CN107687848A - 太阳敏感器及信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳敏感器及信号处理方法，太阳敏感器包括：光学镜头、探测器、信号处理模块，其中，所述光学镜头用于将太阳光聚焦到所述探测器焦平面上成像；所述探测器位于所述光学镜头的下方，所述探测器用于对所述光学镜头引入的光线进行探测，以利用像素反转效应产生黑太阳图像；信号处理模块，所述信号处理模块与所述探测器相连，用于根据黑太阳图像计算两轴太阳角，并将所述两轴太阳角信息发送至上位机。本发明相比于孔缝式太阳敏感器可以达到更高的精度，大大简化了光学系统设计，并且得到的黑太阳图像对比度高且抗噪能力强也能使得信号处理模块中的算法的复杂度达到极大降低，可广泛用于高精度姿态测量。

Description

太阳敏感器及信号处理方法
技术领域
本发明涉及航天技术领域，特别涉及一种太阳敏感器及信号处理方法。
背景技术
太阳敏感器是航天器上的重要器件，主要用来测量太阳光线相对于太阳敏感器的入射角，用于航天器上姿态测量及控制，现在已经广泛应用于航天领域，包括地球卫星，航天飞机和深空探测器等。相对星敏感器，地球敏感器等其他姿态敏感器而言，太阳敏感器具有单机结构简单，造价低等诸多优点，此外，由于太阳的亮度高，太阳敏感器的定位处理几乎不受其他天体的干扰，所以太阳敏感器几乎成为了航天器上不可或缺的器件。近年来，随着航天任务的要求，对航天器相对于太阳的姿态测量精度和可靠性方面提出了更高的要求。
目前太阳敏感器大部分都采用电荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)或互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)作为感光探测器，大大提高了测量精度，但是在光学系统设计上目前大部分太阳敏感器均采用小孔成像原理来工作，以光孔或光缝的光线引入器来进行光线引入，这其中最主要的一个问题是光线经过太阳敏感器上设计精密的小孔或狭缝会产生较严重的衍射，导致精度受到影响，同时精度还会受到光线引入器光孔或狭缝设计以及算法处理的影响，小孔图案设计的复杂也会增加加工工艺的难度以及算法处理的复杂程度。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种太阳敏感器。该太阳敏感器采用光学镜头和探测器组合，采用反转成像原理，得到的黑太阳图像，相比于孔缝式太阳敏感器可以达到更高的精度，大大简化了光学系统设计，并且得到的黑太阳图像对比度高且抗噪能力强也能使得信号处理模块中的算法的复杂度达到极大降低，可广泛用于高精度姿态测量。
本发明的另一个目的在于提出一种太阳敏感器的信号处理方法。
为了实现上述目的，本发明的一方面公开了一种太阳敏感器，包括：光学镜头、探测器、信号处理模块，其中，所述光学镜头用于将太阳光聚焦到所述探测器焦平面上成像；所述探测器位于所述光学镜头的下方，所述探测器用于对所述光学镜头引入的光线进行探测，以利用像素反转效应产生黑太阳图像；信号处理模块，所述信号处理模块与所述探测器相连，用于根据黑太阳图像计算两轴太阳角，并将所述两轴太阳角信息发送至上位机。
根据本发明的太阳敏感器，采用光学镜头和探测器组合，采用反转成像原理，得到的黑太阳图像，相比于孔缝式太阳敏感器可以达到更高的精度，大大简化了光学系统设计，并且得到的黑太阳图像对比度高且抗噪能力强也能使得信号处理模块中的算法的复杂度达到极大降低，可广泛用于高精度姿态测量。
另外，根据本发明上述实施例的太阳敏感器还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述黑太阳图像为：太阳图像部分呈现低灰度值，背景部分呈现高灰度值。
进一步地，所述探测器具体用于根据所述探测器的内部读出电路采用的相关双采样技术，在太阳强光入射下产生像素反转效应，并在探测器的焦平面上生成黑太阳图像。
进一步地，还包括：机械壳体，所述光学镜头、探测器、信号处理模块都位于所述机械壳体内，用于固定并保护所述光学镜头、探测器、信号处理模块。
进一步地，所述信号处理模块包括：数据处理子模块，用于对所述黑太阳图像进行处理，计算得出两轴太阳角信息；通信子模块，用于将所述两轴太阳角信息传输给上位机。
本发明的另一方面公开了一种信号处理方法，其中，所述信号处理方法是根据上述任一项实施例所述的太阳敏感器的信号处理方法，包括：对黑太阳图像进行灰度反转，形成图像P1；将所述图像P1中太阳所在范围内的所有像素点最低灰度值作为阈值，并将图像中灰度值小于阈值的像素点的像素值设为0，反之，设置为1；进行区域连通，得到太阳所在像素的区域；根据所述太阳所在像素的区域，得到太阳成像质心位置；并根据所述质心位置，获取所述黑太阳图像的两轴太阳角。
根据本发明的信号处理方法，由太阳敏感器的光学镜头和探测器组合形成的反转成像法得到的黑太阳图像，可以依次通过灰度反转、二值化处理、区域连通得到太阳成像质心区域，从而可以得到两轴太阳角，这种计算算法大大降低了计算难度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的太阳敏感器的结构图；
图2是根据本发明一个实施例的高精度太阳敏感器原理图；
图3是根据本发明一个实施例的CMOS感光探测器上生成的黑太阳图像示意图；
图4是根据本发明一个实施例的高精度太阳敏感器的工作原理示意图；
图5是根据本发明一个实施例的信号处理方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述根据本发明实施例的太阳敏感器及信号处理方法。
图1是根据本发明一个实施例的太阳敏感器的结构图。
如图1所示，根据本发明一个实施例的太阳敏感器100，包括：光学镜头110、探测器120、信号处理模块130。
其中，光学镜头110用于将太阳光聚焦到探测器焦平面上成像，其中，探测器可以为感光探测器。探测器120位于光学镜头110的下方，探测器120用于对光学镜头110引入的光线进行探测，利用像素反转效应产生黑太阳图像。信号处理模块130与探测器120相连，用于根据黑太阳图像计算两轴太阳角，并将两轴太阳角信息发送至上位机200。
根据本发明的太阳敏感器，采用光学镜头和探测器组合，采用反转成像原理，得到的黑太阳图像，相比于孔缝式太阳敏感器可以达到更高的精度，大大简化了光学系统设计，并且得到的黑太阳图像对比度高且抗噪能力强也能使得信号处理模块中的算法的复杂度达到极大降低，可广泛用于高精度姿态测量。
结合图3所示，探测器120可以为CMOS感光探测器，黑太阳图像可以为：太阳图像部分呈现低灰度值，背景部分呈现高灰度值。即，在太阳光线极其强烈的情况下,在图像上太阳光斑对应位置不是呈现高灰度值，而是呈现低灰度值，同时背景部分不是呈现低灰度值，而是呈现高灰度值，即视场中太阳光斑的部分在图像中暗，背景部分在图像中亮，对比度极高，且抗噪能力更强。
在一些实施例中，探测器120具体根据探测器的内部读出电路采用的相关双采样技术，在太阳强光入射下产生像素反转效应，并在探测器的焦平面上生成黑太阳图像。这样，既能得到黑太阳图像，同时又不会对探测器造成硬损伤，可以很好地应用在卫星上。
具体来说，探测器120的读出电路采用相关双采样技术(Correlated DoubleSample，CDS)，采集的像素输出电压Vout＝Vreset-Vsignal，在入射光线功率逐渐增强的过程中，探测器120的像元内光电二极管光敏面与像元外表层玻璃之间反射光会随之增强，影响周围像元，随着入射光功率增强，反射光作用增强，加上入射光光斑外延功率增长，饱和区域会扩展，直至全屏饱和；并且在入射光功率增强的过程中，光强最强区域会发生过饱和现象，产生像素反转效应，这是由于强光照射产生的过量光生载流子使得光电二极管电容上原来充满的电荷被快速释放，使得复位后的采样电压Vreset减小，光信号积分后的电压保持不变，经过相关双采样两次所得信号Vreset和Vsignal逐渐接近，导致输出电压Vout降低，输出像素反转，且光照停止后探测器120仍能正常工作。
在一些实施例中，还包括：机械壳体，光学镜头、探测器、信号处理模块都位于机械壳体内，用于固定并保护光学镜头、探测器、信号处理模块。
再结合图1所示，信号处理模块130包括：数据处理子模块131用于对所述黑太阳图像进行处理，计算得出两轴太阳角信息，通信子模块132用于将两轴太阳角信息传输给上位机200。
具体来说，探测器120生成的黑太阳图像，输出给信号处理模块130进行图像处理，得到黑太阳图像的两轴太阳角信息，并将其传输给上位机200以便观察和利用。
其中，结合图2所示，α和β分别代表两轴太阳角，具体来说，XOY表示镜头外表面所在平面，坐标原点与镜头中心重合，xoy表示探测器120焦平面所在平面，坐标原点与探测器120中心重合，上述两平面平行，Z轴由右手定则确定，f代表光学镜头焦距，θ代表太阳入射角，α和β分别代表两轴太阳角，其中，α为太阳入射光线OM在XOZ平面上投影分量与Z轴夹角，β为太阳入射光线OM在YOZ平面上投影分量与Z轴夹角，xt为太阳成像点中心M在ox方向上分量距离坐标原点o的距离，yt为太阳成像点中心M在oy方向分量上距离坐标原点o的距离，l为太阳成像点中心M离坐标原点o的距离。
作为一个示例，结合图4所示，本发明实施例的太阳敏感器的工作原理为：太阳入射光线到达太阳敏感器光学系统，通过光学镜头110在探测器120上汇聚成像，探测器120上得到的黑太阳图像输出到电子学系统，由其中的数据处理子模块131进行计算得到两轴太阳角信息，通信子模块132将两轴太阳角信息通过422接口输出给上位机200。
在一些实施例中，太阳敏感器的电子学系统采用FPGA(Field Programmable GateArray，元件可编程逻辑闸阵列)来实现，使用FPGA进行控制，具体数据处理及通讯功能，与上位机200通信的接口为422接口，在本发明实施例中采用Camera link来传输图像数据。
另外，根据本发明实施例的太阳敏感器的其它构成以及作用对于本领域的普通技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
图5是根据本发明一个实施例的信号处理方法的流程图。
结合图5所示，其中，信号处理方法是根据上述任一项实施例所述的太阳敏感器的处理方法，由探测器120输出的探测器敏感单元的图像信息为1024行X1280列像素数据，以便数据处理模块计算出成像点质心位置。在太阳敏感器可以预先设计好确定了焦距f后，根据得到的图像给出的位置信息，即可计算得到太阳成像点中心分量xt和yt，进而求得两轴太阳角。具体经过以下步骤处理得到两轴太阳角，包括：
S210：对黑太阳图像进行灰度反转，形成图像P1。
具体来说，对所获取的图像按照以下方式进行灰度反转：设灰度范围为(0,L)，则灰度反转的变换公式如下：
t(i,j)＝L-s(i,j)
其中s(i,j)代表第i行j列像素的原始灰度值，t(i,j)代表第i行j列像素变换后的灰度值。
作为一个示例，采集的图像为1280X1024，位深为8的图像，所以灰度范围为(0,28-1)，即为(0,255)，所以第i行j列像素灰度反转后的灰度值t(i,j)＝255-s(i,j)。
S220：将图像P1中太阳所在范围内的所有像素点最低灰度值作为阈值，并将图像中灰度值小于阈值的像素点的像素值设为0，反之，设置为1。
具体来说，步骤S220就是对S210所得图像进行二值化处理，将图像的所有像素点的像素值用0或1来表示。由于本发明的太阳敏感器基于强光反转成像原理，得到的黑太阳图像中太阳成像光斑区域与周围背景区分明显，所以根据在本发明的一个实施例，可以对采集到的图像分析，采用阈值105/256作为分割阈值。
S230：进行区域连通，得到太阳所在像素的区域。
具体来说，对步骤S220所得的二值化图像进行连通域确定，对连接在一起的区域进行标签化，找到太阳光斑所在像素的连通区域A。
S240：根据太阳所在像素的区域，得到太阳成像质心位置。
具体来说，对找到的连通区域A，用质心矩法，根据以下公式计算太阳成像点质心位置(xt,yt)：
其中，xij和yij分别代表连通区域内位于图像中第i行j列像素点的横纵坐标，tij代表成像点xij在图像P1中的灰度值。
S250：并根据所述质心位置，获取黑太阳图像的两轴太阳角。
具体来说，根据如下公式计算两轴太阳角αt，βt：
其中，f为太阳敏感器的焦距，(x0,y0)为太阳光线垂直于探测器120平面入射时在探测器120上成像点质心坐标，αt和βt为所求两轴太阳角。
需要说明的是，由于本发明的信号处理方法处理的是上述实施例所述的太阳敏感器的探测器120得到的黑太阳图像，所以，本发明实施例的信号处理方法提到的相关太阳敏感器的具体信息，请参见上述的太阳敏感器部分的描述，为了减少冗余，此处不做赘述。
根据本发明的信号处理方法，由太阳敏感器的光学镜头和探测器组合形成的反转成像法得到的黑太阳图像，可以依次通过灰度反转、二值化处理、区域连通得到太阳成像质心区域，从而可以得到两轴太阳角，这种计算算法大大降低了计算难度。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种太阳敏感器，其特征在于，包括：光学镜头、探测器、信号处理模块，其中，
所述光学镜头用于将太阳光聚焦到所述探测器焦平面上成像；
所述探测器位于所述光学镜头的下方，所述探测器用于对所述光学镜头引入的光线进行探测，以利用像素反转效应产生黑太阳图像；
信号处理模块，所述信号处理模块与所述探测器相连，用于根据黑太阳图像计算两轴太阳角，并将所述两轴太阳角信息发送至上位机。
2.根据权利要求1所述的太阳敏感器，其特征在于，所述黑太阳图像为：太阳图像部分呈现低灰度值，背景部分呈现高灰度值。
3.根据权利要求1所述的太阳敏感器，其特征在于，所述探测器具体用于根据所述探测器的内部读出电路采用的相关双采样技术，在太阳强光入射下产生像素反转效应，并在探测器的焦平面上生成黑太阳图像。
4.根据权利要求1所述的太阳敏感器，其特征在于，还包括：
机械壳体，所述光学镜头、探测器、信号处理模块都位于所述机械壳体内，用于固定并保护所述光学镜头、探测器、信号处理模块。
5.根据权利要求1所述的太阳敏感器，其特征在于，所述信号处理模块包括：
数据处理子模块，用于对所述黑太阳图像进行处理，计算得出两轴太阳角信息；
通信子模块，用于将所述两轴太阳角信息传输给上位机。
6.一种如权利要求1-5所述的太阳敏感器的信号处理方法，其特征在于，包括：
对黑太阳图像进行灰度反转，形成图像P1；
将所述图像P1中太阳所在范围内的所有像素点最低灰度值作为阈值，并将图像中灰度值小于阈值的像素点的像素值设为0，反之，设置为1；
进行区域连通，得到太阳所在像素的区域；
根据所述太阳所在像素的区域，得到太阳成像质心位置；
并根据所述质心位置，获取所述黑太阳图像的两轴太阳角。
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Application publication date: 20180213

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