本文關鍵詞：高幀頻CMOS電子學及精細導星處理技術研究　出處：《中國科學院研究生院(上海技術物理研究所)》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：目前先進的太空觀測平臺上都是使用精細導星傳感器(Fine Guidance Sensor,FGS)作為精密穩(wěn)像系統(tǒng)中必不可少的高精度傳感環(huán)節(jié),為其提供高質(zhì)量的姿態(tài)信息。FGS的基本原理是通過用精導傳感器把導向恒星成像在一個陣列上,通過對成像信息的提取得到一個矩心并產(chǎn)生一個誤差信號,誤差信號被反饋給望遠鏡的姿態(tài)控制系統(tǒng)并由它來對相移進行補償。高幀頻數(shù)字相機能夠?qū)⒏咚倭魇胚^程放慢到人眼可以分辨的程度,是研究瞬態(tài)現(xiàn)象非常有力的工具。在工業(yè)、科研和軍事領域都有十分廣泛的應用。近年來各國在高速相機領域投入大量精力并取得良好成效,積極開展高分辨率高速相機的自主研制對國內(nèi)相關領域的發(fā)展具有重大意義。課題主要面向高速相機的圖像存儲和傳輸技術以及未來大口徑、大視場望遠鏡的高精度快速穩(wěn)像需求,開展大面陣、高幀頻、高精度、實時的導星矩心提取和高帶寬圖像傳輸系統(tǒng)的研制和測試驗證工作。論文以FPGA驅(qū)動CMOS探測器進行圖像采集處理和傳輸為切入點,對整個系統(tǒng)的硬件和軟件設計以及測試展開了研究,論文完成的主要工作如下:首先,對課題的背景進行了闡述,對高速大面陣相機、精細導星處理技術和亞像元質(zhì)心定位算法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了調(diào)研;其次,詳細闡述了系統(tǒng)的指標要求,結(jié)合指標要求設計完成了高幀頻CMOS圖像采集處理和傳輸系統(tǒng)的方案設計;第三,完成了系統(tǒng)的硬件電路設計,包括前期的高速信號完整性仿真、前端探測器輸出電路設計、信息處理電路設計、電源模塊電路設計;第四,完成了系統(tǒng)的軟件編程工作,包括FPGA平臺上硬件語言的編程、上位機程序的編寫;第五,完成了導星矩心提取系統(tǒng)的測試驗證工作,包括系統(tǒng)硬件和軟件部分的調(diào)試,系統(tǒng)指標要求的測試等。實驗結(jié)果表明:高幀頻導星矩心提取系統(tǒng)能夠按照系統(tǒng)指標要求實時、高精度的提取導星的矩心信息,并能以高幀頻傳輸圖像和矩心信息到上位機保存或顯示,達到了預期的研究目標和設計要求。論文的創(chuàng)新點在于:1在研究了國內(nèi)外精細導星傳感器技術的基礎上,提出了采用有源像素CMOS探測器作為面陣采樣單元、FPGA作為實時圖像處理核心處理器的技術方案,構(gòu)建并完成了精細導星驗證系統(tǒng)在單面陣上軟硬件的結(jié)合,為我國自主研發(fā)空間望遠鏡的相移補償打好了實用基礎。2為實現(xiàn)精細導星傳感器實時、高精度的傳感要求,搭建了一套從星圖采集、緩存、處理到傳輸?shù)耐暾殞菣z測的硬件平臺。該硬件平臺具有很強的實時數(shù)據(jù)處理能力,并能通過高帶寬的千兆以太網(wǎng)和光纖接口實現(xiàn)圖像和數(shù)據(jù)向上位機的傳輸。3設計了精細導星傳感器的驗證系統(tǒng),對質(zhì)心提取的實時性以及質(zhì)心分割的動態(tài)和靜態(tài)精度分別進行了檢測,檢測結(jié)果表明本課題實現(xiàn)的質(zhì)心提取幀頻和質(zhì)心靜態(tài)分割精度均優(yōu)于預期的設計指標。
[Abstract]:Fine Guidance Sensor is currently used on advanced space observation platforms using fine Guidance sensors. As an essential high precision sensor in the precision image stabilization system, FGS provides high quality attitude information. The basic principle of FGS is to image the guided star on an array by using a precision guide sensor. A moment center is obtained by extracting the imaging information and an error signal is generated. The error signal is fed back to the telescope's attitude control system to compensate for the phase shift. The high frame rate digital camera can slow the high-speed flow to a degree that the human eye can distinguish. It is a very powerful tool to study transient phenomena. It has been widely used in industry, scientific research and military fields. In recent years, many countries have invested a lot of energy and achieved good results in the field of high-speed cameras. It is of great significance to develop the high resolution high speed camera independently for the development of the related fields in our country. The subject mainly faces the high speed camera image storage and transmission technology and the future large caliber. The high precision and fast image stabilization of large field telescope is required to develop large area array, high frame frequency and high precision. The research and test of real-time guide moment center extraction and high bandwidth image transmission system. This paper takes FPGA driven CMOS detector for image acquisition and transmission as the starting point. The hardware and software design and testing of the whole system are studied. The main work of this paper is as follows: firstly, the background of the project is described, and the high-speed large plane array camera is introduced. The research status of fine guide star processing technology and sub-pixel centroid location algorithm at home and abroad has been investigated. Secondly, the index requirements of the system are described in detail, and the scheme of the high frame rate CMOS image acquisition and transmission system is designed and completed in combination with the index requirements. Third, the hardware circuit design of the system is completed, including the early high-speed signal integrity simulation, the front-end detector output circuit design, the information processing circuit design, the power module circuit design; 4th, completed the software programming of the system, including the programming of hardware language on the FPGA platform, the programming of the upper computer program; 5th, the testing and verification of the center of moment extraction system is completed, including the debugging of the hardware and software of the system. The experimental results show that the system can extract the center-of-moment information in real time and high precision according to the requirements of the system index. And it can transmit image and moment center information to the host computer at high frame rate to save or display. The innovation of the thesis lies in the research of the fine guide sensor technology at home and abroad. An active pixel CMOS detector is proposed as the core processor of real-time image processing. The combination of hardware and software of the precision guide star verification system on a single plane array is constructed and completed, which lays a practical foundation for phase shift compensation of the space telescope in our country. 2. For the realization of the precision star guide sensor in real time. High precision sensing requirements, a set of star map acquisition, buffer, processing to the transmission of the complete fine guide star detection hardware platform, the hardware platform has a strong real-time data processing capability. And through high-bandwidth gigabit Ethernet and optical fiber interface to achieve image and data transmission to the host computer .3 designed a fine guide star sensor verification system. The real-time of centroid extraction and the dynamic and static accuracy of centroid segmentation are detected respectively. The detection results show that the frame frequency of centroid extraction and the static segmentation accuracy of centroid are better than the expected design index.
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(上海技術物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V445.8;TP212

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本文編號：1418523