【摘要】：遙感是空間探測的核心,空間相機則是人類開啟的明亮而銳利的“太空之眼”。傳統(tǒng)的可見光空間相機通常為CCD相機,CCD相機具有較高的成像質(zhì)量,但成像電路復雜,需配備驅(qū)動電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和讀出電路等,導致相機的體積和功耗較大、成本較高。近年來CMOS傳感器制造工藝提升,圖像處理算法愈發(fā)成熟,CMOS傳感器的成像質(zhì)量越來越高,CMOS相機逐漸應(yīng)用到空間探測領(lǐng)域。研究工作主要包括以下幾個方面:(1)總結(jié)了CMOS圖像傳感器的發(fā)展歷程、CMOS圖像傳感器的分類,比較CCD和CMOS傳感性能,給出了兩種探測器在各種指標下性能的優(yōu)劣。分析了CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理,說明了CMOS相機輕小優(yōu)勢及未來發(fā)展的前景。(2)完成了空間CMOS相機的總體設(shè)計。根據(jù)相機的電子學指標,選擇IA-G3圖像傳感器,設(shè)計了相機的成像譜段;根據(jù)成像條件,設(shè)計相機的F數(shù)和曝光時間;根據(jù)CMOS傳感器的時序特性,選擇CMOS+FPGA的電路架構(gòu),將相機設(shè)計為焦面電路、信號處理電路和接口電路的三板結(jié)構(gòu),并進行電子元器件的選型。(3)完成了電路元器件選型工作,說明了各個元器件的主要特點。完成了各電路板的設(shè)電路原理設(shè)計,詳細說明包括IA-G3、FPGA、SDRAM等的硬件設(shè)計原理。完成了電路的電路的靜電防護設(shè)計和降額設(shè)計,得到了電路靜電防護設(shè)計滿足要求的結(jié)論,電路滿足一級降額的條件。完成了高速PCB電路設(shè)計,高速PCB的設(shè)計嚴格按照阻抗匹配原理和布線約束,經(jīng)測試高速信號質(zhì)量優(yōu)良。(4)根據(jù)CMOS傳感器的時序特性、使用Verilog語言編寫電路的驅(qū)動模塊,使相機根據(jù)指令成像。在相機正常成像的基礎(chǔ)上編寫了自動曝光算法和自動白平衡算法,提升相機成像的畫質(zhì)。本文選擇IA-G3 CMOS傳感器設(shè)計了高速高畫質(zhì)的空間CMOS相機。采用FPGA+CMOS的架構(gòu),完成了焦面電路、信號處理電路和接口電路的三板的硬件電路設(shè)計;完成了電路驅(qū)動、自動曝光算法和自動白平衡算法設(shè)計,使相機高速率傳輸圖像的同時滿足高畫質(zhì)。實驗結(jié)果表明,該設(shè)計合理可行、電路的穩(wěn)定性較高、自動曝光算法和自動白平衡算法可靠,相機可以完成高速高畫質(zhì)成像任務(wù)。
【圖文】：

這是我國首次使用CMOS相機對衛(wèi)星的重要部位進行監(jiān)控，實時獲得衛(wèi)星關(guān)鍵部位的信息，“嫦娥二號”衛(wèi)星CMOS相機拍攝的圖像見圖1-2。圖 1-2 “嫦娥二號”衛(wèi)星 CMOS 相機拍攝的圖像Fig.1-2 Images taken by the "Chang'e two" satellite CMOS camera(2)星敏感器領(lǐng)域1980年之后，國內(nèi)開始研究星敏感器技術(shù)，最初星敏感器主要采用CCD傳感器，由于CMOS傳感器的性能提升，噪聲大幅度下降，，CMOS傳感器也逐漸應(yīng)用在星敏感器中[22-23]。北京控制工程研究所在衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制領(lǐng)域具有較多經(jīng)驗，并在星敏感器理論方法，軟硬件設(shè)計方面有較高水平。產(chǎn)品研制方面都處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，其星敏感器產(chǎn)品已經(jīng)具有多年成功在軌運行經(jīng)驗[24]，某型號星敏感器產(chǎn)品見圖1-3。

某型號星敏感器實物Fig.1-3Atypeofstarsensor
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V443.5

【參考文獻】

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本文編號：2692430