CN102706327B - 多功能可见光敏感器系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多功能可见光敏感器系统及其设计方法。由光学系统模块、CCD和驱动模块、信号处理模块组成，光学系统模块连接CCD和驱动模块，CCD和驱动模块连接信号处理模块。设计步骤包括光学系统模块的设计、CCD和驱动模块的设计和信号处理模块的设计；CCD和驱动模块主要包含CCD传感器和FPGA，CCD和驱动模块采用以FPGA为主控芯片的模块，信号处理模块是以DSP芯片为中心的模块，主要包括SRAM、FLASH、与计算机通信接口。本发明与多个独立敏感器相比，质量小、体积小、功耗小；具有高度的集成化和模块化；在降低敏感器质量的前提下，即能完成星敏感器功能，又能完成太阳敏感器的功能。

Description

多功能可见光敏感器系统的设计方法

(一)技术领域

本发明涉及空间技术，具体说就是一种多功能可见光敏感器系统及其设计方法。 

(二)背景技术

太阳敏感器是在航天领域应用最广泛的一类敏感器，所有的航天器上都配备有太阳敏感器。通过敏感太阳矢量的方位来确定太阳矢量在星体坐标中的方位，从而获取航天器相对于太阳方位信息的光学姿态敏感器。选择太阳作为参考目标是因为太阳视在圆盘的角半径几乎和航天器轨道无关并且很小，因此，对大多数应用而言，可以把太阳近似看作点光源。这样就简化了敏感器设计和姿态确定算法。并且，太阳的高亮度、高信噪比使得检测比较容易实现。太阳敏感器正在向着小型化、高精度、高稳定性、低功耗、长寿命的方向发展，其探测器元件由光电池逐渐向CCD、APS等面阵探测器发展，这将促进太阳敏感器的高度集成化和模块化。 

星敏感器是敏感恒星的辐射并测量航天器相对于该恒星方位的一种光学姿态敏感器。它以恒星为参照物，利用实际拍摄到的星图，通过一系列的计算，确定星敏感器光轴在惯性空间的瞬时指向，从而确定飞行器的姿态。由于恒星的张角非常小，且星光在惯性坐标系中的方向是精确已知的，所以星敏感器的测量精度很高，它是目前导航系统中测量精度最高的姿态测量敏感器。 

星敏感器的星探测能力是指星敏感器探测星光信号的能力，是星敏感器建立导航星库和实现星图识别的重要依据。在航天器飞行过程中，星敏感器的星探测能力受到实际飞行环境条件的限制。这种限制主要体现在两个方面。一方面，复杂的测量目标背景对星敏感器的探测能力提出了挑战。例如在航天器的近地飞行阶段，由于大气散射以及云层的遮挡，星敏感器的可探测星等下降，探测能力大大降低；而在航天器深空飞行阶段，由于大天体、太空尘埃和宇宙极光等造成照度较大的目标背景，容易造成星敏感器的成像传感器的部分或全部像素饱和，甚至造成星敏感器无法使用。因此，必需提高星敏感器的探 测能力，使其可以对不同照度的目标背景进行成像。另一方面，由于航天器在高速飞行过程中易产生较大的机动性，尤其在航天器再入大气层的过程中会有较大的姿态变化率(角速率)。这种高动态应用环境，对星敏感器的成像质量和定位精度会造成较大的影响。尤其是用于深空航天器自主导航的星敏感器，将面临着许多未知的复杂的飞行环境和测量目标背景，对其探测能力提出了更高的要求。 

小卫星具有许多大卫星所无法比拟的优点。比如：发时方式灵活，能够机动发射、生存能力强、能适应未来战术作战的需要；体积小，重量轻，既可以利用大型卫星发射火箭的剩余能力进行搭载发射，也可以利用一箭多星发射或用廉价运载火箭发射，从而可以大大节约发射费用；采用成熟、先进的技术，运用科学的管理手段，加之可以多种方式发射，因此小卫星的研制和发射成本低，系统投资少；结构简单、设计研制开发周期短、制造要求条件不高，可以采用标准化星体和模块化设计，从而可以批量生产和储存，便于即时发射和补充。微小卫星作为小卫星家族中的一员，具有小卫星的共性特点，并且由于其质、体积的特点，因而适合于技术试验、科学试验和大学教学，也可以组成低轨道卫星通信星座。此外，微小卫星的一个突出特点是技术扩展性强，从微小卫星这一技术平台出发，可进步向微小化发展而研制纳卫星；或向多用途化发展而研制小卫星；或向集群化发展而研制微小卫星星座；还可以向深空探测发展而研制小型深空探测器。 

为了满足小卫星在不同模式下的控制系统的需要和保证小卫星控制系统平台的可靠性，小卫星的控制系统中必须加载太阳敏感器、星敏感器等一些常用的可见光敏感器，但是如果小卫星也像大卫星一样，每个可见光敏感器都相互独立工作，这无疑增加了小卫星的质量、功耗、体积等，降低了有效载荷的数量。因此单一种功能的敏感器已不能满足小卫星控制系统的需要，需要开发多功能的可见光敏感器。 

由于航天器飞行过程中的姿态是连续变化的，所以在不同的飞行阶段，多功能可见光敏感器要拍摄的目标包括恒星，太阳。一般来说，多功能可见光敏感器的测能力与光学系统的参数和成像传感器的特性相关。敏感器的探测目标能力主要取决于光学系统的通光孔径D。目标成像像元表面的光照度与光学系统通光孔径的平方成正比，因此 孔径越大，敏感器的探测灵敏度越高。因此可以采用不同焦距的敏感器来探测不同目标，当需要探测恒星时，可以把敏感器的焦距变长，通光孔径D也随之增加，当要探测太阳等大型目标时，可以调整敏感器的焦距，使焦距变短，通光孔径D也随之变小，这样通过机械地调整敏感器的焦距来调整不同目标的成像。但是随着机械运动的次数增加，调整后的焦距精度很难保证，这样降低了敏感器输出姿态的精度。同时由于拍摄恒星微弱目标时需要增加通光孔径D，随着孔径的加大，光学系统的像差将迅速增大。为了获得必需的成像质量，必须对通光孔径加以限制，使其与光学系统的焦距保持一定关系。这个关系通常以相对孔径F数来表示，即F＝f/D。F数越小，光学系统的通光孔径就越大，敏感器的探测灵敏度就越高。但光学系统的设计和加工难度随F数的减小而加大，当F数小到一定的程度，要实现优良的成像质量是非常困难的。通过自适应调节星敏感器的积分时间，可以对出现在视场中的不同亮度的目标进行高质量成像，不仅自动调节多功能可见光敏感器的探测能力，还能提高多功能可见光敏感器拍摄图像中目标像的信噪比，有利于提高目标像的质心定位精度。 

由于多功能可见光敏感器应用中需要避免像素的饱和，所以可以基于图像中最亮目标的灰度来调节积分时间，即在保证最亮目标不饱和的前提下获取最大的积分时间，从而增加了多功能可见光敏感器的应用范围。 

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能可见光敏感器系统及其设计方法。 

本发明的目的是这样实现的：多功能可见光敏感器系统是由光学系统模块、CCD和驱动模块、信号处理模块组成的，光学系统模块连接CCD和驱动模块，CCD和驱动模块连接信号处理模块。 

多功能可见光敏感器系统的设计方法，步骤如下： 

步骤一：光学系统模块的设计 

光学系统模块完成目标的光学成像，将目标成像在CCD传感器平面上，衡量光学系统的主要参数是视场，根据任务的需要，光学系统视场是：20°×16°，由于实现多功能可见光敏感器多目标成像的关 键技术在CCD和驱动模块部分的积分时间自动调节，因此光学系统选择采用现有的镜头； 

步骤二：CCD和驱动模块的设计 

CCD和驱动模块主要包含CCD传感器和FPGA，CCD和驱动模块采用以FPGA为主控芯片的模块，FPGA主要完成CCD传感器时序的产生，自主调节CCD传感器图像的积分时间，多功能可见光敏感器即要对太阳成像，又要对恒星成像，因此选择的CCD传感器需要足够的灵敏度才能使恒星成像，而CCD传感器的灵敏度又不能太高，否则不能对太阳成像，所以选择SONY公司的ICX285AL型号作为CCD传感器，对于ICX285AL的时序逻辑是现成的，可以参考CCD图像传感器的说明书，由于太阳光的星等是，多功能可见光敏感器所探测的最低恒星是6等星，因此如果要满足能够正确成太阳的像，CCD传感器的积分时间要尽量短，但是如果积分时间太短，恒星又不能在CCD传感器中成像，因此FPGA设置CCD传感器的积分时间不能固定不变，而是需要根据成像目标进行自动调节积分时间，要实现根据任务的需要，多功能可见光敏感器的数据更新率需要达到10Hz，因此多功能可见光敏感器一上电默认的积分时间是100毫秒；其中在FPGA部分的积分时间调整原理如下：假设当前积分时间为T，太阳目标像灰度总和的最大值为E_sun-max，太阳目标像灰度总和的最小值为E_sun-min，恒星目标像灰度总和的最大值为E_star-max，恒星目标像灰度总和的最小值为E_star-min，提取图像目标灰度总和为E，图像单个像元灰度饱和门限最小值E_-，图像单个像元灰度饱和门限最大值E₊，当多功能可见光敏感器相当于星敏感器时从图像中提取的恒星目标数量为N_star。假设： 

$t_{\mathrm{sun}}=\frac{E_{-}+E_{+}}{2\·g\left(T\right)}(E_{\mathrm{sun}-\max }-E_{\mathrm{sun}-\min })---\left(1\right)$

$t_{\mathrm{star}}=\frac{E_{-}+E_{+}}{2\·g\left(T\right)}(E_{\mathrm{star}-\max }-E_{\mathrm{star}-\min })---\left(2\right)$

其中函数g(T)是关于图像灰度值与积分时间的关系，这与选择的CCD器件有关，如果选取的CCD器件为SONY的ICX285AL器件，经过统计，满足公式(3)的关系。 

g(t)＝820·t-278            (3) 

下一帧图像采集时采用的积分时间为T1，计算如下： 

(1)如果目标灰度总和E高于太阳目标像灰度总和的最小值为E_sun-min而且低于太阳目标像灰度总和的最大值为E_sun-max，即当E_sun-min＞E＞E_sun-max，说明此时多功能可见光敏感器相当于太阳敏感器，则不改变积分时间； 

(2)如果目标灰度总和E高于恒星目标像灰度总和的最小值为E_star-min而且低于恒星目标像灰度总和的最大值为E_star-max，即当E_star-min＞E＞E_star-max，说明此时多功能可见光敏感器相当于星敏感器，则不改变积分时间； 

(3)如果目标灰度总和E高于太阳目标像灰度总和的最大值为E_sun-max，即当E＞E_sun-max，说明此时多功能可见光敏感器过饱和，则降低积分时间，此时降低积分时间的步长为ΔT＝t_sun/2，积分时间为T₁＝T-n·ΔT，即当n＝1时，拍摄图像，判断是否满足E_sun-min＞E＞E_sun-max，如果还不满足，取n＝2拍摄，判断是否满足E_sun-min＞E＞E_sun-max。直到满足条件E_sun-min＞E＞E_sun-max为止； 

(4)如果目标灰度总和E低于恒星目标像灰度总和的最小值为E_star-min，即当E＜E_star-min，说明此时多功能可见光敏感器积分时 间太短，则增加积分时间，增加积分时间的步长为ΔT＝αt_star/2，积分时间为T₁＝T+n·ΔT，即当n＝1时，拍摄图像，判断是否满足E_star-min＞E＞E_star-max，如果还不满足，取n＝2拍摄，判断是否满足E_star-min＞E＞E_star-max。直到满足条件E_star-min＞E＞E_star-max为止； 

(5)如果目标灰度总和E低于太阳目标像灰度总和E_sun-min且高于恒星目标像灰度总和的最大值为E_star-max即：当E_star-maxE＜E_sun-min，此时判断从多功能可见光敏感器图像中提取的目标数量，如果只能提取一个目标，说明此时多功能可见光敏感器相当于太阳敏感器，同时按照步长为ΔT＝αt_sun/2，T₁＝T+n·ΔT的方式增加积分时间，直到满足条件E_sun-min＞E＞E_sun-max为止；如果多功能可见光敏感器图像中提取的目标数量多于一个，说明此时多功能可见光敏感器相当于星敏感器，同时按照步长为ΔT＝αt_star/2，T₁＝T-n·ΔT的方式增加降低时间，直到满足条件E_star-min＞E＞E_star-max为止。 

α和β是处于0-1之间的系数，可用于控制积分时间调节算法的收敛速度，这两个参数α和β可以通过仿真实验和外场实验来确定。 

步骤三：信号处理模块的设计 

信号处理模块是以DSP芯片为中心的模块，主要包括SRAM、FLASH、与计算机通信接口，其中SRAM主要保存图像和运行算法，由于选择的CCD传感器是ICX285AL，该传感器的面阵是1388(H)×1038(V)，每个像素为8位，因此图像大小为1.37Mbyte，运行算法的大小为125Kbyte，考虑到SRAM必须留一定余量空间，而SRAM器 件的存储器大小是标准配置，大小有1M，2M，因此选择的SRAM大小为2Mbyte，FLASH主要完成系统断电后保存算，而算法大小为125Kbyte，FLASH器件的存储器大小也是标准配置，大小有128K，256K，考虑到选择的FLASH需要一定的余量，因此选择的FLASH为256K，信号处理板通过与计算机通信接口把偏航角、俯仰角和滚动角发送给计算机，一共15个字节，其中数据帧头2个字节，有效数据12个字节，1个字节校验，该数据量不大，与计算机通信接口选择通过RS422。 

本发明多功能可见光敏感器系统及其设计方法，与多个独立敏感器相比，质量小、体积小、功耗小；具有高度的集成化和模块化；在降低敏感器质量的前提下，即能完成星敏感器功能，又能完成太阳敏感器的功能。多功能可见光敏感器主要性能指标：视场：20°×16°敏感器CCD面阵：1388(H)×1038(V)；敏感器CCD像元大小：6.45μm×6.45μm；曝光时间：76微秒-60秒，可以自主调节。 

(四)附图说明

图1为本发明的多功能可见光敏感器系统方框图； 

图2为本发明的多功能可见光敏感器相当于太阳敏感器时拍摄的太阳图像； 

图3为多功能可见光敏感器相当于太阳敏感器输出偏航角和俯仰角的离线曲线； 

图4为本发明的多功能可见光敏感器相当于星敏感器时拍摄恒星图； 

图5为本发明的多功能可见光敏感器相当于星敏感器输出三轴姿态离线曲线； 

图6为本发明的多功能可见光敏感器系统的一种实施方式。 

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。 

实施例1：结合图1，本发明一种多功能可见光敏感器系统，它是由光学系统模块、CCD和驱动模块、信号处理模块组成的，光学系统模块连接CCD和驱动模块，CCD和驱动模块连接信号处理模块。 

本发明多功能可见光敏感器系统的设计方法，步骤如下： 

步骤一：光学系统模块的设计 

光学系统模块完成目标的光学成像，将目标成像在CCD传感器平面上，衡量光学系统的主要参数是视场，根据任务的需要，光学系统视场是：20°×16°，由于实现多功能可见光敏感器多目标成像的关键技术在CCD和驱动模块部分的积分时间自动调节，因此光学系统选择采用现有的镜头； 

步骤二：CCD和驱动模块的设计 

CCD和驱动模块主要包含CCD传感器和FPGA，CCD和驱动模块采用以FPGA为主控芯片的模块，FPGA主要完成CCD传感器时序的产生，自主调节CCD传感器图像的积分时间，多功能可见光敏感器即要对太阳成像，又要对恒星成像，因此选择的CCD传感器需要足够的灵敏度才能使恒星成像，而CCD传感器的灵敏度又不能太高，否则不能对太阳成像，所以选择SONY公司的ICX285AL型号作为CCD传感器，对于ICX285AL的时序逻辑是现成的，可以参考CCD图像传感器的说明书，由于太阳光的星等是，多功能可见光敏感器所探测的最低恒星是6等星，因此如果要满足能够正确成太阳的像，CCD传感器的积分时间要尽量短，但是如果积分时间太短，恒星又不能在CCD传感器中成像，因此FPGA设置CCD传感器的积分时间不能固定不变，而是需要根据成像目标进行自动调节积分时间，要实现根据任务的需要，多功能可见光敏感器的数据更新率需要达到10Hz，因此多功能可见光敏感器一上电默认的积分时间是100毫秒；其中在FPGA部分的积分时间调整原理如下：假设当前积分时间为T，太阳目标像灰度总和的最大值为E_sun-max，太阳目标像灰度总和的最小值为E_sun-min，恒星目标像灰度总和的最大值为E_star-max，恒星目标像灰度总和的最小值为E_star-min，提取图像目标灰度总和为E，图像单个像元灰度饱和门限最小值E-，图像单个像元灰度饱和门限最大值E₊，当多功能可见光敏感器相当于星敏感器时从图像中提取的恒星目标数量为N_star。假设： 

$t_{\mathrm{sun}}=\frac{E_{-}+E_{+}}{2\·g\left(T\right)}(E_{\mathrm{sun}-\max }-E_{\mathrm{sun}-\min })---\left(4\right)$

$t_{\mathrm{star}}=\frac{E_{-}+E_{+}}{2\·g\left(T\right)}(E_{\mathrm{star}-\max }-E_{\mathrm{star}-\min })---\left(5\right)$

其中函数g(T)是关于图像灰度值与积分时间的关系，这与选择的CCD器件有关，如果选取的CCD器件为SONY的ICX285AL器件，经过统计，满足公式(3)的关系。 

g(t)＝820·t-278             (6) 

下一帧图像采集时采用的积分时间为T1，计算如下： 

(1)如果目标灰度总和E高于太阳目标像灰度总和的最小值为E_sun-min而且低于太阳目标像灰度总和的最大值为E_sun-max，即当E_sun-n＞E＞E_sun-max，说明此时多功能可见光敏感器相当于太阳敏感器，则不改变积分时间； 

(2)如果目标灰度总和E高于恒星目标像灰度总和的最小值为E_star-min而且低于恒星目标像灰度总和的最大值为E_star-max，即当E_star-min＞E＞E_star-max，说明此时多功能可见光敏感器相当于星敏感器，则不改变积分时间； 

(3)如果目标灰度总和E高于太阳目标像灰度总和的最大值为E_sun-max，即当E＞E_sun-max，说明此时多功能可见光敏感器过饱和，则降低积分时间，此时降低积分时间的步长为ΔT＝αt_sun/2，积分时间为T₁＝T-n·ΔT，即当n＝1时，拍摄图像，判断是否满足E_sun-min＞E＞E_sun-max，如果还不满足，取n＝2拍摄，判断是否满足 E_sun-min＞E＞E_sun-max。直到满足条件E_sun-min＞E＞E_sun-max为止； 

(4)如果目标灰度总和E低于恒星目标像灰度总和的最小值为E_star-min，即当E＜E_star-min，说明此时多功能可见光敏感器积分时间太短，则增加积分时间，增加积分时间的步长为ΔT＝αt_star/2，积分时间为T₁＝T+n·ΔT，即当n＝1时，拍摄图像，判断是否满足E_star-min＞E＞E_star-max，如果还不满足，取n＝2拍摄，判断是否满足E_star-min＞E＞E_star-max。直到满足条件E_star-min＞E＞E_star-max为止； 

(5)如果目标灰度总和E低于太阳目标像灰度总和E_star-min且高于恒星目标像灰度总和的最大值为E_star-max即：当E_star-maxE＜E_sun-min，此时判断从多功能可见光敏感器图像中提取的目标数量，如果只能提取一个目标，说明此时多功能可见光敏感器相当于太阳敏感器，同时按照步长为ΔT＝αt_sun/2，T₁＝T+n·ΔT的方式增加积分时间，直到满足条件E_sun-min＞E＞E_sun-max为止；如果多功能可见光敏感器图像中提取的目标数量多于一个，说明此时多功能可见光敏感器相当于星敏感器，同时按照步长为ΔT＝αt_star/2，T₁＝T-n·ΔT的方式增加降低时间，直到满足条件E_star-min＞E＞E_star-max为止。 

α和β是处于0-1之间的系数，可用于控制积分时间调节算法的收敛速度，这两个参数α和β可以通过仿真实验和外场实验来确定。 

步骤三：信号处理模块的设计 

信号处理模块是以DSP芯片为中心的模块，主要包括SRAM、FLASH、与计算机通信接口，其中SRAM主要保存图像和运行算法，由于选择的CCD传感器是ICX285AL，该传感器的面阵是1388(H)×1038(V)，每个像素为8位，因此图像大小为1.37Mbyte，运行算法的大小为125Kbyte，考虑到SRAM必须留一定余量空间，而SRAM器件的存储器大小是标准配置，大小有1M，2M，因此选择的SRAM大小为2Mbyte，FLASH主要完成系统断电后保存算，而算法大小为125Kbyte，FLASH器件的存储器大小也是标准配置，大小有128K，256K，考虑到选择的FLASH需要一定的余量，因此选择的FLASH为256K，信号处理板通过与计算机通信接口把偏航角、俯仰角和滚动角发送给计算机，一共15个字节，其中数据帧头2个字节，有效数据12个字节，1个字节校验，该数据量不大，与计算机通信接口选择通过RS422。 

实施例2：结合图1，本发明多功能可见光敏感器系统包括三个模块：光学系统模块，CCD和驱动模块以及信号处理模块。光学系统模块完成目标的光学成像，将目标成像在CCD传感器平面上；CCD和驱动模块采用以FPGA为主控芯片的模块，FPGA主要完成CCD芯片时序的产生，图像的保存，图像存储器读写时序以及相应的地址译码，信号处理模块程序存储器读写时序以及相应的地址译码，FLASH存储器的读写时序以及相应的地址译码，CCD模拟信号的模/数转换；信号处理模块以DSP芯片为中心的模块，主要是完成图像目标的质心提取，图像目标的识别，如果图像目标是太阳，计算多功能可见光敏感器输出的偏航角和俯仰角，如果图像目标是恒星，对图像恒星星像进行识别，利用识别结果，计算多功能可见光敏感器输出的偏航角、俯仰角和滚动角。信号处理模块的SRAM除了运行DSP的程序外，还保存图像。多功能可见光敏感器中的除了需要探测恒星以外，还需要探测太阳目标，所以必须通过调整积分时间来实现探测不同目标。而为了探测到足够多的恒星，需要采用较长的积分时间来拍摄星图。为了防止太阳在像平面内饱和，需要减少积分时间，所以实时采集的图像中不仅包括了恒星星像，还包括太阳像。因此图像采集需要采用自适应变化的积分时间，积分时间自适应变化过程在FPGA中完成CCD芯 片时序部分完成。 

其中在FPGA部分的积分时间调整原理如下： 

假设当前积分时间为T，太阳目标像灰度总和的最大值为E_sun-max，太阳目标像灰度总和的最小值为E_sun-min，恒星目标像灰度总和的最大值为E_star-max，恒星目标像灰度总和的最小值为E_star-min，提取图像目标灰度总和为E，图像单个像元灰度饱和门限最小值E_-，图像单个像元灰度饱和门限最大值E₊，当多功能可见光敏感器相当于星敏感器时从图像中提取的恒星目标数量为N_star。假设： 

$t_{\mathrm{sun}}=\frac{E_{-}+E_{+}}{2\·g\left(T\right)}(E_{\mathrm{sun}-\max }-E_{\mathrm{sun}-\min })---\left(7\right)$

$t_{\mathrm{star}}=\frac{E_{-}+E_{+}}{2\·g\left(T\right)}(E_{\mathrm{star}-\max }-E_{\mathrm{star}-\min })---\left(8\right)$

其中函数g(T)是关于图像灰度值与积分时间的关系，这与选择的CCD器件有关，如果选取的CCD器件为SONY的ICX285AL器件，经过统计，满足公式(3)的关系。 

g(t)＝820·t-278               (9) 

下一帧图像采集时采用的积分时间为T₁，计算如下： 

(1)如果目标灰度总和E高于太阳目标像灰度总和的最小值为E_sun-min而且低于太阳目标像灰度总和的最大值为E_sun-max，即当E_sun-min＞E＞E_sun-max，说明此时多功能可见光敏感器相当于太阳敏感器，则不改变积分时间； 

(2)如果目标灰度总和E高于恒星目标像灰度总和的最小值为 E_star-min而且低于恒星目标像灰度总和的最大值为E_star-max，即当E_star-min＞E＞E_star-max，说明此时多功能可见光敏感器相当于星敏感器，则不改变积分时间； 

(3)如果目标灰度总和E高于太阳目标像灰度总和的最大值为E_sun-max，即当E＞E_sun-max，说明此时多功能可见光敏感器过饱和，则降低积分时间，此时降低积分时间的步长为ΔT＝αt_sun/2，积分时间为T₁＝T-n·ΔT，即当n＝1时，拍摄图像，判断是否满足E_sun-min＞E＞E_sun-max，如果还不满足，取n＝2拍摄，判断是否满足E_sun-min＞E＞E_sun-max。直到满足条件E_sun-min＞E＞E_sun-max为止； 

(4)如果目标灰度总和E低于恒星目标像灰度总和的最小值为E_star-min，即当E＜E_star-min，说明此时多功能可见光敏感器积分时间太短，则增加积分时间，增加积分时间的步长为ΔT＝αt_star/2，积分时间为T₁＝T+n·ΔT，即当n＝1时，拍摄图像，判断是否满足E_sun-min＞E＞E_star-max，如果还不满足，取n＝2拍摄，判断是否满足E_star-min＞E＞E_star-max。直到满足条件E_star-min＞E＞E_star-max为止； 

(5)如果目标灰度总和E低于太阳目标像灰度总和E_sun-min且高于恒星目标像灰度总和的最大值为E_star-max即：当E_star-maxE＜E_sun-min，此时判断从多功能可见光敏感器图像中提取的目标数量，如果只能提取一个目标，说明此时多功能可见光敏感器相当于太阳敏感器，同时按照步长为ΔT＝αt_sun/2，T₁＝T+n·ΔT的方式增加积分时间，直到满足条件E_sun-min＞E＞E_sun-max为止；如果多功能可见光敏感器图像中提取的目标数量多于一个，说明此时多功能可见光敏感器相当于星敏感器，同 时按照步长为ΔT＝αt_star/2，T₁＝T-n·ΔT的方式增加降低时间，直到满足条件E_star-min＞E＞E_star-max为止。 

α和β是处于0-1之间的系数，可用于控制积分时间调节算法的收敛速度，这两个参数α和β可以通过仿真实验和外场实验来确定。 

多功能可见光敏感器的工作过程如下： 

1：多功能可见光敏感器开始拍摄图像； 

2：开始扫描多功能可见光敏感器拍摄图像； 

3：如果多功能可见光敏感器拍摄的图像所有像素灰度值大于所设定的灰度阈值，说明整幅图像过饱和，曝光时间太大，降低曝光时间后，重新拍摄； 

4：如果多功能可见光敏感器拍摄的图像所有像素灰度值小于所设定的灰度阈值，说明整幅图像全黑，曝光时间太小，增加曝光时间后，重新拍摄； 

实施例3：结合图3-图6，多功能可见光敏感器主要性能指标： 

视场：20°×16° 

敏感器CCD面阵：1388(H)×1038(V) 

敏感器CCD像元大小：6.45μm×6.45μm 

曝光时间：76微秒-60秒(可以自主调节) 

选取某型号多功能可见光敏感器，实验过程主要测试该多功能可见光敏感器当视场内有太阳时，是否能自动调节为具有太阳敏感器功能，当视场内没有太阳时能否自动调节为星敏感器功能。 

太阳敏感器功能测试 

由于地面只有在白天有太阳，因此在地面测试时，只能在白天测试该敏感器是否具有太阳敏感器的功能。测试方法如下：首先把多功能可见光敏感器放在预先固定的转台上，使多功能可见光敏感器与转台相对静止，把多功能可见光敏感器的输出接口与上位机连接，然后给多功能可见光敏感器上电，为了测试多功能可见光敏感器是否具有自主调节曝光时间的功能，在多功能可见光敏感器上电自检后，立刻把多功能可见光敏感器的曝光时间设置为最长(即60秒)，此时多功能可见光敏感器拍摄的图像完全是白图，说明多功能可见光敏感器的 图像传感器完全饱和，此时，多功能可见光敏感器开始降低曝光时间和拍摄图像的重复过程，直到拍摄的太阳像近似为高斯分布的圆为止(如图3)。此后，多功能可见光敏感器开始具有太阳敏感器的功能，开始提取太阳像的坐标，利用该坐标计算偏航角和俯仰角，并且把偏航角和俯仰角输出给上位机，上位机实时保存偏航角和俯仰角，多功能可见光敏感器连续工作30分钟后，切断多功能可见光敏感器电源，离线显示偏航角和俯仰角(如图4)。由于地面只有在晚上才能观测到恒星，因此在地面测试时，只能在晚上测试该敏感器是否具有星敏感器的功能。测试方法如下：首先把多功能可见光敏感器放在预先固定的转台上，使多功能可见光敏感器与转台相对静止，把多功能可见光敏感器的输出接口与上位机连接，然后给多功能可见光敏感器上电，为了测试多功能可见光敏感器是否具有自主调节曝光时间的功能，在多功能可见光敏感器上电自检后，立刻把多功能可见光敏感器的曝光时间设置为最短(即76微秒)，此时多功能可见光敏感器拍摄的图像完全是黑图，说明多功能可见光敏感器的曝光时间不够，此时，多功能可见光敏感器开始增加曝光时间和拍摄图像的重复过程，直到拍摄的图像中包含了多颗恒星的像，并且恒星像近似为高斯分布圆的数量多于10颗为止(如图5)，此时多功能可见光敏感器具有星敏感器的功能，。此后，多功能可见光敏感器开始提取图像内所欲恒星星像的坐标，并把这些坐标按照亮度从亮到暗的顺序排序，采用三角形识别算法识别这些恒星的星像坐标，利用QUEST算法计算识别后的恒星星像坐标，利用QUEST算法计算的结果为三轴欧拉角(分别为偏航角、俯仰角和滚动角)开始提取，并且把偏航角、俯仰角和滚动角输出给上位机，上位机实时保存偏航角、俯仰角和滚动角，多功能可见光敏感器连续工作30分钟后，切断多功能可见光敏感器电源，离线显示偏航角、俯仰角和滚动角(如图6)。 

实施例4：如图6是一种多功能可见光敏感器的实施方式，多功能可见光敏感器包括光学系统模块，CCD和驱动模块以及信号处理模块。光学系统模块采用某型号的镜头，该镜头的视场20°×16°；CCD和驱动模块中CCD采用SONY公司的ICX285AL，FPGA采用ALTERA公司的EP2C8芯片；信号处理模块包括SRAM，DSP，FLASH以及RS422接口等， DSP器件采用TI公司的TMS320C32芯片，该芯片是32位的浮点器件，程序SRAM采用CY7C1049，该芯片是8位的存储器，因此需要用到四片，分别为最高8位，次高8位，次低8位和最低8位，RS422器件采用82C52芯片，FLASH器件采用AM29F040，该芯片是8位的存储器，因此需要用到四片，分别为最高8位，次高8位，次低8位和最低8位，RS422器件采用82C52。，其中FLASH用于保存代码和一些初始化数据，SRAM用于保存临时数据，DSP用于计算，RS422用于把计算的姿态角发送给上位机。其中FPGA产生相应的CCD时序，自主调正积分时间，为了增加图像传输的实时性，拍摄后的图像用过LVDS传送给上位机。 

Claims (1)

1.一种多功能可见光敏感器系统的设计方法，该多功能可见光敏感器系统，包括光学系统模块、CCD和驱动模块和信号处理模块，光学系统模块连接CCD和驱动模块，CCD和驱动模块连接信号处理模块，其特征在于，其设计方法如下： 

步骤一：光学系统模块的设计 

光学系统模块完成目标的光学成像，将目标成像在CCD传感器平面上，衡量光学系统的主要参数是视场，光学系统视场是：20°×16°，光学系统选择采用现有的镜头； 

步骤二：CCD和驱动模块的设计 

CCD和驱动模块主要包含CCD传感器和FPGA，CCD和驱动模块采用以FPGA为主控芯片的模块，FPGA主要完成CCD传感器时序的产生，自主调节CCD传感器图像的积分时间，多功能可见光敏感器既要对太阳成像，又要对恒星成像，选择SONY公司的ICX285AL型号作为CCD传感器，采用ICX285AL型号的自身时序逻辑，FPGA设置CCD传感器的积分时间需要根据成像目标进行自动调节积分时间，多功能可见光敏感器的数据更新率需要达到10Hz，因此多功能可见光敏感器一上电默认的积分时间是100毫秒；其中在FPGA部分的积分时间调整原理如下：设当前积分时间为T，太阳目标像灰度总和的最大值为E_sun-max，太阳目标像灰度总和的最小值为E_sun-min，恒星目标像灰度总和的最大值为E_star-max，恒星目标像灰度总和的最小值为E_star-min，提取图像目标灰度总和为E，图像单个像元灰度饱和门限最小值E_-，图像单个像元灰度饱和门限最大值E₊，假设： 

其中函数g(T)是关于图像灰度值与积分时间T的关系，这与选择的CCD器件有关，选择SONY公司的ICX285AL型号作为CCD传感器，经过统计，满足公式(3)的关系； 

g(T)=820·T-278         (3) 

下一帧图像采集时采用的积分时间为T₁，计算如下： 

(1)如果目标灰度总和E高于太阳目标像灰度总和的最小值E_sun-min，而且低于太阳目标像灰度总和的最大值E_sun-max，即当E_sun-min＜E＜E_sun-max，说明此时多功能可见光敏感器相当于太阳敏感器，则不改变积分时间； 

(2)如果目标灰度总和E高于恒星目标像灰度总和的最小值E_star-min，而且低于恒星目标像灰度总和的最大值E_star-m_ax，即当E_star-min＜E＜E_star-m_ax，说明此时多功能可见光敏感器相当于星敏感器，则不改变积分时间； 

(3)如果目标灰度总和E高于太阳目标像灰度总和的最大值E_sun-max，即当E＞E_sun-max，说明此时多功能可见光敏感器过饱和，则降低积分时间，此时降低积分时间的步长为ΔT=αt_sun／2，积分时间为T₁=T-n·△T，即当n＝1时，拍摄图像，判断是否满足E_sun-min＜E＜E_sun-max，如果还不满足，取n=2拍摄，判断是否满足E_sun-min＜E＜E_sun-max，直到满足条件E_sun-min＜E＜E_sun-max为止； 

(4)如果目标灰度总和E低于恒星目标像灰度总和的最小值E_star-min，即当E＜E_star-min，说明此时多功能可见光敏感器积分时间太短，则增加积分时间，增加积分时间的步长为ΔT=αt_star／2，积分时间为T₁＝T+n·ΔT，即当n＝1时，拍摄图像，判断是否满足E_star-min＜E＜E_star-max，如果还不满足，取n＝2拍摄，判断是否满足E_star-min＜E＜E_star-max，直到满足条件E_star-min＜E＜E_star-max为止； 

(5)如果目标灰度总和E低于太阳目标像灰度总和最小值E_sun-min，且 高于恒星目标像灰度总和的最大值E_star-max，即：当E_star-max＜E＜E_sun-min，此时判断从多功能可见光敏感器图像中提取的目标数量，如果只能提取一个目标，说明此时多功能可见光敏感器相当于太阳敏感器，同时按照步长为ΔT=αt_sun／2，T₁=T+n·ΔT的方式增加积分时间，直到满足条件E_sun-min＜E＜E_sun-max为止；如果多功能可见光敏感器图像中提取的目标数量多于一个，说明此时多功能可见光敏感器相当于星敏感器，同时按照步长为ΔT＝αtstar／2，T₁=T-n·ΔT的方式降低时间，直到满足条件E_star-min＜E＜E_star-max为止； 

α是处于0-1之间的系数，用于控制积分时间调节算法的收敛速度，这个参数α可以通过仿真实验和外场实验来确定； 

步骤三：信号处理模块的设计 

信号处理模块是以DSP芯片为中心的模块，包括SRAM、FLASH和计算机通信接口，其中SRAM保存图像和运行算法，选择的SRAM大小为2Mbyte，FLASH完成系统断电后保存算法，选择的FLASH为256K，信号处理板通过与计算机通信接口把偏航角、俯仰角和滚动角发送给计算机，一共15个字节，其中数据帧头2个字节，有效数据12个字节，1个字节校验，计算机通信接口选择RS422。