CN103983232B - 分体式镜头以及分体式静态线阵红外地平仪 - Google Patents

Abstract

一种分体式静态线阵红外地平仪，包括至少一组相配合的分体式镜头与分体式安装底座。分体式镜头中；成像光路与线阵探测器相连，线阵探测器与多路选通器相连，多路选通器分别与前置放大器以及FPGA芯片相连，前置放大器分别与模数转换器以及FPGA芯片相连，模数转换器分别与前置放大器以及FPGA芯片相连，FPGA芯片分别产生多路选通器、前置放大器以及模数转换器的控制信号，并对传入的数字信号进行信号处理后传入CAN接口芯片；所述CAN接口芯片通过CAN总线接口与CAN总线相连，用于将所述FPGA芯片处理后信号通过CAN总线传入后端数字处理部分。本发明提高了红外地平仪的通用化程度，简化了开发流程，节约项目成本。

Description

分体式镜头以及分体式静态线阵红外地平仪

技术领域

本发明涉及空间科学仪器技术领域，尤其涉及一种应用于航天器的姿态测量的模块化分体式静态线阵红外地平仪。

背景技术

自然界中任何温度高于绝对零度(零下273.15摄氏度)的物体，都会向周围热辐射，红外辐射是热辐射的一部分，是一种与可见光相邻的不可见光。红外辐射的强度与光谱成分取决于物体的辐射温度。一般的红外探测都是利用了目标与背景之间的红外辐射差异，获取目标与背景信息。红外地平仪作为一种常用的卫星姿态敏感器，其原理是通过检测地球和太空之间的辐射过渡部分，得到卫星（垂地线）相对于地球当地垂线的姿态偏移，即滚动角偏差与俯仰角偏差。航天器的姿态控制系统利用红外地平仪得到卫星的两轴姿态，控制航天器稳定地飞行。

静态线阵红外地平仪通过电子扫描方式得到地平边界信号，一般用多个探测器元件（红外线阵探测器以红外成像单元为核心，探测器是红外地平仪镜头中除光学部分外的另一重要组成元件），通过判断多个线阵探测器跳变元组成的圆的中心位置来计算出地平圆的中心位置。从太空来看，地心即地平圆的圆心，而掌握了圆周上的三个点的坐标并得到圆内接三角形后，即可推得圆心坐标。所以静态线阵红外地平仪最少需要配置3个线元。

参考图 1，现有静态线阵红外地平仪结构框图。现有静态线阵红外地平仪包括多个固定式镜头11以及姿态信息处理电路12两大部分，两部分是机械固定的，电气方面通过模拟信号线13相连接。固定式镜头11负责将地球的红外辐射转换为微弱的电压信号阵列，结构上包括光路与红外探测器。姿态信息处理电路12通过多路开关121轮流收集各路镜头的模拟信号，通过信号处理单元122进行一系列的信号处理，最终采用数字接口单元123将卫星的姿态（俯仰轴、滚动轴倾角）通过RS485总线14传递给星载计算机15。

现有静态线阵红外地平仪的不足主要有四点：

1）很难满足轨道高度的通用性需求：红外地平仪的镜头张角决定了适用卫星的轨道高度，现有静态线阵红外地平仪的型号研发一般是为某一轨道高度范围（如750kM到900kM）甚至特定的任务而单独展开的，地平仪的任务通用性较差。

2）很难满足姿态度量要求：由于一体化安装的镜头角度与数量限制，现有静态线阵红外地平仪只能在航天器对地指向的情况下进行定姿，无法适应航天器多种姿态下的测量需求。

3）很难满足航天器结构设计要求：现有红外地平仪安装位置固定（一般为天底方向），不利于卫星总体结构设计的优化。

4）无法灵活地改变冗余配置：红外地平仪的镜头冗余设置根据任务对航天器的可靠度要求而变化，而不同的任务经费与可靠度需求，决定了其对适配的红外地平仪镜头数量有不同的要求，由于现有静态线阵红外地平仪一体化安装的镜头角度与数量限制，镜头冗余配置不可调，无法实现冗余灵活配置。

因此，需要提供一种新的静态线阵红外地平仪，提高红外地平仪的通用能力以及配置灵活度，以满足未来航天任务的多样化需求，并避免红外地平仪大量重复开发造成的项目时间延长、人力资源浪费、研发成本提高以及任务风险的增加的问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中静态线阵红外地平仪存在的问题，提供一种分体式静态线阵红外地平仪，通过分体式镜头与分体式安装底座相配合，红外地平仪镜头张角与镜头数量由分体式镜头数量和安装底座的安装位置以及安装底座倾角决定，提高红外地平仪的通用化程度。

为实现上述目的，本发明提供了一种分体式镜头，包括成像光路、线阵探测器、多路选通器、前置放大器、模数转换器、FPGA芯片、CAN接口芯片以及CAN总线接口；所述成像光路与线阵探测器相连，用于获取地球的红外辐射信号并传送至线阵探测器；所述线阵探测器与所述多路选通器相连，用于将接收到的红外辐射信号转换成多路线元模拟电压信号；所述多路选通器分别与前置放大器以及FPGA芯片相连，用于在FPGA芯片的控制下对多路线元模拟电压信号进行选通，选通后的信号轮流进入前置放大器；所述前置放大器分别与模数转换器以及FPGA芯片相连，用于对接收到的模拟信号进行调整后输出；所述模数转换器分别与前置放大器以及FPGA芯片相连，用于将前置放大器输出的模拟信号经模数转换后传入FPGA芯片中；所述FPGA芯片用于对时钟信号进行分频后分别产生多路选通器、前置放大器以及模数转换器的控制信号，并对传入的数字信号进行信号处理后传入CAN接口芯片；所述CAN接口芯片通过CAN总线接口与CAN总线相连，用于将所述FPGA芯片处理后的数字信号通过CAN总线传入后端数字处理部分。

进一步，所述分体式镜头进一步包括一积分器，所述积分器分别与所述前置放大器、模数转换器以及FPGA芯片相连，用于对前置放大器输出的各线元模拟信号进行积分处理。

进一步，所述线阵探测器采用SLA32热电堆探测器以输出32线元模拟信号；所述多路选通器采用两片16选1译码器ADG426依次选通SLA32的各线元，轮流输出至所述前置放大器中。

进一步，所述FPGA芯片采用APA300芯片，CAN总线控制器以IP软核的方式集成在APA300芯片中，APA300芯片通过CAN总线控制器将处理后的数字信号送入所述CAN接口芯片。

进一步，所述CAN接口芯片采用AN96116芯片。

为实现上述目的，本发明还提供了一种分体式静态线阵红外地平仪，包括至少一组相配合的分体式镜头与分体式安装底座，所述分体式镜头采用本发明所述的分体式镜头，每一所述分体式安装底座通过底部的固定孔将一个所述分体式镜头安装在卫星外表面，所述分体式安装底座上设有允许CAN总线通过的通孔。

进一步，所述分体式安装底座与所述分体式镜头相接的一面为具有一倾角的倾斜面。

本发明的优点在于：红外地平仪镜头张角与镜头数量由分体式镜头数量和安装底座的安装位置以及安装底座倾角决定。不同位置的安装能够适配不同的轨道高度与姿态测量需求，避免了对卫星结构设计的干扰；CAN接口芯片以及CAN总线接口的设计提高了红外地平仪针对不同冗余要求的任务适应性，提高了红外地平仪的通用化程度，简化开发流程，节约项目成本，为未来多样化的航天任务提供了灵活可靠的通用化姿态敏感器方案。

附图说明

图1，现有静态线阵红外地平仪结构框图；

图2，本发明所述分体式镜头的架构示意图；

图3，本发明所述多路选通器的工作原理示意图；

图4，本发明所述分体式镜头进行信号调理原理示意图；

图5，本发明所述FPGA芯片的功能框图；

图6，本发明分体式静态线阵红外地平仪中分体式镜头结构示意图；

图7，本发明分体式静态线阵红外地平仪中分体式安装底座结构示意图；

图8，本发明分体式静态线阵红外地平仪一组镜头的装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的分体式镜头以及分体式静态线阵红外地平仪的具体实施方式做详细说明。

首先结合图2-5给出本发明所述分体式镜头的一实施方式。

参考图2，本发明所述分体式镜头包括成像光路21、线阵探测器22、多路选通器23、前置放大器24、积分器25、模数转换器26、FPGA芯片27、CAN接口芯片28以及CAN总线接口29。

所述成像光路21与线阵探测器22相连，用于获取地球的红外辐射信号并传送至线阵探测器22。所述线阵探测器22与所述多路选通器23相连，用于将接收到的红外辐射信号转换成多路线元模拟电压信号。所述多路选通器23分别与前置放大器24以及FPGA芯片27相连，用于在FPGA芯片27的控制下对多路线元模拟电压信号进行选通，选通后的信号轮流进入前置放大器24。

参考图3，本发明所述多路选通器的工作原理示意图。所述线阵探测器22采用SLA32热电堆探测器，多路选通器23采用两片16选1译码器ADG426。在光学系统方面，采用现有的地平仪成像光路，配合SLA32热电堆探测器，输出32线元模拟信号。两片16选1译码器ADG426依次选通SLA32各线元，轮流输出到前置放大器24中。

所述前置放大器24分别与模数转换器26以及FPGA芯片27相连，用于对接收到的模拟信号进行调整后输出。所述模数转换器26分别与前置放大器24以及FPGA芯片27相连，用于将前置放大器24输出的模拟信号经模数转换后传入FPGA芯片27中。优选的，所述前置放大器24进一步通过积分器25与模数转换器26相连，所述积分器25用于在FPGA芯片27 的控制下对前置放大器24输出的各线元模拟信号进行积分处理，以对直流电平达到最佳滤波效果。

所述FPGA芯片27用于对时钟信号进行分频后分别产生多路选通器23、前置放大器24、积分器25以及模数转换器26的控制信号，并对传入的数字信号进行信号处理后传入CAN接口芯片28。所述CAN接口芯片28通过CAN总线接口29与CAN总线相连，用于将所述FPGA芯片27处理后的数字信号通过CAN总线传入后端数字处理部分。后端数字处理部分可以是星载数据管理系统（OBDH）、姿轨控计算机或星载计算机等。

参考图4，本发明所述分体式镜头进行信号调理原理示意图。通过前置放大器24、积分器25以及模数转换器26的结合对红外辐射信号进行信号调理，将线阵探测器22输出的微弱模拟信号转变成能够输出给FPGA芯片27的数字信号。由于红外线阵探测器通常所处空间有限，所以在探测器上直接进行信号调理十分困难。因此在靠近探测器的位置上放置小型前置放大器，用来放大探测器的输出信号，变换它的输出阻抗，改善分路电容效应以展宽探测器的频带，使电信号经这些处理后能成功地传输到其它相关部分进行信号处理。对前置放大器24的设计要求是：低噪声，高增益，低输出阻抗，大动态范围，良好的线形特征和较好的抗颤噪声能力，此外，还要仔细地屏蔽，以消除不希望有的散杂场信号。模数转换器26采用AD7824芯片（8位ADC）。在模拟信号输入模数转换器26前，通过积分器25对各线元进行一次积分处理，以对直流电平达到最佳滤波效果；积分后的信号被送入AD7824进行模数转换以送入FPGA芯片27。FPGA芯片27主要包括三大功能模块：各部分的时序控制（如MUX、积分器、S/H、ADC等）、数字信号处理以及通过串行通讯将数据传输至姿轨控计算机或星载计算机等。其中各功能模块并没有明显的界限，互连成为一个有机的整体。

所述FPGA芯片27采用APA300芯片，CAN总线控制器271以IP软核的方式集成在APA300芯片中，APA300芯片通过CAN总线控制器将处理后的数字信号送入CAN接口芯片28，进而通过CAN总线传入后端数字处理部分。由于红外地平仪本身暴露于星体外部，传统器件抗辐射性能差，单粒子效应可能导致失效，因此采用ACTEL公司反熔丝FPGA芯片APA300作为分体式镜头中数字电路的核心，这样可以大大简化电路的设计，缩短研制周期，提高系统可靠性。APA300芯片使用反熔丝技术，其组合逻辑单元或时序逻辑单元可以由成行成列的金属布线和金属-金属可编程通孔反熔丝ViaLink配置和互联。ACTEL采用的是多层金属工艺，使得其芯片编程具有100％的布通率和更高的集成度，因此APA300芯片具有非易失性和高性能等优点。APA300芯片内含300000个逻辑门单元，9兆字节片内RAM。

所述CAN接口芯片28用于实现CAN总线控制器271与CAN总线的电气匹配；CAN总线接口29为机械接口，用于接插CAN总线。其中，所述CAN接口芯片28可以选用AN96116芯片。

参考图5，本发明所述FPGA芯片的功能框图。APA300芯片负责对时钟信号进行分频后分别产生多路开关（即多路选通器）、积分器、模数转换器等的控制信号。APA300芯片同时负责数据存储。APA300芯片内的电平比较模块通过数值比较得到跳变元信息（或姿轨控计算机、星载计算机需求的其他信号）后，通过内部的CAN总线控制器的将其信号送入CAN接口芯片28，进而通过CAN总线传入后端数字处理部分。其中各功能模块并没有明显的界限，互连成为一个有机的整体。

使用CAN总线接口29作为分体式静态线阵红外地平仪中的分体式镜头与后端数字处理部分（如姿轨控计算机或星载计算机）的接口，适配CAN2.0B协议，其组网灵活度高，在航天领域具有广泛的应用前景，故使用CAN协议能够大大降低系统的开发难度，节省了开发步骤，提高了系统可靠度。CAN网络中的各节点都可根据总线访问优先权（取决于报文标识符）采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而其他总线，如RS-485，只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。

本发明所述分体式镜头的工作流程为：地球的红外辐射通过成像光路21到达线阵探测器22，线阵探测器22将接收到的红外辐射信号转换成32路微弱的电压信号；多路选通器23负责在FPGA芯片27的控制下对镜头多路线元模拟电压信号进行选通；选通后的信号轮流进入前置放大器24以放大信号功率、变换输出阻抗、改善分路电容效应以展宽线阵探测器22的频带；之后通过积分器25对各线元信号再进行一次积分处理，以对直流电平达到最佳滤波效果；输出模拟信号经过模数转换器26数转换后传入FPGA芯片27中；FPGA芯片27负责进行信号处理，如计算跳变元，或者获取姿轨控计算机或星载计算机需求的其他信号传入CAN接口芯片28，并通过CAN总线接口29与CAN总线传入后端数字处理部分。

首先结合图6-8给出本发明所述分体式静态线阵红外地平仪的一实施方式。

本发明所述分体式静态线阵红外地平仪包括至少一组相配合的分体式镜头与分体式安装底座，例如一地平仪上可配置三组或更多组镜头与底座。所述分体式镜头采用本发明图2-5对应的实施方式所示的分体式镜头。每一所述分体式安装底座通过底部的固定孔将一个所述分体式镜头安装在卫星外表面，即一个分体式安装底座对应安装一个分体式镜头。所述分体式安装底座上设有允许CAN总线通过的通孔。所述分体式镜头可选择对地安装，也可自由侧挂安装在星体的不同面上，不同位置的安装能够适配不同的轨道高度与姿态测量需求，避免了对卫星结构设计的干扰，同时避免对地面天线、载荷等物体对地平仪视场的干扰。利用分体式镜头，单端镜头可直接向星载计算机或者姿态计算机输出线元阵列数字信号或其他需要的信号。

参考图6，本发明分体式镜头结构示意图，所述分体式镜头60采用本发明图2-5对应的实施方式所示的分体式镜头。所述分体式镜头60外部构型与现有典型红外地平仪的镜头构型相似，底部设有安装孔61用于与底座装配；但其内部集成有成像光路21、线阵探测器22、多路选通器23、前置放大器24、积分器25、模数转换器26、FPGA芯片27、CAN接口芯片28以及CAN总线接口29。所述分体式镜头60构成方式以及工作原理参照图2-5及对应描述，此处不再赘述。

参考图7，本发明分体式安装底座结构示意图，分体式安装底座70底部设有固定孔71，用于与卫星星体固定连接，从而将所述分体式镜头60安装在卫星外表面。所述分体式安装底座70与所述分体式镜头60相接的一面为具有一倾角θ的倾斜面72。倾斜面72上设有与所述分体式镜头60的安装孔61相配合的安装孔73，可以通过安装孔相配合，采用螺钉将分体式镜头60与分体式安装底座70固定装配。倾斜面72上设有允许CAN总线通过的通孔74。

参考图8，本发明分体式静态线阵红外地平仪一组镜头的装配示意图。分体式安装底座70自由侧挂安装在星体的不同面上，再将分体式镜头60安装到分体式安装底座70上。根据不同的任务轨道高度、任务的定姿需求以及航天器的结构设计要求选择不同倾角的分体式安装底座70，以及选择需要的镜头与底座数量，即可得到需要的张角。实现分体式静态线阵红外地平仪的高自由度、低成本、分体式安装，克服了传统地平仪的机械底座为镜头提供不可变的张角，限制了地平仪的通用化应用的问题。

本发明分体式静态线阵红外地平仪是灵活配置的模块化分体式红外地平仪。“可灵活配置”的表现在：轨道高度灵活配置：分体式镜头的安装能够适应不同的任务轨道高度、任务的定姿需求与航天器的结构设计要求。冗余灵活配置：分体式镜头冗余配置可调，通过增加镜头与底座数目（≥4个）以增加系统的可靠性与精度，或者减少镜头与底座数目（至3个）以降低系统总功耗和成本。安装灵活配置：能够根据航天器结构设计要求调整地平仪的安装位置。

随着科学技术的高速发展，航天活动的门槛会越来越低，航天器的数量会不断增加，且功能逐步细化。所以，生产商对航天器各部件的通用化要求会逐步提高。本发明分体式静态线阵红外地平仪的镜头张角与镜头数量由分体式镜头数量和相应安装底座的安装位置以及安装底座倾角决定。不同位置的安装能够适配不同的轨道高度与姿态测量需求，避免了对卫星结构设计的干扰，CAN总线的接口允许卫星设计者自由地设计冗余方案，提高了红外地平仪的通用化程度，为未来多样化的航天任务提供了灵活可靠的通用化姿态敏感器方案。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种分体式镜头，其特征在于，包括成像光路、线阵探测器、多路选通器、前置放大器、模数转换器、FPGA芯片、CAN接口芯片以及CAN总线接口；

所述成像光路与线阵探测器相连，用于获取地球的红外辐射信号并传送至线阵探测器； 所述线阵探测器与所述多路选通器相连，用于将接收到的红外辐射信号转换成多路线元模拟电压信号； 所述多路选通器分别与前置放大器以及FPGA芯片相连，用于在FPGA芯片的控制下对多路线元模拟电压信号进行选通，选通后的信号轮流进入前置放大器； 所述前置放大器分别与模数转换器以及FPGA芯片相连，用于对接收到的模拟信号进行调整后输出； 所述模数转换器分别与前置放大器以及FPGA芯片相连，用于将前置放大器输出的模拟信号经模数转换后传入FPGA芯片中； 所述FPGA芯片用于对时钟信号进行分频后分别产生多路选通器、前置放大器以及模数转换器的控制信号，并对传入的数字信号进行信号处理后传入CAN接口芯片； 所述CAN接口芯片通过CAN总线接口与CAN总线相连，用于将所述FPGA芯片处理后的数字信号通过CAN总线传入后端数字处理部分。

2.根据权利要求1所述的分体式镜头，其特征在于，所述分体式镜头进一步包括一积分器，所述积分器分别与所述前置放大器、模数转换器以及FPGA芯片相连，用于对前置放大器输出的各线元模拟信号进行积分处理。

3.根据权利要求1所述的分体式镜头，其特征在于，所述线阵探测器采用SLA32热电堆探测器以输出32线元模拟信号；所述多路选通器采用两片16选1译码器ADG426依次选通SLA32的各线元，轮流输出至所述前置放大器中。

4.根据权利要求1所述的分体式镜头，其特征在于，所述FPGA芯片采用APA300芯片， CAN总线控制器以IP软核的方式集成在APA300芯片中，APA300芯片通过CAN总线控制器将处理后的数字信号送入CAN接口芯片。

5.根据权利要求1所述的分体式镜头，其特征在于，所述CAN接口芯片采用AN96116芯片。

6.一种分体式静态线阵红外地平仪，其特征在于，包括至少一组相配合的分体式镜头与分体式安装底座，所述分体式镜头采用权利要求1-5任一项所述的分体式镜头，每一所述分体式安装底座通过底部的固定孔将一个所述分体式镜头安装在卫星外表面，所述分体式安装底座上设有允许CAN总线通过的通孔。

7.根据权利要求6所述的分体式静态线阵红外地平仪，其特征在于，所述分体式安装底座与所述分体式镜头相接的一面为具有一倾角的倾斜面。