CN104142136A - 一种基于线阵aps图像传感器的小型双轴太阳敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，包括光电组件、图像采集与预处理单元、图像处理和误差补偿单元，其中光电组件包括掩膜板和APS图像传感器，图像采集与预处理单元包括视频放大器、A/D转换器和FPGA，图像处理和误差补偿单元包括单片机和存储器ROM，其中掩膜板为为“N”形五光缝玻璃板结构，利用一个线阵图像传感器可以输出两个太阳轴角度，同时具有太阳亮斑的识别功能；采用FPGA进行图像采集和图像预处理，采用单片机进行图像处理和误差补偿，在采集图像时将图像数据处理完成，大大节省了图像存储空间，且FPGA和单片机并行流水工作，产品更新率达到30Hz以上，此外该太阳敏感器精度高、体积小、重量轻、一体化、更新率高、接口方便。

Description

一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器

技术领域

本发明涉及一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，属于卫星控制分系统光学姿态敏感器技术领域。

背景技术

太阳敏感器以太阳为基准方位，测量航天器姿态与太阳光线矢量夹角的一种光学姿态敏感器，根据在太阳敏感器中利用的探测器不同可以分为电池片式和成像式两种。

在研究成像式太阳敏感器过程中，提出了两种解决方案，一种是基于面阵图像传感器的太阳敏感器，一种是基于线阵图像传感器的太阳敏感器，前者以APS CMOS图像传感器居多，后者以线阵CCD图像传感器居多。

对基于面阵APS CMOS的太阳敏感器，由于面阵图像阵列较大，需要大容量数据存储器和图像处理器(DSP或RISC)，造成太阳敏感器体积大、功耗大、更新率低，而且成本相对较高。而在利用线阵CCD图像传感器的研制太阳敏感器的过程中，由于CCD图像传感器的特性所需电源种类较多，对电源要求高，集成度低，增加了太阳敏感器系统的功耗、重量和体积等，难以实现太阳敏感器的小型化和一体化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，该太阳敏感器具有精度高、体积小、重量轻、一体化、更新率高、接口方便等优点，使APS太阳敏感器在±64°×±64°视场范围的两轴角度测角精度从0.08°提升至0.03°。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，包括光电组件、图像采集与预处理单元、图像处理和误差补偿单元，其中光电组件包括掩膜板和APS图像传感器，图像采集与预处理单元包括视频放大器、A/D转换器和FPGA，图像处理和误差补偿单元包括单片机和存储器ROM，其中：

掩膜板：将太阳光线投影到APS图像传感器，产生具有双轴太阳角信息的光信号；

APS图像传感器：接收FPGA输出的APS图像传感器工作时序，将所述具有双轴太阳角信息的光信号转化为电信号，并将所述电信号发送给视频放大器；

视频放大器：接收APS图像传感器输出的电信号进行滤波和信号放大，并输出给A/D转换器；

A/D转换器：接收FPGA输出的A/D转换器工作时序，将视频放大器输出的模拟信号转换为数字信号，供FPGA采集；

FPGA：将APS图像传感器工作时序输出给APS图像传感器，将A/D转换器工作时序输出给A/D转换器，采集A/D转换器输出数字图像信号，进行图像预处理，并将预处理的结果供单片机读取；

单片机：从FPGA读取图像预处理后的结果，完成图像处理，从存储ROM中读取误差补偿系数进行误差补偿；

存储器ROM：存储误差补偿系数。

在上述基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器中，光电组件中的掩膜板为“N”形五光缝玻璃板结构，玻璃板上具有五条光缝，中间三条为等间距的直缝，直缝两边各有一条斜缝，正中间的1条垂直缝S0与最外侧的两条倾斜光缝S1、S2呈大写的“N”形分布，两条倾斜光缝S1、S2与中间的垂直缝S0间的夹角为γ，S0与APS图像传感器的排列方向正交，在正中间的光缝S0两侧等间距布有与其平行的两条辅助光缝S0L、S0R，用于中间光缝S0的识别，掩膜板位于APS图像传感器上方的平面内；其中γ的角度取值范围为30°～60°。

在上述基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器中，FPGA包括图像采集模块、图像预处理模块、双口RAM、单片机接口模块、时钟分频模块、全局时钟和复位时钟管理模块，其中：

图像采集模块：产生APS图像传感器工作时序和A/D工作时序，采集A/D转换器输出图像灰度值v_i，i＝1～2048，将图像灰度值v_i输出给图像预处理模块；同时从时钟分频模块接收分频后的时钟信号；

图像预处理模块：接收图像采集模块输出的图像灰度值v_i，提取图像中的有效太阳光斑信息，具体方法如下：

(1)、对每个像元图像进行去背景处理，公式如下：

v′_i＝v_i-v_bk，

其中：v′_i为第i个像元经去背景处理后的输出值，v_i为第i个像元灰度值，v_bk为去背景阈值；

(2)、利用如下公式得到每个亮斑的质量矩因子XA和每个亮斑的灰度和GA；

$\mathrm{XA}=\underset{i=m}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\×v_i^{,}$

$\mathrm{GA}=\underset{i=m}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i^{,}$

其中：

i为像元序号，m为光斑的起始像元，n为光斑的终止像元；

(3)、将运算结果存储到双口RAM模块，重复步骤(1)～(3)，直至处理完成一幅图像中所有的太阳亮斑信息；

双口RAM：包括质量矩因子XA_RAM、每个亮斑的灰度和GA_RAM以及预处理结果输出OUT_RAM，其中将每个亮斑的所有像元利用乘法器实现的i×v'_i运算结果存储到XA_RAM中，将每个亮斑的所有像元对应的灰度值v′_i存储到GA_RAM中，将每个亮斑的质量矩因子XA和每个亮斑的灰度和GA存储到OUT_RAM中；

单片机接口模块：连接单片机与双口RAM中的OUT_RAM，接收单片机输出的读写信号和地址信号，由单片机从OUT_RAM中读取运算结果；

复位和时钟管理模块：接收外部输入的复位信号，实现复位信号的同步释放，接收外部输入的时钟信号，将时钟信号接入FPGA的全局时钟；

全局时钟：FPGA内部高速信号走线网络，从复位和时钟管理模块接收外部输入的时钟信号，并将所述时钟信号输出给时钟分频模块；

时钟分频模块：对外部输入的时钟信号进行分频处理，分频后的时钟信号输出给图像采集模块。

在上述基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器中，单片机包括图像处理模块和误差补偿模块，其中图像处理模块用于计算太阳光矢量的两轴姿态角α和β，误差补偿模块用于对太阳光线矢量的两轴姿态角α和β进行误差补偿。

在上述基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器中，图像处理模块用于计算太阳光矢量的两轴姿态角α和β的具体方法如下：

(1)、建立直角坐标系OXYZ，其中坐标原点O在线阵APS图像传感器中像元总长度的1/2处；X轴与APS光敏单元排列线重合，由零像元指向最大像元处；Y轴在线阵APS的光敏面内，Z轴通过右手法则定义；入射光矢量在YOZ面上的投影与Z轴之间的夹角为β；入射光在XOZ面上的投影与Z轴之间的夹角为α；

(2)、利用如下公式计算中央直缝S0的质心坐标，及斜缝S1或S2的质心坐标：

$x_0=b\·\frac{\mathrm{XA}}{\mathrm{GA}}=b\·\frac{\underset{i=m}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\·v_i^{\′}}{\underset{i=m}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i^{\′}}$

其中：

x₀为质心坐标；

b为线阵APS图像传感器相邻两个像元的中心距离；

(3)、计算太阳光线矢量的两轴姿态角β

$\mathrm{tg\β}=\frac{{\mathrm{\Δx}}_1-\mathrm{\Δx}}{\mathrm{htg\γ}}$

或

$\mathrm{tg\β}=\frac{\mathrm{\Δx}-{\mathrm{\Δx}}_2}{\mathrm{htg\γ}}$

其中：

Δx₁为斜缝S1的光斑位置与斜缝S1在零位时的光斑位置之差；

Δx₂为斜缝S2的光斑位置与斜缝S2在零位时的光斑位置之差；

Δx为中央直缝S0的光斑位置与中央直缝S0在零位时的光斑位置x₀之差；

γ为两条倾斜光缝S1、S2与中间垂直缝S0间的夹角；h为光缝玻璃下表面与APS图像传感器器件封装玻璃上表面之间的距离；

(4)、计算太阳光线矢量的两轴姿态角α

$\tan \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δx}}{h}.$

在上述基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器中，误差补偿模块用于对太阳光线矢量的两轴姿态角α和β进行误差补偿的具体方法如下：

(1)、分别建立α角和β角在视场范围内的二维误差补偿系数表，并将二维误差补偿系数表存储在存储器ROM中，其中建立二维误差补偿系数表的方法如下：

(a)、在线阵APS太阳敏感器的视场范围内，给出一组固定角度间隔的太阳光矢量的两轴姿态角真实值α_真实和β_真实，其中固定角度间隔为K，再根据步骤(一)中的计算方法计算出一组相应的姿态角α_实测和β_实测，得到姿态角的误差值α_误差＝α_真实-α_实测和β_误差＝β_真实-β_实测；分别对α_误差和β_误差进行曲线拟合得到拟合曲线的补偿系数值，如下公式所示：

α_补＝A0+A1×α⁷+A2×α⁶+A3×α⁵+A4×α⁴+A5×α³+A6×α²+A7×α；    (1)

β_补＝B0+B1×β⁷+B2×β⁶+B3×β⁵+B4×β⁴+B5×β³+B6×β²+B7×β；    (2)

其中A0、A1……A7；B0、B1……B7为拟合曲线上的多项式系数，即补偿系数值；α、β为拟合曲线上的自变量；

(b)、根据所述补偿系数值建立α角和β角在线阵APS太阳敏感器的视场范围内的二维误差补偿系数表，具体方法为：在线阵APS太阳敏感器的视场范围内，以固定角度间隔K变化的每一个两轴姿态角β_真实对应α_真实的一组误差补偿系数，从而得到α的误差补偿系数表；以固定角度间隔K变化的每一个两轴姿态角α_真实对应β_真实的一组误差补偿系数，从而得到β的误差补偿系数表；

(2)、利用实测的β_实测查找α的误差补偿系数表，找到β_实测对应的一组误差补偿系数A0、A1……A7，利用公式(1)求出误差补偿值α_补，对α_实测进行补偿，得到补偿后的α_补+实测，即α_补+实测＝α_补+α_实测，α_补+实测为输出太阳光线矢量α轴角度；

(3)、利用补偿后的α_补+实测查找β的误差补偿系数表，找到α_补+实测对应的一组误差补偿系数B0、B1……B7，利用公式(2)求出β的误差补偿值β_补，对β_实测进行补偿，得到补偿后的β_补+实测，即β_补+实测＝β_补+β_实测，β_补+实测为输出太阳光线矢量β轴角度。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明对双轴太阳敏感器进行了创新设计，该太阳敏感期包括光电组件、图像采集与预处理单元、图像处理和误差补偿单元，其中光电组件包括掩膜板和APS图像传感器，图像采集与预处理单元包括视频放大器、A/D转换器和FPGA，图像处理和误差补偿单元包括单片机和存储器ROM，该太阳敏感期具有精度高、体积小、重量轻、一体化、更新率高、接口方便等优点，并能使APS太阳敏感器在±64°×±64°视场范围的两轴角度测角精度从0.08°提升至0.03°；

(2)、本发明太阳敏感器采用FPGA进行图像采集和图像预处理，采用单片机进行图像处理和误差补偿，在采集图像时将图像数据处理完成，大大节省了图像存储空间，且FPGA和单片机并行流水工作，产品更新率达到30Hz以上；

(3)、本发明太阳敏感器采用具有5条光缝的特殊结构的掩膜板，利用一个线阵图像传感器可以输出两个太阳轴角度，同时具有太阳亮斑的识别功能；

(4)、本发明太阳敏感器在求出两轴角度后，对两轴角度值进行多项式拟合补偿后，实现了在APS太阳敏感器在±64°×±64°视场范围的两轴角度测角精度从0.08°提升至0.03°，大大提高了测角精度。

附图说明

图1为本发明小型双轴太阳敏感器结构原理框图；

图2为本发明“N”形五光缝线阵APS太阳敏感器光学组件结构示意图；

图3为本发明β角测量原理示意图；

图4为本发明α角测量原理示意图；

图5本发明的5条光缝的掩膜板示意图；

图6本发明的掩膜板尺寸d的示意图；

图7本发明的FPGA结构原理框图；

图8本发明的误差补偿流程图；

图9本发明的电气原理图。

具体实施方式

下面集合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明小型双轴太阳敏感器结构原理框图，由图可知本发明小型双轴太阳敏感器，包括光电组件、图像采集与预处理单元、图像处理和误差补偿单元，其中光电组件包括掩膜板和APS图像传感器，图像采集与预处理单元包括视频放大器、A/D转换器和FPGA，图像处理和误差补偿单元包括单片机和存储器ROM，由图可知各模块功能如下：

掩膜板将太阳光线投影到APS图像传感器，产生具有双轴太阳角信息的光信号。APS图像传感器接收FPGA输出的APS图像传感器工作时序，将所述具有双轴太阳角信息的光信号转化为电信号，并将所述电信号发送给视频放大器。视频放大器接收APS图像传感器输出的电信号进行滤波和信号放大，并输出给A/D转换器。A/D转换器接收FPGA输出的A/D转换器工作时序，将视频放大器输出的模拟信号转换为数字信号，供FPGA采集。

FPGA将APS图像传感器工作时序输出给APS图像传感器，将A/D转换器工作时序输出给A/D转换器，采集A/D转换器输出数字图像信号，进行图像预处理，并将预处理的结果供单片机读取。单片机从FPGA读取图像预处理后的结果，完成图像处理，从存储ROM中读取误差补偿系数进行误差补偿。存储器ROM用于存储误差补偿系数。

如图2所示为本发明“N”形五光缝线阵APS太阳敏感器光学组件结构示意图，基本结构为相距h且互相平行的两个平面，处在上方的平面是“N”形5光缝(S1,S0L,S0,S0R,S2)所决定的平面，处在下方的平面是APS图像传感器感光面决定的平面。如图5所示为本发明的5条光缝的掩膜板示意图，光电组件中的掩膜板为“N”形五光缝玻璃板结构，玻璃板上具有五条光缝，中间三条为等间距的直缝，直缝两边各有一条斜缝，正中间的1条垂直缝S0与最外侧的两条倾斜光缝S1、S2呈大写的“N”形分布，两条倾斜光缝S1、S2与中间的垂直缝S0间的夹角为γ，S0与APS图像传感器的排列方向正交，在正中间的光缝S0两侧等间距布有与其平行的两条辅助光缝S0L、S0R，用于中间光缝S0的识别，掩膜板位于APS图像传感器上方的平面内；其中γ的角度取值范围为30°～60°，通常为简化计算一般取值为45°。

如图7所示为本发明的FPGA结构原理框图，由图可知本发明FPGA包括图像采集模块、图像预处理模块、双口RAM、单片机接口模块、时钟分频模块、全局时钟和复位时钟管理模块，各个模块的功能如下：

图像采集模块产生APS图像传感器工作时序和A/D工作时序，采集A/D转换器输出图像灰度值v_i，i＝1～2048，将图像灰度值v_i输出给图像预处理模块；同时从时钟分频模块接收分频后的时钟信号。

图像预处理模块接收图像采集模块输出的图像灰度值v_i，提取图像中的有效太阳光斑信息，具体方法如下：

(1)、对每个像元图像进行去背景处理，公式如下：

v′_i＝v_i-v_bk，

其中：v′_i为第i个像元经去背景处理后的输出值，v_i为第i个像元灰度值，v_bk为去背景阈值；

(2)、利用如下公式得到每个亮斑的质量矩因子XA和每个亮斑的灰度和GA；

$\mathrm{XA}=\underset{i=m}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\×v_i^{,}$

$\mathrm{GA}=\underset{i=m}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i^{,}$

其中：i为像元序号，m为光斑的起始像元，n为光斑的终止像元；

(3)、将运算结果存储到双口RAM模块，重复步骤(1)～(3)，直至处理完成一幅图像中所有的太阳亮斑信息。

双口RAM包括质量矩因子XA_RAM、每个亮斑的灰度和GA_RAM以及预处理结果输出OUT_RAM，其中将每个亮斑的所有像元利用乘法器实现的i×v'_i运算结果存储到XA_RAM中，将每个亮斑的所有像元对应的灰度值v′_i存储到GA_RAM中，将每个亮斑的质量矩因子XA和每个亮斑的灰度和GA存储到OUT_RAM中；即将针对同一个亮斑的所有像元上述工作处理完成后实现累加运算得到XA和GA存储到OUT_RAM中。

单片机接口模块连接单片机与双口RAM中的OUT_RAM，接收单片机输出的读写信号和地址信号，由单片机从OUT_RAM中读取运算结果。

复位和时钟管理模块接收外部输入的复位信号，实现复位信号的同步释放，接收外部输入的时钟信号，将时钟信号接入FPGA的全局时钟。

全局时钟FPGA内部高速信号走线网络，从复位和时钟管理模块接收外部输入的时钟信号，并将所述时钟信号输出给时钟分频模块。

时钟分频模块对外部输入的时钟信号进行分频处理，分频后的时钟信号输出给图像采集模块。

本发明单片机包括图像处理模块和误差补偿模块，其中图像处理模块用于计算太阳光矢量的两轴姿态角α和β，误差补偿模块用于对太阳光线矢量的两轴姿态角α和β进行误差补偿。

其中图像处理模块用于计算太阳光矢量的两轴姿态角α和β的具体方法如下：

(1)、建立直角坐标系OXYZ，其中坐标原点O在线阵APS图像传感器中像元总长度的1/2处；X轴与APS光敏单元排列线重合，由零像元指向最大像元处；Y轴在线阵APS的光敏面内，Z轴通过右手法则定义；入射光矢量在YOZ面上的投影与Z轴之间的夹角为β；入射光在XOZ面上的投影与Z轴之间的夹角为α。

如图2所示，适当设置h、γ以及光缝长度，使得当太阳光矢量在-64°≤α≤+64°、-64°≤β≤+64°视场范围内从上表面入射时，在APS图像传感器平面上至少由2条光斑与APS图像传感器相交。

(2)、利用如下公式计算中央直缝S0的质心坐标，及斜缝S1或S2的质心坐标：

$x_0=b\·\frac{\mathrm{XA}}{\mathrm{GA}}=b\·\frac{\underset{i=m}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i\·v_i^{\′}}{\underset{i=m}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i^{\′}}$

其中：

x₀为质心坐标；

b为线阵APS图像传感器相邻两个像元的中心距离；

i为像元序号，m为光斑的起始像元，n为光斑的终止像元；

v_i'为第i个像元经去背景处理后的输出值；

(3)、计算太阳光线矢量的两轴姿态角β

如图3所示为本发明β角测量原理示意图，设入射光矢量在YOZ面上的投影与Z轴之间的夹角为β，S0、S1和S2为0度角时N型光缝的位置，S1’、S2’和S3’为太阳光线入射角为β时N形光缝的位置，存在(ΔX₁-ΔX)或(ΔX₂-ΔX),使得：

$\mathrm{tg\β}=\frac{{\mathrm{\Δx}}_1-\mathrm{\Δx}}{\mathrm{htg\γ}}$

或

$\mathrm{tg\β}=\frac{\mathrm{\Δx}-{\mathrm{\Δx}}_2}{\mathrm{htg\γ}}$

其中：

Δx₁为斜缝S1的光斑位置与斜缝S1在零位时的光斑位置之差；

Δx₂为斜缝S2的光斑位置与斜缝S2在零位时的光斑位置之差；

Δx为中央直缝S0的光斑位置与中央直缝S0在零位时的光斑位置x₀之差；

γ为两条倾斜光缝S1、S2与中间垂直缝S0间的夹角；h为光缝玻璃下表面与APS图像传感器器件封装玻璃上表面之间的距离。

(4)、计算太阳光线矢量的两轴姿态角α

如图4所示为本发明α角测量原理示意图，设通过光缝S_O入射光矢量在XOZ面上的投影与Z轴之间的夹角为α。根据简单的三角关系和折射定律，得到公式(3)。

$\frac{\mathrm{\Δx}}{\tan \mathrm{\α}}-\frac{e}{\sqrt{(n^2-1){\tan }^2\mathrm{\α}+(n^2-1)+\cos \mathrm{\β}}}=h+t---\left(1\right)$

其中：

n为APS图像传感器器件封装玻璃的折射率；

e为APS图像传感器器件封装玻璃的厚度；

h为光缝玻璃下表面与APS图像传感器器件封装玻璃上表面之间的距离；

t为APS图像传感器器件封装玻璃下表面与APS图像传感器器件光敏面之间的距离；

不考虑APS图像传感器封装玻璃的折射带来的影响，将求解α角的公式(1)简化为公式(2)所示：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δx}}{h}---\left(2\right)$

之后误差补偿模块对太阳光线矢量的两轴姿态角α和β进行误差补偿，两轴角度的误差补偿采取对两角度值进行多次多项式拟合，互相迭代，如图8所示为本发明的误差补偿流程图，本发明误差补偿模块用于对太阳光线矢量的两轴姿态角α和β进行误差补偿的具体方法如下：

(1)、分别建立α角和β角在视场范围内的二维误差补偿系数表，建立方法为：

(a)、在线阵APS太阳敏感器的视场范围内，给出一组固定角度间隔的太阳光矢量的两轴姿态角真实值α_真实和β_真实，其中固定角度间隔为K，再根据步骤(一)中的计算方法计算出一组相应的姿态角α_实测和β_实测，得到姿态角的误差值α_误差＝α_真实-α_实测和β_误差＝β_真实-β_实测；分别对α_误差和β_误差进行曲线拟合得到拟合曲线的补偿系数值，如下公式所示：

α_补＝A0+A1×α⁷+A2×α⁶+A3×α⁵+A4×α⁴+A5×α³+A6×α²+A7×α；    (3)

β_补＝B0+B1×β⁷+B2×β⁶+B3×β⁵+B4×β⁴+B5×β³+B6×β²+B7×β；    (4)

其中A0、A1……A7；B0、B1……B7为拟合曲线上的多项式系数，即补偿系数值；α、β为拟合曲线上的自变量；

最终该系数表存储于存储器ROM中。

(b)、根据所述补偿系数值建立α角和β角在线阵APS太阳敏感器的视场范围内的二维误差补偿系数表，例如本实施例中具体方法为：在线阵APS太阳敏感器的视场范围内，β在[-64°，+64°]内，以固定角度间隔变化，每个角度对应α的一组误差补偿系数，从而得到α的误差补偿系数表；α在[-64°，+64°]内，以固定角度间隔变化，每个角度对应β的一组误差补偿系数，从而得到β的误差补偿系数表。

(2)、利用实测的β_实测查找α的误差补偿系数表，找到β_实测对应的一组误差补偿系数A0、A1……A7，利用公式(3)求出误差补偿值α_补，对α_实测进行补偿，得到补偿后的α_补+实测，即α_补+实测＝α_补+α_实测，α_补+实测为输出太阳光线矢量α轴角度；

(3)、利用补偿后的α_补+实测查找β的误差补偿系数表，找到α_补+实测对应的一组误差补偿系数B0、B1……B7，利用公式(4)求出β的误差补偿值β_补，对β_实测进行补偿，得到补偿后的β_补+实测，即β_补+实测＝β_补+β_实测，β_补+实测为输出太阳光线矢量β轴角度。

如图9所示为本发明的电气原理图，从图中知，U0为图像传感器，型号为FairChild公司的CMOS1421，U1为Actel公司的反熔丝型的FPGA，型号为A42MX36-CQ208B，U2为ATMEL公司的单片机，型号为SC80C32E-30SV，U3为电平参考芯片，为ADI公司器件，提供系统2.5V基准电平，U3_1和U3_2为两个视频放大器，型号为ADI公司的AD8041SQ，U4为LDO器件，实现图像传感器3.3V供电，U5为SRAM，型号为中科院微电子所的KW064RH，实现图像缓存和图像下传功能，U6为RS422接口发送器，型号为Intersil公司的HS-26C31RH-8，U7为RS422接口接收器，型号为Intersil公司的HS-26C32RH-8，U8为A/D转换器，型号为772所的B9243，为14位A/D转换器，U9和U9_1为单片机程序存储器，型号为Intersil公司的HS1-6664RH-8，容量为8KB，U10为看门狗芯片，型号为MAXIM公司的MAX813LMJA，U13为电平转换芯片，型号为ST公司RHFACS164245K01V，实现FPGA与图像传感器之间信号的电平转换，OSC1为钟振，型号为QTECH公司的M55310/26-B33A7M37280，提供系统7.3728MHz时钟，J1为地检接插件，型号为MK2A2-015-135-2900-EMI，J2为供电和通讯接插件，型号为MK2C2-015-235-2900-EMI。

如图6所示为本发明的掩膜板尺寸d的示意图，本发明所采用的掩膜板如图5和图6所示，本发明实施例中硅基片厚度为3mm，γ角度为45度，光缝S1,S0L,S0,S0R,S2光缝宽度为70um，光缝与APS图像传感器距离h为3.4mm，光缝长度L为14mm。辅助缝S1和S2之间的距离d为9.898mm。

本实施例中线阵APS太阳敏感器体积100mm×80mm×59.5mm，重量420g，视场140°×140°，精度小于0.03°(3σ),数据更新率大于10Hz，最高可达30Hz，具有精度高、体积小、重量轻、一体化、更新率高、接口方便等优点，实现了在APS太阳敏感器在±64°×±64°视场范围的两轴角度测角精度从0.08°提升至0.03°。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，其特征在于：包括光电组件、图像采集与预处理单元、图像处理和误差补偿单元，其中光电组件包括掩膜板和APS图像传感器，图像采集与预处理单元包括视频放大器、A/D转换器和FPGA，图像处理和误差补偿单元包括单片机和存储器ROM，其中： 

掩膜板：将太阳光线投影到APS图像传感器，产生具有双轴太阳角信息的光信号； 

APS图像传感器：接收FPGA输出的APS图像传感器工作时序，将所述具有双轴太阳角信息的光信号转化为电信号，并将所述电信号发送给视频放大器； 

视频放大器：接收APS图像传感器输出的电信号进行滤波和信号放大，并输出给A/D转换器； 

A/D转换器：接收FPGA输出的A/D转换器工作时序，将视频放大器输出的模拟信号转换为数字信号，供FPGA采集； 

FPGA：将APS图像传感器工作时序输出给APS图像传感器，将A/D转换器工作时序输出给A/D转换器，采集A/D转换器输出数字图像信号，进行图像预处理，并将预处理的结果供单片机读取； 

单片机：从FPGA读取图像预处理后的结果，完成图像处理，从存储ROM中读取误差补偿系数进行误差补偿； 

存储器ROM：存储误差补偿系数。 

2.根据权利要求1所述的一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，其特征在于所述光电组件中的掩膜板为“N”形五光缝玻璃板结构，玻璃板上具有五条光缝，中间三条为等间距的直缝，直缝两边各有一条斜缝，正中间的1条垂直缝S0与最外侧的两条倾斜光缝S1、S2呈大写 的“N”形分布，两条倾斜光缝S1、S2与中间的垂直缝S0间的夹角为γ，S0与APS图像传感器的排列方向正交，在正中间的光缝S0两侧等间距布有与其平行的两条辅助光缝S0L、S0R，用于中间光缝S0的识别，掩膜板位于APS图像传感器上方的平面内；其中γ的角度取值范围为30°～60°。 

3.根据权利要求1或2所述的一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，其特征在于所述FPGA包括图像采集模块、图像预处理模块、双口RAM、单片机接口模块、时钟分频模块、全局时钟和复位时钟管理模块，其中： 

图像采集模块：产生APS图像传感器工作时序和A/D工作时序，采集A/D转换器输出图像灰度值v_i，i＝1～2048，将图像灰度值v_i输出给图像预处理模块；同时从时钟分频模块接收分频后的时钟信号； 

图像预处理模块：接收图像采集模块输出的图像灰度值v_i，提取图像中的有效太阳光斑信息，具体方法如下： 

(1)、对每个像元图像进行去背景处理，公式如下： 

v′_i＝v_i-v_bk， 

其中：v′_i为第i个像元经去背景处理后的输出值，v_i为第i个像元灰度值，v_bk为去背景阈值； 

(2)、利用如下公式得到每个亮斑的质量矩因子XA和每个亮斑的灰度和GA； 

其中： 

i为像元序号，m为光斑的起始像元，n为光斑的终止像元； 

(3)、将运算结果存储到双口RAM模块，重复步骤(1)～(3)，直至处理完成一幅图像中所有的太阳亮斑信息； 

双口RAM：包括质量矩因子XA_RAM、每个亮斑的灰度和GA_RAM以及预处理结果输出OUT_RAM，其中将每个亮斑的所有像元利用乘法器实现的i×v'_i运算结果存储到XA_RAM中，将每个亮斑的所有像元对应的灰度值v′_i存储到GA_RAM中，将每个亮斑的质量矩因子XA和每个亮斑的灰度和GA存储到OUT_RAM中； 

单片机接口模块：连接单片机与双口RAM中的OUT_RAM，接收单片机输出的读写信号和地址信号，由单片机从OUT_RAM中读取运算结果； 

复位和时钟管理模块：接收外部输入的复位信号，实现复位信号的同步释放，接收外部输入的时钟信号，将时钟信号接入FPGA的全局时钟； 

全局时钟：FPGA内部高速信号走线网络，从复位和时钟管理模块接收外部输入的时钟信号，并将所述时钟信号输出给时钟分频模块； 

时钟分频模块：对外部输入的时钟信号进行分频处理，分频后的时钟信号输出给图像采集模块。 

4.根据权利要求1或2所述的一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，其特征在于：所述单片机包括图像处理模块和误差补偿模块，其中图像处理模块用于计算太阳光矢量的两轴姿态角α和β，误差补偿模块用于对太阳光线矢量的两轴姿态角α和β进行误差补偿。 

5.根据权利要求4所述的一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，其特征在于：所述图像处理模块用于计算太阳光矢量的两轴姿态角α和β的具体方法如下： 

(1)、建立直角坐标系OXYZ，其中坐标原点O在线阵APS图像传感器中像元总长度的1/2处；X轴与APS光敏单元排列线重合，由零像元指向最大像元处；Y轴在线阵APS的光敏面内，Z轴通过右手法则定义；入射光矢量在YOZ面上的投影与Z轴之间的夹角为β；入射光在XOZ面上的投影与Z轴之间的夹角为α； 

(2)、利用如下公式计算中央直缝S0的质心坐标，及斜缝S1或S2的 质心坐标： 

其中： 

x₀为质心坐标； 

b为线阵APS图像传感器相邻两个像元的中心距离； 

(3)、计算太阳光线矢量的两轴姿态角β 

或 

其中： 

Δx₁为斜缝S1的光斑位置与斜缝S1在零位时的光斑位置之差； 

Δx₂为斜缝S2的光斑位置与斜缝S2在零位时的光斑位置之差； 

Δx为中央直缝S0的光斑位置与中央直缝S0在零位时的光斑位置x₀之差； 

γ为两条倾斜光缝S1、S2与中间垂直缝S0间的夹角；h为光缝玻璃下表面与APS图像传感器器件封装玻璃上表面之间的距离； 

(4)、计算太阳光线矢量的两轴姿态角α 

。

6.根据权利要求4所述的一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，其特征在于：所述误差补偿模块用于对太阳光线矢量的两轴姿态角α和β进行误差补偿的具体方法如下： 

(1)、分别建立α角和β角在视场范围内的二维误差补偿系数表，并将 二维误差补偿系数表存储在存储器ROM中，其中建立二维误差补偿系数表的方法如下： 

(a)、在线阵APS太阳敏感器的视场范围内，给出一组固定角度间隔的太阳光矢量的两轴姿态角真实值α_真实和β_真实，其中固定角度间隔为K，再根据步骤(一)中的计算方法计算出一组相应的姿态角α_实测和β_实测，得到姿态角的误差值α_误差＝α_真实-α_实测和β_误差＝β_真实-β_实测；分别对α_误差和β_误差进行曲线拟合得到拟合曲线的补偿系数值，如下公式所示： 

α_补＝A0+A1×α⁷+A2×α⁶+A3×α⁵+A4×α⁴+A5×α³+A6×α²+A7×α；    (1) 

β_补＝B0+B1×β⁷+B2×β⁶+B3×β⁵+B4×β⁴+B5×β³+B6×β²+B7×β；    (2) 

其中A0、A1……A7；B0、B1……B7为拟合曲线上的多项式系数，即补偿系数值；α、β为拟合曲线上的自变量； 

(b)、根据所述补偿系数值建立α角和β角在线阵APS太阳敏感器的视场范围内的二维误差补偿系数表，具体方法为：在线阵APS太阳敏感器的视场范围内，以固定角度间隔K变化的每一个两轴姿态角β_真实对应α_真实的一组误差补偿系数，从而得到α的误差补偿系数表；以固定角度间隔K变化的每一个两轴姿态角α_真实对应β_真实的一组误差补偿系数，从而得到β的误差补偿系数表； 

(2)、利用实测的β_实测查找α的误差补偿系数表，找到β_实测对应的一组误差补偿系数A0、A1……A7，利用公式(1)求出误差补偿值α_补，对α_实测进行补偿，得到补偿后的α_补+实测，即α_补+实测＝α_补+α_实测，α_补+实测为输出太阳光线矢量α轴角度； 

(3)、利用补偿后的α_补+实测查找β的误差补偿系数表，找到α_补+实测对应的一组误差补偿系数B0、B1……B7，利用公式(2)求出β的误差补偿值β_补，对β_实测进行补偿，得到补偿后的β_补+实测，即β_补+实测＝β_补+β_实测，β_补+实测为输出太阳光线矢量β轴角度。