CN103175527A

CN103175527A - 一种应用于微小卫星的大视场低功耗的地球敏感器系统

Info

Publication number: CN103175527A
Application number: CN2013100741930A
Authority: CN
Inventors: 金仲和; 王昊; 郭振东; 白剑; 蒙涛
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2013-06-26

Abstract

本发明公开了一种应用于微小卫星的大视场低功耗的地球敏感器系统，一种应用于微小卫星的大视场低功耗的地球敏感器系统，包括：可见光采集模块、红外光采集模块和后端信号处理电路；所述后端信号处理电路根据卫星所处光照条件交替采集所述可见光采集模块和红外光采集模块的图像数据并进行相应的处理。可见光地球敏感器和红外地球敏感器均使用了全景环形镜头，实现了360°大视场成像。该地球敏感器系统使用了功耗极低的CMOS图像传感器和非制冷红外热像仪来对地球进行成像，最终极大地降低系统的总体功耗。

Description

一种应用于微小卫星的大视场低功耗的地球敏感器系统

技术领域

本发明涉及一种低功耗大视场的地球敏感器，应用于微小卫星姿态控制系统。

背景技术

地球敏感器是卫星姿态控制系统(ADCS)中一个重要的姿态测量器件，它通过确定地球中心在卫星本体坐标系中的矢量方向，进而借助于坐标变换得到卫星在空间中的方位，即卫星的姿态。根据前端探测器敏感光谱波段的不同，地球敏感器可分为红外地球敏感器、可见光地球敏感器和紫外地球敏感器。

目前卫星上大多数采用的是红外地球敏感器和可见光地球敏感器。红外地球敏感器根据工作方式的不同可分为静态和动态两种。动态红外地球敏感器又可根据扫描方式的不同分为圆锥扫描式和摆动扫描式。传统的动态红外地球敏感器因包含有机械扫描装置，故体积大、功耗高，另外扫描机构长时间的运动会使敏感器产生振动偏离，极大降低敏感器的测量精度。静态红外地球敏感器采用凝视型成像技术，不需要机械扫描装置，其质量、体积和功耗都小于动态红外地球敏感器，但由于其前端所使用红外成像设备功耗往往较高(在数瓦的量级)，仍然很难满足微小卫星对姿态敏感器低功耗的要求。可见光地球敏感器由于可以采用CMOS图像传感器来对地球成像，因而体积和功耗都可以做的很小，但是可见光地球敏感器只能工作在光照区。当卫星处于地球的阴影区域时，可见光地球敏感器将不能工作。

发明内容

本发明提供了一种应用于微小卫星的大视场低功耗的地球敏感器系统，该地球敏感器系统具有功耗低和可全天候工作的优势，非常适合应用于微小卫星上。

一种应用于微小卫星的大视场低功耗的地球敏感器系统，包括：可见光采集模块、红外光采集模块和后端信号处理电路；

所述后端信号处理电路根据卫星所处光照条件交替采集所述可见光采集模块和红外光采集模块的图像数据并进行相应的处理。

本发明中，当所述的地球敏感器系统工作于光照区时，由可见光采集模块采集可见光信号，当所述的地球敏感器系统工作于地球的阴影区时，由红外光采集模块采集红外光信号，因此，可以实现该地球敏感器系统的全天候工作；同时，后端信号处理电路可以根据光照条件使可见光采集模块和红外光采集模块交替工作，从而可以实现低功耗。

作为优选，所述的可见光采集模块由可见光光学镜头和用于接收可见光光学镜头的光信号并产生图像数据的CMOS图像传感器组成；

所述的红外光采集模块由红外光学镜头和用于接收红外光学镜头的红外信号并产生图像数据的红外热像仪组成；

所述的可见光光学镜头和红外光学镜头为全景环形镜头。

本发明中，可见光采集模块和红外光采集模块均使用了全景环形镜头，与常规的光学系统相比，其具有以下优点：

（1）景深大，不用调焦就可看清视场内无遮拦的物体或目标，而且成像清晰；

（2）视场角大，视场角可达90°×360°。

作为优选，所述的卫星所处的光照条件通过所述的CMOS图像传感器接收到的光信号的强度进行判断，当CMOS图像传感器从可见光光学镜头采集到的光信号的强度低于预设值时，即可确定微小卫星已经进入地球阴影区，打开红外光采集模块使其处于工作状态；当CMOS图像传感器从可见光光学镜头采集到的光信号的强度高于预设值时，即可确定微小卫星已经进入光照去，关闭红外光采集模块，由于红外光采集模块的功耗较高，此时可以很大程度上降低整套系统的功耗。由于不需要额外的传感器，从而可以减小体积和重量。

作为优选，所述的红外热像仪为非晶硅红外微测辐射热计，此时，可以进一步降低红外光采集模块的功耗，克服了传统红外地球敏感器因功耗较高且需要制冷难以用于微小卫星上的缺点。

作为优选，所述的后端信号处理电路由图像采集控制器、图像存储器、处理器、数据存储器和程序存储器组成；

所述的图像采集控制器用于采集所述可见光采集模块和红外光采集模块的图像数据，由CPLD来实现；

所述的图像存储器用于存储所述的图像采集控制器采集到的图像数据；当处理器需要进行图像处理时，图像数据将会被从图像存存储器中读出，图像存储器由SRAM实现，与CPLD连接在一起，作为进一步的优选，在该套系统中SRAM一共有两块；

所述的处理器用于读出图像存储器所存储的图像数据，进行图像处理；所述的处理器是整个后端信号处理电路的核心，处理器由DSP来实现；当DSP得到卫星当前的姿态信息后，DSP通过SPI口将卫星的姿态信息发送给星务计算机；另外DSP也完成了对CMOS图像传感器的配置工作，并控制CPLD是否开始采集图像数据，DSP通过EMA口与CPLD相连接；

所述的数据存储器用于临时存储所述处理器进行图像处理时产生的相关数据；所述的数据存储器可由SDRAM来实现，SDRAM接在DSP的EMB口上；

所述的程序存储器用于固化所述处理器中的程序代码和存储系统掉电后需要保存的数据；程序存储器可由FLASH来实现，接在DSP的EMA口上。

所述的CMOS图像传感器和红外热像仪接在CPLD的通过IO口上。

所述的可见光采集模块和红外光采集模块的工作流程可表述为：DSP完成对CMOS图像传感器或红外热像仪的配置后，并向CPLD发送开始工作命令。此时CPLD不断采集CMOS图像传感器或红外热像仪输出的图像数据，并将数据存入SRAM中。当DSP开始图像处理时，DSP通过CPLD将一帧图像数据从SRAM中搬出，并存入SDRAM中，随后DSP开始图像处理。在得到卫星的姿态信息后，DSP通过SPI口将卫星的姿态信息传递给星务计算机，并开始下一帧图像处理。当DSP在进行图像处理的过程中，CPLD一直在进行图像的采集和存储。在该套信号处理电路中，图像采集和图像处理是独立的，可同时进行的。

作为优选，所述的处理器在进行图像处理时，首先定位地球像的圆心位置，再解算出卫星当前的姿态信息。

作为进一步的优选，定位地球像的圆心位置包括圆心捕获和圆心精确定位两个步骤。一旦完成地球中心的捕获，在后续计算中可以将上一次找出地球像的圆心位置，当做本次图像处理中地球像的粗略圆心位置，据此排除干扰点后，再利用精确定位算法快速找出本次地球像的精确圆心位置。

作为进一步的优选，所述的圆心捕获中，使用Hough变换找出地球圆心的粗略位置；

所述的圆心精确定位的方法为最小二乘法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

（1）本发明中当卫星处于阴影区时，红外光采集模块工作，可见光采集模块关闭，而当卫星处于光照区时可见光采集模块工作而红外光采集模块关闭；由于红外光采集模块的功耗往往较高，关闭红外光采集模块，可以很大程度上降低整套系统的功耗。同时，避免红外光采集模块连续长时间工作，可极大地延长了红外光采集模块的工作寿命。

（2）本发明中，使用了新型的红外热像仪极大降低了红外光采集模块的功耗，克服了传统红外地球敏感器因功耗较高且需要制冷难以用于微小卫星上的缺点。

（3）本发明中，后端处理电路设计时，将图像的采集和图像处理模块分开。CPLD负责图像的采集，而DSP负责图像处理；图像处理和图像采集可以同时进行，这在很大程度上提高了地球敏感器进行卫星姿态测量的速度。

（4）本发明中，在进行图像处理，定位地球像的圆心位置时，采用了基于先验信息的圆心定位方法。整个定位圆心的过程分为两个步骤：(1)粗定位；(2)细定位。在粗定位中，使用Hough变换找出地球圆心的粗略位置，在细定位中使用最小二乘法精确定位圆心。一旦完成地球中心的捕获，在后续计算中可以将上一次找出地球像的圆心位置，当做本次图像处理中地球像的粗略圆心位置，据此排除干扰点后，再利用最小二乘法，快速找出本次地球像的精确圆心位置。

附图说明

图1是本发明的可见地球敏感器系统的结构组成框图；

图2是本发明中全景环形镜头的原理示意图；

图3是本发明中的数字信号处理电路框图；

图4是本发明中的图像畸变修复示意图；

图5是本发明中的地球敏感器详细工作流程图。

具体实施方式

下面结合实例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

如图1所示，地球敏感器系统包括：光学镜头、成像系统和后端信号处理电路，其中，光学镜头包括可见光光学镜头和红外光学镜头，都使用全景环形镜头，用于增大视场角。成像系统包括CMOS图像传感器和红外热像仪，主要用于对地球进行成像，而后端信号处理电路用于采集成像系统输出的图像数据，进行图像处理进而计算出卫星当前的姿态信息。

上述的光学镜头采用了全景环形镜头(PAL),其基于“平面圆柱投影”（FCP）方法，工作原理如图2所示。与传统光学的中心投影法不同，全景环形镜头也就是说，它假定了环绕观察者的空间几何结构是圆柱形的，这个圆柱的半径和瞭望距离相等，一个全景的像可以显示出这个虚拟的圆柱的柱壁。这样，把像的投影转换到一个与圆柱的轴垂直的平面上，就形成了一个3D的全景环形像。像中的点和实际的点是1：1的对应关系。如图2所示，在平面圆柱投影法中，能够成像的部分是α角的两条边绕光轴z旋转360°后所形成的三维立体区域。这一区域被投影到二维像平面上的一个圆环内，这个圆环就是环形成像平面2。而锥角2β角的两边绕z轴旋转360°后所形成的圆锥区域是不能成像的，这一区域在二维平面上对应内径以内的圆形盲区1。显然，增大α并减小β可以增大成像视场，但是这两个参数值受到现有玻璃的折射系数的限制。环形FCP像的宽度对应着所能得到的α的值，像面上的每一个同心圆是与光轴成同一角度的点的轨迹。环形透镜产生的环形像的宽度对应于侧向视场范围，而像上的同心圆上的点相对光轴有着相同的倾斜角。全景环形镜头在成像上虽然存在一个盲区1，但是由于地球是一个很大的球体，所以中心的盲区不会对地球敏感器正常工作产生影响。

成像系统是整个地球敏感器中非常关键的部分。传统的地球敏感器系统难以应用于微小卫星上的主要原因就是因为成像系统所需要的功耗太高。为了克服这个问题，本发明中，可见光采集模块使用了CMOS图像传感器，而红外光采集模块使用了红外热像仪。CMOS图像传感器正常工作时功耗可低到0.2W水平，而红外热像仪正常工作时功耗也仅为0.6W左右，二者的功耗都很低。CMOS图像传感器和红外热像仪的配置简单，并可直接输出数字信号，可直接与后端信号处理电路相连，中间不需要任何的模数转换装置。

后端信号处理电路主要是采集图像数据和进行图像处理。该数后端信号处理电路的组成框图如图3所示，主要由图像采集控制器、图像存储器、处理器、数据存储器、程序存储器组成。本实施例中CPLD作为图像采集控制器，SRAM作为图像存储器，DSP作为核心处理器，SDRAM作为数据存储器，FLASH作为程序存储器。CPLD的主要功能是采集CMOS图像传感器和红外热像仪输出的图像数据，并且将图像数据存进SRAM中，当DSP需要进行图像处理时，CPLD将图像数据从SRAM中读出，并将图像数据传送给DSP。CPLD在采集图像数据时，主要通过检测CMOS图像传感器和红外热像仪提供的像素时钟信号、行同步信号和帧同步信号来采集数据。作为图像存储器，SRAM共有两块，直接连接在CPLD的通用IO上。CPLD在采集图像数据时，交替将图像数据写到这两块SRAM中。DSP是整个后端信号处理电路的核心器件。DSP完成了对CMOS图像传感器的配置工作，并控制CPLD是否开始采集CMOS图像传感器和红外热像仪输出的图像数据。当DSP要进行图像处理时，DSP会通过EMA口，经CPLD将图像数据从SRAM中读出，存进SDRAM中。随后DSP开始图像处理，定位地球像的中心位置，进而解算处卫星当前的姿态信息，并通过SPI口将卫星的姿态信息传递给星务计算机。DSP在进行图像处理的过程中，全部的中间数据都保存至SDRAM中，SDRAM连接在DSP的EMB口。FLASH连接在DSP的EMA口，主要是存储了DSP运行的程序代码。

DSP执行图像处理算法的步骤如下所示：

第一步：边缘提取。要想定位地球像的中心位置，首先要确定地球像的边缘信息，该系统使用了Sobel算子来提取地球像的边缘点。Sobel算子是根据像素灰度变化在边缘点处达到最大值这一原理进行边缘检测。

第二步：边缘细化。由于地球周围存在大气层，会对光线产生一定的散射作用，造成拍摄到的地球像的边缘是模糊，提取到的地球边缘也是有一定的宽度，故要进行边缘细化。本发明中的边缘细化方案为：对已利用Sobel算子得到的原图像边缘图再次进行边界提取，这样我们就会得到边缘图的边界。

第三步：畸变修复。使用全景镜头后，地球像产生了畸变，地球的边缘已不再为标准的圆弧，我们将地球像的边缘点转化到半球面上，从而对图像进行畸变修复。其修复思想为：已知全景环形镜头（PAL）是基于柱面坐标进行成像的，如果将边缘图上每一个边界点转换到半径为R（可任意设定）的球面上，那么圆形的边界仍将是标准的圆弧，图4是本发明中的图像畸变修复示意图。

第四步：使用三维Hough变换定位地球像的圆心粗略位置。地球像的边缘点在球面上所形成的圆弧，可看做是一个空间平面与该球面的交线，该平面的法向量与球心O和地球像的圆心在球面上对应点的连线平行，因此只要知道平面的表达式，就可以确定地球像的圆心在球面坐标上的位置，进而得出地球像圆心在全景图片中的位置。求地球像的圆心问题转为求空间平面表达式的问题。

第五步：删除干扰点。地球像的边缘点到地球中心点的距离d是相等，且这个距离也是固定不变的。当球面上的边缘点到中心点的距离满足约束条件时，该边缘点即为地球像的真实边缘点。其余边缘点可以看成是噪声点，据此我们就可以剔除那些干扰点。

第六步：最小二乘法求取地球图像的精确圆心坐标。

第七步：当要求取下一帧图像中地球像的中心坐标时，可把上一阵图像中地球像的中心坐标位置，当做本帧图像中地球像的粗略中心坐标位置。重复步骤五和六即可。

该地球敏感器的工作流程如图5所示，其具体步骤如下：

第一步：系统初始化。系统初始化包括了DSP内部模块的初始化和对CMOS图像传感器和红外热像仪的配置。DSP内部模块的初始化主要有EMIFA、EMIFB、系统电源模块和内部时钟PLL模块的初始化。CMOS图像传感器和红外热像仪的配置主要是通过DSP的两个GPIO口来模拟SCCB总线进而对CMOS图像传感器和红外热像仪内部寄存器进行配置。

第二步：当DSP收到星务计算机发送的地球敏感器开始工作的指令后，DSP控制CPLD开始采集图像。当CPLD采集完一帧图像后，给DSP发送一个开始读取数据的命令。

第三步：DSP通过EMA口将一帧图像数据读出并存入SDRAM中

第四步：DSP进行图像处理，找出地球像的中心位置，计算出卫星当前的姿态角，并通过SPI口将姿态角信息传递给星务计算机。完成第四步后继续开始执行第三步。

Claims

1.一种应用于微小卫星的大视场低功耗的地球敏感器系统，其特征在于，包括：可见光采集模块、红外光采集模块和后端信号处理电路；

2.根据权利要求1所述的应用于微小卫星的大视场低功耗的地球敏感器系统，其特征在于，所述的可见光采集模块由可见光光学镜头和用于接收可见光光学镜头的光信号并产生图像数据的CMOS图像传感器组成；

所述的可见光光学镜头和红外光学镜头为全景环形镜头。

3.根据权利要求2所述的应用于微小卫星的大视场低功耗的地球敏感器系统，其特征在于，所述的卫星所处的光照条件通过所述的CMOS图像传感器接收到的光信号的强度进行判断。

4.根据权利要求2所述的应用于微小卫星的大视场低功耗的地球敏感器系统，其特征在于，所述的红外热像仪为非晶硅红外微测辐射热计。

5.根据权利要求2所述的应用于微小卫星的大视场低功耗的地球敏感器系统，其特征在于，所述的后端信号处理电路由图像采集控制器、图像存储器、处理器、数据存储器和程序存储器组成；

所述的图像采集控制器用于采集所述可见光采集模块和红外光采集模块的图像数据；

所述的图像存储器用于存储所述的图像采集控制器采集到的图像数据；

所述的处理器用于读出图像存储器所存储的图像数据，进行图像处理；

所述的数据存储器用于临时存储所述处理器进行图像处理时产生的相关数据；

所述的程序存储器用于固化所述处理器中的程序代码和存储系统掉电后需要保存的数据。

6.根据权利要求5所述的应用于微小卫星的大视场低功耗的地球敏感器系统，其特征在于，所述的处理器在进行图像处理时，首先定位地球像的圆心位置，再解算出卫星当前的姿态信息。

7.根据权利要求6所述的应用于微小卫星的大视场低功耗的地球敏感器系统，其特征在于，定位地球像的圆心位置包括圆心捕获和圆心精确定位两个步骤。

8.根据权利要求7所述的应用于微小卫星的大视场低功耗的地球敏感器系统，其特征在于，所述的圆心捕获中，使用Hough变换找出地球圆心的粗略位置；

所述的圆心精确定位的方法为最小二乘法。