【word】 小型CMOS太阳敏感器

【word】 小型CMOS太阳敏感器 小型CMOS太阳敏感器 第34卷第2期 2007年2月 光电工程 Opto-ElectronicEngineering Vo1.34,No.2 Feb,2007 文章编号:1003—501X(2007)02—0133—04 小型CMOS太阳敏感器 樊巧云,江洁,张广军 (北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100083) 摘要:提出并设计了一种基于FPGA的小型CMOS数字式太阳敏感器.对其光学系统设计参数进行了合理选择, 采用了”质心法”求取太阳像光斑中心位置,并用最小二乘法对该太阳敏感器进行了标定.经过测试,应用该技 术实现的太阳敏感器样机的视场范围可达到60~x60.,测角精度可达到O.O5.,帧频10Hz,质量小于250g,总功 耗为750mW.包括处理电路在内的整个结构尺寸为80mmx80mmx35mm. 关键词:太阳敏感器;光学系统:质心法;FPGA 中图分类号:TP212文献标识码:A MicroCMoSsunsensor FANQiao-yun,JIANGJie,ZHANGGuang-jun (SchoolofInstrumentScienceandOpto-ElectronicEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronatics, Beijing100083,China) Abstract:AmicroCMOSsunsensorbasedonFieldProgrammableGateArray(FPGA)Wasproposedanddesigned.The parameterofitsopticsystemWasselectedreasonably.CentroidingestimationofthesunimageWasacquiredwith eentroidingalgorithm,andleastsquareequationswereusedforcalibrationofthesunsensor.Experimentdatashowsthat thesunsensorhasaweightof250g,avolumeof80mmx80mmx35mm,andapowerconsumptionof750mW.The accuracyofthesunsensorisO.05.andthem~imumfieldofviewis60.x60~. Keywords:Sunsensor;Opticalsystems;Centroidingalgorithm;FPGA 己l吉J?口 太阳敏感器是以太阳为基准方位,用以测量太阳视线与卫星等航天 器某一体轴或坐标平面之间夹角的 一 种姿态敏感器.主要有模拟式,一般数字式和新型数字式三种类型.其 中模拟式和一般数字式为国内外 航天器过去所常用,其所用光敏探测元件多为半导体光电池(si)及光电导器件(CdS).以光电池为光敏探测 元件的模拟式太阳敏感器由于基于光伏特性,模拟量输出,分辨率和测量精度低.一般数字式太阳敏感器 较模拟式太阳敏感精度有所提高,但是也很难满足微型航天器高精度,小型化的要求.FPGA以及高性能 CMOS图像传感器的出现和普及为满足这种要求提供了可能.目前我国取得成功应用的太阳敏感器还是以 模拟式和编码式为主要型号.而基于CMOS的新型数字式太阳敏感器的研制,国内才刚刚起步,各性能指 标与国外相比还有很大差距?J. 本文介绍了一种小型CMOS数字式太阳敏感器的工作原理,系统设计.通过对其光学系统设计参数的 合理选择,以及采用精度较高的”质心法”求取太阳像光斑中心位置,并用最小二乘法对该太阳敏感器进行 标定,从而在提高精度的同时进一步实现了太阳敏感器的小型化. 收稿日期:2006-05-20I收到修改稿日期:2006-10-19 作者简介:樊巧云(1978一),女(汉族).山西黎城人,博士生,主要从事精密仪器于机械方面的研究. E-mail:fqy2OO3~spe.buaa.edu.cn 134光电工程第34卷第2期 1系统设计和工作原理 1.1工作原理 太阳敏感器工作原理如图1所示,是运用光学dqL成像原理对太阳进行成像,使其成像光斑投射在 CMOS图像传感器上,然后信息处理电路用某种算法提取像光斑中心位置,并测算出太阳入射角.建立如 图所示坐标系,假设太阳光在dqL坐标系中矢量方向为,在两轴方向上的入射角度分别是,dqL平 面与成像平面的距离是F.由此可得到该坐标系下像点坐标C,以及入射角度,的表达式如下 ((…]’:aretan(xo/F),:arctan(Yc/)(1) 1.2系统设计 太阳敏感器的设计原则是:在保证一定精度和可靠性前提下,实现体积小,重量轻,功耗低等要求, 同时考虑适应航天器飞行环境,降低成本和缩短研制周期等因素.依据此原则设计的太阳敏感器如图2所 示,主要包括光学系统(掩膜),CMOS图像传感器,CMOS图像传感器驱动电路,信息处理电路,存储器 和接口电路.太阳经光学系统(掩膜)成像在CMOS图像传感器上,基于FPGA的硬件电路完成以下功能: 对CMOS图像传感器的驱动;读取CMOS输出数据并采用质心算法求得太阳像光斑的中心位置;将中心 位置信息换算成太阳相对于系统体轴的倾斜角度信息,即系统的姿态信息;完成与主控设备RS422接口的 通信和数据交换. 图l太阳敏感器工作原理图 Fig.IPrincipleofthesunsensor 图2太阳敏感器整体结构框图 Fig.2Schematicdiagramofthesunsensor 2光学系统设计参数选择 光学系统是太阳敏感器的重要组成部分,选择合理的参数能够进一步提高太阳敏感器的精度.太阳敏 感器光学系统设计参数的选择主要是依据小孔成像理论,并根据太阳的光谱分布,CMOS图像传感器的光 谱响应特性和几何尺寸,以及最优的成像光斑尺寸和视场范围等因素来确定. 2,1中心波长及光谱范围的确定 本文太阳敏感器选择的CMOS图像传感器是FillFactor公司的STAR1000,其光谱响应特性在500- 800rim的波长范围有平稳的灵敏度,所以所设计光学系统的中心波长在此范围内最好.光谱范围要由现有 的滤光介质和加工工艺来确定. 2.2掩膜平面到成像平面距离F的确定 F的确定是根据所要达到的视场范围来确定的,从原理图l可以看 出:F----(a—b)12tanO,其中,a是图像 传感器有效成像面积的边长,b是掩膜有效成像面积的边长.0是所要达到的视场范围. 2.3掩膜结构及几何尺寸的确定 a)结构的确定.按照统计理论,多孔结构的掩膜可使太阳敏感器的随机测量误差大大减小,从而提高 其精度.精度的提高与圆孔个数的平方根成正比,但是,圆孔越多,计算的复杂度也越高,设计时应综合 考虑这两个因素pl. 2007年2月樊巧云等:小型CMOS太阳敏感器135 b)孔径的确定.质心法提取太阳像光斑中心位置的误差与光斑大小有直接关系,而光斑大小又直接依 赖于孔径的大小,所以选取合适的孔径大小能进一步提高太阳敏感器的精度.依据小孔成像理论和图像测 量中光斑尺寸优化的相关理论I4】,得到小孔直径取121~m到421~m时,质心算法的误差最小. c)孔间距的确定.孔间距确定的原则主要是使相邻像光斑之间的影响较小,其值可根据光源的空间相 干性以及太阳的发光特性来确定.光源的空间相干性是一定范围内的相干,通常用相干体积或相干面积来 表示,其与光源尺寸,两子光源间距,光源到两子光源的距离有一定的 关系.对光波长为650nm的情况来 说,孔间距大于751~m时,经相邻两个小孔投射后的相干性就不明显了.实际情况中,太阳光不像激光那 样有较强的方向性,相干性,所以一般情况,其空间两点的相位关系是随机的,空间相干性就更不明显了, 这样对孔间距的要求可放宽些p. d)掩膜的加工.掩膜加工方法主要包括:?机械加工,精度低; ?将掩膜板和滤光片合二为一,采用平版光刻技术,在硅(si)基片或 石英玻璃上通过镀膜,光刻等光学工艺加工;?平版化学蚀印法和放 电研磨法,这两种方法采用较少. 为降低前期开发成本,本文样机掩膜采用的是机械加工方法.受加 工精度限制,掩膜结构没有严格按照上述理论分析的参数设计,而是 采用了如图3所示的6x6小孔阵列,孔直径为0.2ram,孔间距为0.4ram, 掩膜平面到成像平面的距离为3ram. 3”质心法”实时定位算法的FPGA实现 图3掩膜结构示意图 Fig.3Maskofthesunsensor 3.1实时定位算法研究 目前比较常用的中心定位算法有最大值保持法,二值化方法,能量加权平均法和质心法.最大值保持 法的优点是电路简单,处理速度快,缺点是受噪声影响大,精度低,只能达到单个像素的精度.二值化求 中心法电路也比较简单,精度可达到像元间距的一半,但是其精度直接依赖于输出信号的形状,它要求信 号是对称的,且不存在振荡.当信号不满足对称条件时,二值化信号的中点并不代表中心位置.当信号存 在振荡时,由于不能只得到两个前后沿,方法失效.能量加权平均法较前面这些算法有高的精度可达到单 个像素尺寸的几分之一,但是当太阳远离光轴时,太阳像变成椭圆,并且位置灵敏度随离轴角余弦的倒数 成比例增大,这时需要精度更高的算法来计算太阳像光斑中心位置.据实验证明,如果采用质心算法,可 使系统的定位精度达到单个像素的十几分之一.质心法实际上是基于平面几何中实体积分求重心的原理. 将太阳像区域看作一个实体,像素为最小的计量单位,其电压输出值为它的权重.于是,当像区域有x行 Y列时,便得到下面的中心计算公式: :— ~,x.— Gray 一.n?(2) y:—2.,y”— Gray .?Gray 式中,表示最后求得的中心坐 标,x,Y表示对应像素的行列值,Gray 表示对应像素的灰度值. 3.2质心法的FPGA实现 算法原理框图如图4所示FPGA 对每帧图像进行逐行读取,同时判断 每个像素的灰度值是否大于阈值,对 大于阈值的像素进行标志判断,并写 入相应的标志寄存器,同时根据标志 图4”质心法”的FPGA实现框图 Fig.4SchematicdiagramofcentroidingalgorithmrealizedwithFPGA 144光电工程第34卷第2期 可以看出屏幕上图像分布不产生畸变,并且均匀性较好,结果较令人满意.图4给出了屏幕平面上各 点光照度的具体数值.系统模拟所用的光源发光强度设为1W.如图4可以看出,光照度分布趋势是中间 强两边稍弱.模拟所得结果显示屏幕上最大光照度达0.7494x10Watts/mm,而平均光照度为 0.6400x10WaBs/mm.均匀度达到8O%. 3结论 本文论述一种背投影显示系统和双重功能屏幕 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的设计和模拟过程,此方案在畸变,均匀度,像面 光照度分布等方面可达到满意的效果.利用屏幕对不同入射角的入射光线进行选择,省去了传统背投影系 统中前部反射平面镜所占用的空间,并通过屏幕的双重功能使光路折叠而实现了图像的放大.由于屏幕微 结构可以采用高折射率的有机 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 制成,重量比玻璃制成的平面镜轻得多,因此实现了缩小系统厚度和减 轻重量的目的. 为了保证入射到屏幕上的光线能够顺利出射,需要满足的条件是图像源出射的光线发散角不能太大(模 拟试验中图像光线垂直方向发散角取到45.已是极限),因此制约了图像的放大倍数.解决这个问题的方法 有二,其一是使用更高折射率的材料制作屏幕的棱镜微结构,使得光线在屏幕上的全反射角减小,例如使 用折射率大干2的材料可以改善系统对图像源发散角度的要求.另一种方法是使光线在入射到屏幕上之前 在后部反射平面镜上反射一次,这样势必会增加系统的高度. 参考文献: 【I】AdrianTRAVIS,TimLARGE,MarkBUCKINGHAM.ImageQualityinFlatP ro3ectionWedges【J】.AdvancedDisplay,2004, (6):85o_853. 【2】 RearProjectionDisplaySystem[P].UnitedStatesPatent.US6728o32B2,2004. 【3】李晓彤.几何光学和光学设计【M】.杭州:浙江大学出版 社,1997.77-90.’ LIXiao-tong.GeometricOpticsandOpticalDesign[M].Hangzhou:Zh~iangUniversityPress,1997.77-90. 【4】安连生.应用光学【M】.北京:北京理工大学出版社,2000.67-80. 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