度變化, 在10～30 ℃的溫度范圍內工作穩定,可通過地面測試數據對其在空間獲取的圖像進行校正補償。
由于國際上對CMOS圖像傳感器在航天領域的應用研究較少, 所以設計出來的CMOS相機在上天之前, 還需要研究其熱真空性能和抗輻照性能, 提出相應的補償、加固措施。
評論