尹智科[1]2006年在《CMOS星敏感器卫星姿态定位系统设计》文中研究指明星敏感器是一种高精度的姿态敏感器,广泛应用于卫星、空间站、远程弹道导弹、巡航导弹以及深空探测等的姿态测量。本文以实际的项目开发为背景,设计了可用于卫星上的姿态定位及导航的CMOS星敏感器原理样机。该系统采用宇航级CMOS的图像传感器STAR250捕获星图,采用Altera的CPLD实现对图像传感器的驱动控制以及星图数据的预处理,并用ARM9处理器作为系统的主控处理器。CMOS星敏感器原理样机可以实时获取星空图像,并且与预存在系统中的星图相匹配,从而确定卫星成像系统当前光轴指向。研究工作的主要内容是原理样机硬件系统设计、调试和整个系统的仿真实验。工作重点在于ARM微处理器系统设计、STAR250接口电路设计,以及以CPLD对实时星空图像进行预处理设计等。CPLD内部通过模块化方式的编程,有效提高系统结构的灵活性。硬件系统的设计方案具有低成本、小型化和高效率的特点。文章最后,给出了原理样机的设计过程,该样机重550g,不含镜头255g,通过叁块电路板层迭的方式减小所占空间面积。通过实验及结果分析,该样机实现了很高的匹配率,能够满足卫星上的姿态定位要求,是一种低成本、高可靠性的姿态定位设备。
刘智[2]2004年在《CMOS图像传感器在星敏感器中应用研究》文中认为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的叁分之一到十分之一,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着的基础上,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。
崔博[3]2007年在《CMOS图像传感器的噪声研究与抑制电路设计》文中指出近年来,随着CMOS工艺技术和设计水平的不断进步,CMOS图像传感器已经在许多的领域得到了广泛的应用。CMOS图像传感器凭借其特有的诸多优点逐渐替代惯性陀螺被用于卫星、洲际战略导弹、宇宙飞船等飞行器的自主导航中。如何提高CMOS图像传感器的各项性能,满足不同的用途成为研究的热点。课题主要目标是针对CMOS图像传感器在星敏感器中的应用进行研究,提出低噪声、优结构的设计方案。并对方案进行了仿真,得出各项参数的实现效果。围绕这一主题,做了以下研究工作:在广泛阅读相关文献的基础上,首先对CMOS图像传感器的组成、基本工作原理、像素结构进行了详细介绍。接着分析了CMOS图像传感器的各个噪声源,并对感光单元进行了仿真。仿真结果表明,复位噪声会严重影响CMOS图像传感器成像质量。创造性的引入了一种新的复位策略,通过仿真可知其能消除不完全复位引入的噪声。然后介绍了CMOS图像传感器的另一个主要的噪声源—FPN噪声。分析了FPN噪声与感光单元各项参数之间的关系,采用CDS双采样电路消除FPN噪声。最后根据已有的分析设计能满足星敏感器需要的CMOS图像传感器结构。创造性的引入了一种新的CDS相关双采样电路,与传统的双采样电路分别进行仿真比较。得出在相同的环境和动态范围下,新的电路与传统的电路能够达到基本相同的性能。同时简化了电路结构,消除了失配的影响。
刘新明[4]2009年在《基于CMOS图像传感器的相机系统设计》文中认为CMOS图像传感器具有能耗低、集成度高和抗辐射能力强等优点。使用高性能的CMOS图像传感器设计适用于空间环境的相机系统,其能耗、质量和体积相对较小,同时也具有成本低和开发周期短的优势。发达国家已经开始将CMOS图像传感器应用于星敏感器、太阳敏感器和遥感成像等空间应用领域。本文使用一款高性能CMOS图像传感器LUPA-4000设计了相机系统,在设计和实验过程中深入了解CMOS图像传感器的特性,并进行必要的工程技术经验的积累。本文所做的主要工作有:1.归纳了CMOS图像传感器应用于空间环境的国内外现状。2.对CMOS图像传感器的原理、芯片结构、技术指标和发展方向等进行了分析总结,并就其性能与CCD进行了比较。3.在详细分析LUPA-4000像素原理及供电的基础上,选择使用多片LDO,并结合电源监控芯片构成供电系统;同时依据其驱动信号特点,选用FPGA作为驱动信号产生载体,配合通信、数据传输等外围芯片,设计出相机系统电路硬件。结合光学镜头与机械外壳,组装成系统样机。4.采用自上而下,模块化设计的方法,使用VHDL语言设计了包括通信、CMOS图像传感器驱动以及图像数据格式转换等模块的相机系统驱动程序,实现了SPI寄存器初始化、积分时间调节、同步方式切换等功能。5.进行了相机系统的调试工作。通过测试计算得到了相机系统的主要性能参数。进行实验性的拍摄,验证了相机系统的所有功能。6.总结了相机系统存在的问题,提出下一步设计的改进建议。经长时间实验及测试,相机系统运行稳定可靠,采集获得的图像质量较高。使用CMOS图像传感器设计相机系统,是一种可行的空间成像系统选择。
王军, 李国宏[5]2008年在《CMOS图像传感器在航天遥感中的应用》文中认为文章对互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的应用情况进行了综述,对CMOS传感器的优缺点与CCD进行了比较。通过计算CMOS遥感器的理论信噪比,证明CMOS传感器能满足航天遥感应用。
李杰, 刘金国, 王英霞, 郝志航[6]2005年在《CMOS有源图像传感器的最新研究进展》文中认为由于CMOS有源图像传感器在单片集成、系统功耗、价格以及微型化方面都大大优于CCD,近年来得到较快进展,特别是其抗辐射的性能,使其在空间应用方面尤其具有优势。介绍了CMOS有源图像传感器的原理、性能和研究进展,重点介绍了在空间领域,特别是星敏感器中的研究进展和应用现状。
郑拓[7]2016年在《微小型化星敏感器的关键技术研究及应用》文中研究指明星敏感器是航天飞行器中一个非常重要的姿态测量及控制方面的传感系统。由于使用CCD作为传感器的星敏感器技术仍旧存在着一些问题有待解决,于是使得以APS(active pixel sensor有源像元传感器)作为能够代替CCD传感器的星敏感器技术,成为了很长时间以来最新的研究热点。APS星敏感器具有集成度高、硬件电路简单等优点。对于星敏感器来说,正是基于这些特点让其十分有利于空间应用及研究。近些年来,随着微小型卫星的不断发展,使得星敏感器的需求也呈现出了微小型化的趋势。本文在满足微小型化及其性能指标的前提下,全部使用国产化的芯片,最大限度保障星敏感器的国产化研制。论文主要以研制一台国产化微小型化星敏感器作为切入点,研究其参数的设计、系统的构建、使用性能等关键技术问题,最后进行拍摄仿真。本文主要进行了以下研究工作:1.根据某国产CMOS APS传感器芯片及CPU芯片进行星敏感器微小型化设计,确定了光学系统的参数,完成硬件系统的搭配。2.对APS图像传感器的原理进行分析,完成星敏感器质心定位,星图匹配,姿态解算等软件算法。3.在现有星敏感器软件算法的基础上,进行降噪算法设计。对软件功能进行完善,设计人机通信上位机软件并仿真。4.研制一套星敏感器系统并进行测试。
李杰[8]2005年在《APS星敏感器关键技术的研究》文中指出星敏感器在航天飞行器的姿态测量和控制系统中起着重要的作用,是最精密的姿态测量部件。基于CCD 的星敏感器技术已趋于成熟,获得广泛应用,但在空间应用的实践经验中发现CCD 星敏感器存在亟待解决的问题:CCD 器件抗空间辐射的能力比较差,所需要的电源种类比较多,供电相当复杂,使CCD 星敏感器的电子学设计复杂,体积、功耗无法进一步减少,这样就限制了CCD 星敏感器的小型化和低成本,使其应用受到限制。由于CCD 星敏感器在空间应用中存在的问题,使以APS(active pixel sensor有源像元传感器)为替代CCD 的APS 星敏感器成为星敏感器的新的研究课题。APS 图像传感器应用于星敏感器具有抗辐射能力强、使用一种供电电压(+5V 或+3.3V)、集成度高、硬件电路简单等优点,对星敏感器非常有利。但是目前的APS 噪声水平比较高,填充因子较小等问题使APS 星敏感器的探测能力和探测精度受到影响,论文主要以此作为切入点,研究APS 应用于星敏感器的参数设计、探测能力和探测精度等关键技术问题,研究如何提高APS 星敏感器的探测能力和探测精度的方法。本文主要做了以下研究工作:1.对APS 图像传感器的工作原理、技术指标和误差进行了详细分析。2.阐述了ASP 星敏感器的主要技术指标的表示方法与物理意义,以及各技术指标的相互关系,对系统设计时参数的选择等相关问题进行了讨论。3.以星敏感器焦平面的星光信号能量转化为研究对象,建立了APS 星敏感器的星图的能量的数学模型,对亚像元细分定位方法进行了细致的分析。4.对星等探测灵敏度的信噪比判据和星等有效范围以及星探测概率进行了分析;推导建立了星探测灵敏度评估模型,讨论了探测灵敏度计算中能量的集中度和光斑位置不同引起的灵敏度的改变,探讨了提高星探测能力的几种方法。
董继鹏[9]2008年在《CMOS星敏感器图像采集系统研究》文中提出星敏感器是一种高精度的姿态敏感器,广泛应用于卫星、远程弹道导弹、深空探测的姿态测量中。目前星敏感器应用的标准图像传感器是CCD,然而传统的CCD星敏感器集成度低、外围支持电路复杂、多电压供电、成本高等缺点已越来越难以满足航天器发展的需求。随着CMOS有源图像传感器的工艺进步,将体积小、功耗低、抗干扰能力强的CMOS图像传感器替代CCD应用于星敏感器的图像采集系统成为下一代星敏感器发展的目标。论文以开发CMOS星敏感器原理样机为目的,研究了CMOS星敏感器的图像采集系统。为了降低图像采集系统的功耗、体积和提高数据更新率,设计了一种以SDRAM为缓存的图像采集系统。该系统采用CPLD将CMOS图像传感器输出的数字图像数据进行调制后直接缓存到SDRAM中,图像缓存过程由DSP启动,SDRAM的写操作首先被图像传感器的像素输出时钟触发,然后由SDRAM的主时钟进行同步,在一帧图像采集完成后CPLD通知DSP图像采集结束。DSP在整个过程中负责初始化CMOS图像传感器和SDRAM存储器,在系统正常工作时通过与CPLD的握手信号控制整个工作流程。本文设计了CMOS星敏感器的图像采集系统的软硬件部分,并在PC机上实现了彩色图像的合成和显示等功能。图像采集系统具有体积小、质量轻、功耗低的优点,实验结果表明,它能够完成图像数据的采集。
苏畅[10]2017年在《星敏感器星图降噪预处理及其硬件实现》文中进行了进一步梳理目前利用星敏感器对航天器进行姿态测量是精度最高的。相比较于其它类型的姿态敏感器,由于星敏感器的自主性强、无姿态积累误差等特点,使得飞行器的姿态确定可以在无陀螺的条件下进行。星点坐标提取是星敏感器研制过程中的关键步骤之一。恒星星像坐标的提取精度是衡量星敏感器性能的重要指标。本学位论文将从星图降噪预处理和提高恒星星像坐标提取精度等问题出发,对星图滤波算法进行深入研究。以分析国内外研究发展现状为基础,完成了以下工作:本文阐述了星敏感器的工作原理和硬件结构,同时对星敏感器的姿态测量精度进行了分析。列举了星敏感器的主要精度指标。分析了影响星敏感器姿态测量精度的因素,包括传感器像元尺寸的限制和测量中引起的误差,对于后者,主要分为叁类,即光学系统误差、算法误差、噪声引起的误差。然后阐明了针对上述引入的误差提高星敏感器精度的方法,包括先进的标定技术、优化算法、以及抑制噪声和对星图进行降噪预处理等。本文对比了几种滤波方法,选取了更适合对星图滤波的二维FIR滤波作为星图的预处理方法。分别用窗函数法和频率取样法设计了25(5?5)阶的二维FIR滤波器,并将得到的滤波器参数分别用上位机对星图进行滤波处理,对滤波前后的星图进行频谱分析,分析滤波效果。并对这两种方法设计的滤波器滤波后的星图进行频谱分析,对比滤波效果。为了更好的说明滤波器阶数对滤波效果的影响,本文用频率取样法设计了9(3?3)阶的二维FIR滤波器,并与频率取样法设计的25(5?5)阶的二维FIR滤波器的滤波效果进行对比分析,进而得出结论。根据理论分析和仿真实验,本课题选用频率取样法设计的25阶(5?5)二维FIR滤波器的参数,应用VHDL语言进行滤波模块的编写,将所编写的模块调试成功后整合到系统中,进行星图的降噪预处理。将FPGA提取的星像坐标上传至上位机,将坐标提取结果与未加入FIR滤波模块的坐标提取结果进行对比,对所得到的实验数据进行分析。实验结果表明对星图滤波之后对高频噪声滤除效果显着,恒星星像坐标的提取精度有所提升。
参考文献：
[1]. CMOS星敏感器卫星姿态定位系统设计[D]. 尹智科. 华中科技大学. 2006
[2]. CMOS图像传感器在星敏感器中应用研究[D]. 刘智. 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）. 2004
[3]. CMOS图像传感器的噪声研究与抑制电路设计[D]. 崔博. 华中科技大学. 2007
[4]. 基于CMOS图像传感器的相机系统设计[D]. 刘新明. 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）. 2009
[5]. CMOS图像传感器在航天遥感中的应用[J]. 王军, 李国宏. 航天返回与遥感. 2008
[6]. CMOS有源图像传感器的最新研究进展[J]. 李杰, 刘金国, 王英霞, 郝志航. 传感器技术. 2005
[7]. 微小型化星敏感器的关键技术研究及应用[D]. 郑拓. 中国航天科技集团公司第一研究院. 2016
[8]. APS星敏感器关键技术的研究[D]. 李杰. 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）. 2005
[9]. CMOS星敏感器图像采集系统研究[D]. 董继鹏. 哈尔滨工业大学. 2008
[10]. 星敏感器星图降噪预处理及其硬件实现[D]. 苏畅. 哈尔滨工业大学. 2017
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