基于CMOS APS和SoPC芯片 設(shè)計(jì)了微小型星敏感器的光學(xué)及電學(xué)系統(tǒng)

電路具有智能窗口功能，即像素陣列的X、Y地址可隨機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)窗口大小、起止地址的隨機(jī)控制；具有高靈敏度（≥2.7 V/lux·s（@550 nm）），可適應(yīng)空間微光環(huán)境需求；具有1、2、4、8倍可編程增益，可以根據(jù)光照強(qiáng)弱控制輸出增益，適應(yīng)更寬工作環(huán)境；具有雙斜積分功能，可大大提高動(dòng)態(tài)范圍，從而提高同一環(huán)境下強(qiáng)光弱光同時(shí)存在時(shí)的適應(yīng)性；抗輻射總劑量能力≥100 Krad（Si），抗單粒子閂鎖LET≥75 Mev·cm2/mg。

器件結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)：B1XXX的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該圖像傳感器主要包含6個(gè)部分：像素陣列、尋址邏輯、前置列放大器、可編程增益放大器（PGA）、模擬多路選擇器和ADC。

1.2.2 FPGA時(shí)序驅(qū)動(dòng)模塊

焦平面圖像傳感器的選擇直接關(guān)系到星敏感器的核心設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)利用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)CMOS圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)、CMOS圖像傳感器與處理器系統(tǒng)的接口，以及星圖存儲(chǔ)或星圖預(yù)處理等功能。單時(shí)鐘全同步的設(shè)計(jì)被設(shè)計(jì)中所使用，外部20 MHz晶振提供了時(shí)鐘輸入來(lái)源，內(nèi)部則進(jìn)行分頻處理。這一較為復(fù)雜的時(shí)序邏輯能夠通過(guò)編程得以實(shí)現(xiàn)[5]，如圖3所示。

1.2.3 信號(hào)處理方案

信號(hào)處理板采用了國(guó)產(chǎn)SoPC核心信號(hào)處理板，該核心板基于國(guó)產(chǎn)SoPC進(jìn)行二次集成開(kāi)發(fā)，將SoPC最小應(yīng)用系統(tǒng)、基礎(chǔ)配置電路和通信接口模塊集成在了尺寸為51.4 mm×51.4 mm的小型SoC板上。其中SoPC芯片總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

此外，核心信號(hào)處理板還包括了基礎(chǔ)的配置及與應(yīng)用系統(tǒng)的通信接口，主要包括：PLL配置、調(diào)試接口配置、復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊、FPGA配置等。通信接口主要包括：1553通信接口、ADC接口、串行通信接口、可擴(kuò)展GPIO接口、中斷接口、I2C總線、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸入/輸出接口、測(cè)試與指示接口等。這些基本可以滿(mǎn)足星敏感器的軟件需求。

最終設(shè)計(jì)方案為：將星敏感器電學(xué)系統(tǒng)(不含外殼)尺寸小型化到60 mm×60 mm，2塊電路板重量(含緊固件)共計(jì)約60 g，靜態(tài)功耗約1.2 W。

2 APS星敏感器軟件方案

星敏感器的軟件算法主要包括星庫(kù)建立、星圖預(yù)處理、星圖識(shí)別與星圖匹配、姿態(tài)解算等部分。

(1)星庫(kù)建立

星庫(kù)是根據(jù)星表篩選后建立的導(dǎo)航星的集合，其作用是在進(jìn)行星圖匹配時(shí)提供匹配的依據(jù)。確定好星表后，就可以根據(jù)星表建立起相應(yīng)的導(dǎo)航星庫(kù)。

(2)星圖預(yù)處理

在傳感器獲得圖像之后，由于各種噪聲的存在，需要在處理數(shù)據(jù)之前進(jìn)行降噪，隨后將星點(diǎn)質(zhì)心提取，提供給星圖識(shí)別算法。

在實(shí)際應(yīng)用中采用了簡(jiǎn)單的平均值去噪方法。由于固定噪聲的數(shù)值在一定范圍內(nèi)不規(guī)律地呈現(xiàn)，故可以取其平均值作為系統(tǒng)的固定噪聲，再用采集的圖像與平均值求差，可以得到初步的降噪效果。具體方法為：使用星敏感器系統(tǒng)連續(xù)拍攝在黑暗條件下的圖片，獲取其中噪點(diǎn)的信息，包括位置及數(shù)值。在同一位置獲得的噪點(diǎn)信息，使用平均值法算出均值作為其最終數(shù)值。

由于積分時(shí)間不同，固定噪聲呈現(xiàn)出的噪點(diǎn)會(huì)有略微不同。統(tǒng)計(jì)在積分時(shí)間為10 ms、50 ms、100 ms的情況下，采用10次平均值方法得出的平均噪聲與實(shí)際的差值。

在采集全黑的圖片時(shí)，固定噪聲干擾會(huì)帶來(lái)大約3.6%左右的影響。噪聲灰度值集中在08～10左右。當(dāng)使用平均值去噪方法后，噪聲灰度值集中在00～02左右。表2為不同積分時(shí)間下使用平均值去噪的效果。

(3)星圖識(shí)別與星圖匹配

在提取質(zhì)心信息后，在導(dǎo)航星庫(kù)中搜索識(shí)別相同信息的導(dǎo)航星，如果獲得唯一匹配的導(dǎo)航星，則匹配成功。

(4)姿態(tài)解算

當(dāng)匹配成功后進(jìn)行姿態(tài)解算，算出當(dāng)前的姿態(tài)角或四元數(shù)數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果。

圖5為星敏感器軟件流程圖。

3 結(jié)論

本文根據(jù)某國(guó)產(chǎn)抗輻射COMS APS芯片和SoPC控制芯片，設(shè)計(jì)了微小型星敏感器的光學(xué)及電學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)有的傳感器特性，有針對(duì)性地選擇合適的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，并得出其確定參數(shù)。光學(xué)系統(tǒng)在確定了視場(chǎng)角和APS傳感器之后，就可以依次得出焦距、相對(duì)孔徑等參數(shù)。星敏感器根據(jù)硬件及系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了FPGA驅(qū)動(dòng)模塊和信號(hào)處理模塊。星敏感器硬件完全國(guó)產(chǎn)自主化，并符合GB/T 30111-2013中對(duì)于星敏感器的要求，軟件部分根據(jù)現(xiàn)有的器件參數(shù)進(jìn)行編程。最后，設(shè)計(jì)并完成了一套國(guó)產(chǎn)化星敏感器實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)。