一种基于线阵aps图像传感器的小型双轴太阳敏感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，包括光电组件、图像采集与预处理单元、图像处理和误差补偿单元，其中光电组件包括掩膜板和APS图像传感器，图像采集与预处理单元包括视频放大器、A/D转换器和FPGA，图像处理和误差补偿单元包括单片机和存储器ROM，其中掩膜板为为“N”形五光缝玻璃板结构，利用一个线阵图像传感器可以输出两个太阳轴角度，同时具有太阳亮斑的识别功能；采用FPGA进行图像采集和图像预处理，采用单片机进行图像处理和误差补偿，在采集图像时将图像数据处理完成，大大节省了图像存储空间，且FPGA和单片机并行流水工作，产品更新率达到30Hz以上，此外该太阳敏感器精度高、体积小、重量轻、一体化、更新率高、接口方便。
【专利说明】-种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，属于卫星控制 分系统光学姿态敏感器【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 太阳敏感器以太阳为基准方位，测量航天器姿态与太阳光线矢量夹角的一种光学 姿态敏感器，根据在太阳敏感器中利用的探测器不同可以分为电池片式和成像式两种。
[0003] 在研究成像式太阳敏感器过程中，提出了两种解决方案，一种是基于面阵图像传 感器的太阳敏感器，一种是基于线阵图像传感器的太阳敏感器，前者以APS CMOS图像传感 器居多，后者以线阵CCD图像传感器居多。
[0004] 对基于面阵APS CMOS的太阳敏感器，由于面阵图像阵列较大，需要大容量数据存 储器和图像处理器（DSP或RISC)，造成太阳敏感器体积大、功耗大、更新率低，而且成本相 对较高。而在利用线阵CCD图像传感器的研制太阳敏感器的过程中，由于CCD图像传感器 的特性所需电源种类较多，对电源要求高，集成度低，增加了太阳敏感器系统的功耗、重量 和体积等，难以实现太阳敏感器的小型化和一体化。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于线阵APS图像传感 器的小型双轴太阳敏感器，该太阳敏感器具有精度高、体积小、重量轻、一体化、更新率高、 接口方便等优点，使APS太阳敏感器在±64° X±64°视场范围的两轴角度测角精度从 0.08° 提升至 0.03°。
[0006] 本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
[0007] -种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，包括光电组件、图像采集 与预处理单元、图像处理和误差补偿单元，其中光电组件包括掩膜板和APS图像传感器，图 像采集与预处理单元包括视频放大器、A/D转换器和FPGA，图像处理和误差补偿单元包括 单片机和存储器R0M，其中：
[0008] 掩膜板：将太阳光线投影到APS图像传感器，产生具有双轴太阳角信息的光信号；
[0009] APS图像传感器：接收FPGA输出的APS图像传感器工作时序，将所述具有双轴太 阳角信息的光信号转化为电信号，并将所述电信号发送给视频放大器；
[0010] 视频放大器：接收APS图像传感器输出的电信号进行滤波和信号放大，并输出给 A/D转换器；
[0011] A/D转换器：接收FPGA输出的A/D转换器工作时序，将视频放大器输出的模拟信 号转换为数字信号，供FPGA采集；
[0012] FPGA :将APS图像传感器工作时序输出给APS图像传感器，将A/D转换器工作时序 输出给A/D转换器，采集A/D转换器输出数字图像信号，进行图像预处理，并将预处理的结 果供单片机读取；
[0013] 单片机：从FPGA读取图像预处理后的结果，完成图像处理，从存储ROM中读取误差 补偿系数进行误差补偿；
[0014] 存储器ROM :存储误差补偿系数。
[0015] 在上述基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器中，光电组件中的掩膜板 为"N"形五光缝玻璃板结构，玻璃板上具有五条光缝，中间三条为等间距的直缝，直缝两边 各有一条斜缝，正中间的1条垂直缝S0与最外侧的两条倾斜光缝S1、S2呈大写的"N"形分 布，两条倾斜光缝SI、S2与中间的垂直缝S0间的夹角为γ，S0与APS图像传感器的排列 方向正交，在正中间的光缝S0两侧等间距布有与其平行的两条辅助光缝SOL、S0R，用于中 间光缝S0的识别，掩膜板位于APS图像传感器上方的平面内；其中γ的角度取值范围为 30。?60°。
[0016] 在上述基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器中，FPGA包括图像采集模 块、图像预处理模块、双口 RAM、单片机接口模块、时钟分频模块、全局时钟和复位时钟管理 模块，其中：
[0017] 图像采集模块：产生APS图像传感器工作时序和A/D工作时序，采集A/D转换器输 出图像灰度值vpi = 1?2048,将图像灰度值Vi输出给图像预处理模块；同时从时钟分频 模块接收分频后的时钟信号；
[0018] 图像预处理模块：接收图像采集模块输出的图像灰度值Vi，提取图像中的有效太 阳光斑信息，具体方法如下：
[0019] (1)、对每个像元图像进行去背景处理，公式如下：
[0020]
【权利要求】
1. 一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，其特征在于：包括光电组件、 图像采集与预处理单元、图像处理和误差补偿单元，其中光电组件包括掩膜板和APS图像 传感器，图像采集与预处理单元包括视频放大器、A/D转换器和FPGA，图像处理和误差补偿 单元包括单片机和存储器ROM，其中： 掩膜板：将太阳光线投影到APS图像传感器，产生具有双轴太阳角信息的光信号； APS图像传感器：接收FPGA输出的APS图像传感器工作时序，将所述具有双轴太阳角 信息的光信号转化为电信号，并将所述电信号发送给视频放大器； 视频放大器：接收APS图像传感器输出的电信号进行滤波和信号放大，并输出给A/D转 换器； A/D转换器：接收FPGA输出的A/D转换器工作时序，将视频放大器输出的模拟信号转 换为数字信号，供FPGA采集； FPGA :将APS图像传感器工作时序输出给APS图像传感器，将A/D转换器工作时序输出 给A/D转换器，采集A/D转换器输出数字图像信号，进行图像预处理，并将预处理的结果供 单片机读取； 单片机：从FPGA读取图像预处理后的结果，完成图像处理，从存储ROM中读取误差补偿 系数进行误差补偿； 存储器ROM :存储误差补偿系数。
2. 根据权利要求1所述的一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，其特 征在于所述光电组件中的掩膜板为"N"形五光缝玻璃板结构，玻璃板上具有五条光缝，中间 三条为等间距的直缝，直缝两边各有一条斜缝，正中间的1条垂直缝SO与最外侧的两条倾 斜光缝SI、S2呈大写的"N"形分布，两条倾斜光缝SI、S2与中间的垂直缝SO间的夹角为 Y，S0与APS图像传感器的排列方向正交，在正中间的光缝SO两侧等间距布有与其平行的 两条辅助光缝SOL、S0R，用于中间光缝SO的识别，掩膜板位于APS图像传感器上方的平面 内；其中Y的角度取值范围为30°?60°。
3. 根据权利要求1或2所述的一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器， 其特征在于所述FPGA包括图像采集模块、图像预处理模块、双口 RAM、单片机接口模块、时 钟分频模块、全局时钟和复位时钟管理模块，其中： 图像采集模块：产生APS图像传感器工作时序和A/D工作时序，采集A/D转换器输出图 像灰度值Vp i = 1?2048,将图像灰度值Vi输出给图像预处理模块；同时从时钟分频模块 接收分频后的时钟信号； 图像预处理模块：接收图像采集模块输出的图像灰度值Vi，提取图像中的有效太阳光 斑信息，具体方法如下： (1) 、对每个像元图像进行去背景处理，公式如下：
其中i为第i个像元经去背景处理后的输出值，Vi为第i个像元灰度值，vbk为去 背景阈值； (2) 、利用如下公式得到每个亮斑的质量矩因子XA和每个亮斑的灰度和GA ;
其中： i为像元序号，m为光斑的起始像元，η为光斑的终止像元； (3)、将运算结果存储到双口 RAM模块，重复步骤（1)?（3)，直至处理完成一幅图像中 所有的太阳亮斑信息； 双口 RAM :包括质量矩因子XA_RAM、每个亮斑的灰度和GA_RAM以及预处理结果输出 OUT_RAM，其中将每个亮斑的所有像元利用乘法器实现的iXv' i运算结果存储到XA_RAM 中，将每个亮斑的所有像元对应的灰度值V i存储到GA_RAM中，将每个亮斑的质量矩因子 XA和每个亮斑的灰度和GA存储到OUT_RAM中； 单片机接口模块：连接单片机与双口 RAM中的OUT_RAM，接收单片机输出的读写信号和 地址信号，由单片机从〇UT_RAM中读取运算结果； 复位和时钟管理模块：接收外部输入的复位信号，实现复位信号的同步释放，接收外部 输入的时钟信号，将时钟信号接入FPGA的全局时钟； 全局时钟：FPGA内部高速信号走线网络，从复位和时钟管理模块接收外部输入的时钟 信号，并将所述时钟信号输出给时钟分频模块； 时钟分频模块：对外部输入的时钟信号进行分频处理，分频后的时钟信号输出给图像 采集模块。
4. 根据权利要求1或2所述的一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器， 其特征在于：所述单片机包括图像处理模块和误差补偿模块，其中图像处理模块用于计算 太阳光矢量的两轴姿态角α和β，误差补偿模块用于对太阳光线矢量的两轴姿态角α和 β进行误差补偿。
5. 根据权利要求4所述的一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，其特 征在于：所述图像处理模块用于计算太阳光矢量的两轴姿态角α和β的具体方法如下： (1) 、建立直角坐标系ΟΧΥΖ，其中坐标原点0在线阵APS图像传感器中像元总长度的 1/2处；X轴与APS光敏单元排列线重合，由零像元指向最大像元处；Y轴在线阵APS的光敏 面内，Z轴通过右手法则定义；入射光矢量在YOZ面上的投影与Z轴之间的夹角为β ;入射 光在ΧΟΖ面上的投影与Ζ轴之间的夹角为α ; (2) 、利用如下公式计算中央直缝SO的质心坐标，及斜缝S1或S2的质心坐标：
其中： X。为质心坐标； b为线阵APS图像传感器相邻两个像元的中心距离； (3) 、计算太阳光线矢量的两轴姿态角β 或 其中：
Λ Xl为斜缝S1的光斑位置与斜缝S1在零位时的光斑位置之差； Λ x2为斜缝S2的光斑位置与斜缝S2在零位时的光斑位置之差； Λ X为中央直缝SO的光斑位置与中央直缝SO在零位时的光斑位置X。之差； Y为两条倾斜光缝S1、S2与中间垂直缝SO间的夹角；h为光缝玻璃下表面与APS图像 传感器器件封装玻璃上表面之间的距离； (4)、计算太阳光线矢量的两轴姿态角α
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6.根据权利要求4所述的一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，其特 征在于：所述误差补偿模块用于对太阳光线矢量的两轴姿态角α和β进行误差补偿的具 体方法如下： (1) 、分别建立α角和β角在视场范围内的二维误差补偿系数表，并将二维误差补偿 系数表存储在存储器ROM中，其中建立二维误差补偿系数表的方法如下： (a) 、在线阵APS太阳敏感器的视场范围内，给出一组固定角度间隔的太阳光矢量的两 轴姿态角真实值α 和β ，其中固定角度间隔为K，再根据步骤（一）中的计算方法计 算出一组相应的姿态角α实测和β实测，得到姿态角的误差值α误差=α真实 -α实测和β误差 =β ;分别对a 和β 进行曲线拟合得到拟合曲线的补偿系数值，如下公式 所示：
其中AO、A1……A7 ;B0、B1……B7为拟合曲线上的多项式系数，即补偿系数值；α、β 为拟合曲线上的自变量； (b) 、根据所述补偿系数值建立α角和β角在线阵APS太阳敏感器的视场范围内的二 维误差补偿系数表，具体方法为：在线阵APS太阳敏感器的视场范围内，以固定角度间隔K 变化的每一个两轴姿态角β 对应α 的一组误差补偿系数，从而得到α的误差补偿系 数表；以固定角度间隔Κ变化的每一个两轴姿态角α对应β 的一组误差补偿系数，从 而得到β的误差补偿系数表； (2) 、利用实测的β 查找α的误差补偿系数表，找到β 对应的一组误差补偿系数 Α0、Α1……Α7,利用公式（1)求出误差补偿值α补，对α 进行补偿，得到补偿后的α补+实 测，即α补+实测=α补+ α实测，α补+实测为$Η!]出太阳光线矢里α轴角度； (3) 、利用补偿后的α # + 查找β的误差补偿系数表，找到α # + 对应的一组误差 补偿系数Β0、Β1……Β7,利用公式（2)求出β的误差补偿值β彳卜，对β 进行补偿，得到
【文档编号】G01C1/00GK104142136SQ201410318811
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】张建福, 梁鹤, 吕政欣, 贾锦忠, 余成武 申请人:北京控制工程研究所