CN114363541B - 一种用于立方体卫星的小型化cmos成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为解决立方体卫星遥感相机载荷的成像系统在小体积内受到功耗、传输速率等资源限制的问题，提出了一种用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统及方法。包括依次连接的焦平面组件、时序控制组件和二次电源组件；所述焦平面组件包括CMOS探测器和供电模块；所述时序控制组件包括FPGA控制模块和与FPGA控制模块连接的时序控制模块、图像处理模块以及大容量存储模块；所述时序控制组件与CMOS探测器相连；所述图像处理模块对接收的高、低增益的数字图像进行自动曝光和图像压缩；所述大容量存储模块将经过处理后的图像数据存储；所述二次电源组件用于立方体卫星上一次电源到成像系统二次电源的转换。
Description
技术领域
本发明属于空间光学系统技术领域，尤其涉及一种用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统及方法。
背景技术
随着航天研究的不断深入，针对低轨道的空间探测任务以及对地观测任务需求日益增多，传统卫星存在成本高、研发周期长等不足，立方体卫星正是针对此类低轨道空间任务而研制的一种具备多载荷适配性的低成本航天器平台。立方体卫星始于1999年美国加州理工学院和斯坦福大学的一项科学研究，斯坦福大学提出了立方体卫星的概念，并规定质量1Kg，结构尺寸10cm*10cm*10cm的立方体为“1U”单元，使得立方体卫星成为微纳卫星的通用标准。
目前，立方体卫星是航天领域的一种新的形式，具有成本低、功能灵活等特点。与传统卫星平台相比，立方体卫星的体积、功耗、传输信道等星上资源都会有所限制。因此，研究新的遥感相机载荷的成像系统满足立方体卫星功能需求，同时满足其体积、功耗、传输速率等资源的限制是必要的。
发明内容
本发明的发明目的是解决立方体卫星遥感相机载荷的成像系统在小体积内受到功耗、传输速率等资源限制的问题，而提出了一种用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统及方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统，其特殊之处在于：包括的焦平面组件、时序控制组件和二次电源组件；
所述焦平面组件包括CMOS探测器和供电模块，供电模块连接CMOS探测器，为CMOS探测器提供正常工作所需电压；
所述时序控制组件包括FPGA控制模块和与FPGA控制模块连接的时序控制模块、图像处理模块，以及大容量存储模块；所述FPGA控制模块与CMOS探测器连接，用于接收CMOS探测器输出的高、低增益的数字图像，解码后传输至图像处理模块；
所述时序控制模块用于接收FPGA控制模块产生的时序逻辑，并将其转换为CMOS探测器正常工作所需的时序信号；所述图像处理模块用于对接收的高、低增益的数字图像进行自动曝光和图像压缩处理；
所述大容量存储模块与图像处理模块连接，将经过处理后的数字图像存储；
所述二次电源组件用于立方体卫星上一次电源到成像系统二次电源的转换，输出端连接焦平面组件和时序控制组件。
进一步地，所述时序控制组件还包括通讯模块，用于与立方体卫星的星务计算机的通讯，接收指令，并将执行状态返回。
进一步地，所述CMOS探测器采用Fairchild公司的CIS2521F探测器，可以高、低增益同时输出，能够获取噪声低、动态范围宽的数字图像。
进一步地，所述大容量存储模块为双冗余备份且可以数据回放，采用基于FLASH的存储器，保证掉电的情况数据不丢失。
进一步地，所述大容量存储模块采用ATP公司的工业级MicroSD，具有体积小、容量大的优点。
进一步地，所述FPGA控制模块中设置有DDRII缓存模块，其中FPGA采用Spartan-6系列XC6SLX75T，DDRII缓存模块采用IS46DR16640B。
进一步地，所述供电模块采用线性稳压单元，TI公司的TPS7A92电源，具有体积小、噪声低的特点。
进一步地，所述焦平面组件集成在PCB1上，所述时序控制组件和二次电源组件集成在PCB2上；PCB1和PCB2之间采用柔性连接，可弯曲90度；
PCB1的尺寸为80mm x 80mm；
PCB2的尺寸为84mm x 80mm；
所述PCB1与PCB2柔性连接后的包络为96mm x 90mm x90mm。
本发明还提供了一种用于立方体卫星的小型化CMOS成像方法，基于上述用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)获取目标的数字图像信号
系统供电后，时序控制模块产生时序信号，通过SPI接口输出给CMOS探测器，完成探测器内部寄存器设置；
CMOS探测器开始成像，获取目标的数字图像并传输至FPGA控制模块；
2)数字图像处理并缓存
FPGA控制模块接收高、低增益的数字图像，解码后传输到图像处理模块；图像处理模块对接收的数字图像进行自动曝光，将有效的数字图像缓存至FPGA控制模块的DDR II缓存模块中，再根据要求对有效的数字图像进行压缩处理；
3)数字图像传输
经过处理后的数字图像存储至大容量存储模块中，等待星务计算机发出开始传输指令或停止传输指令；
接收到开始传输指令后，大容量存储模块通过通讯模块向星务计算机发送数字图像；接收到停止传输指令后，停止发送数字图像。
进一步地，所述自动曝光具体为利用CMOS图像传感器进行测光，通过求亮度均值，并利用实时的太阳高度角信息，实现自动曝光。
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明是一种用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统，其采用的CMOS探测器具有高、低增益输出方式，能够满足立方体卫星遥感相机载荷的成像的不同应用需求。
2、本发明的小型化CMOS成像系统采用的大容量存储模块具有体积小，容量大，掉电数据不丢失的特点，解决了大规模图像数据的存储问题。同时大容量存储模块还具备数据回放功能。
3、本发明的小型化CMOS成像系统采用柔性电路板设计(FPC)，成像系统包络尺寸＜1U(10cm x 10cm x 10cm)，使得立方体卫星遥感相机载荷在小的体积内满足了立方体卫星的功耗、传输速率等资源的限制的要求。
4、本发明公开的基于立方体卫星的小型化CMOS成像系统的成像方法，系统采用的CMOS探测器，利用其中的CMOS图像传感器进行测光，通过求亮度均值，并利用实时的太阳高度角信息，实现自动曝光；该成像方法调节速度快，画面稳定，硬件资源占用少。
附图说明
图1是本发明用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统实施例的结构示意图。
图2是本发明用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统实施例的PCB示意图。
图3是本发明用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统实施例的软件功能示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统及方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
1、系统设计
本发明用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统的结构示意图如图1所示，由3部分组成，分别是焦平面组件、时序控制组件和二次电源组件。
焦平面组件由CMOS探测器及其外围供电电路组成。根据应用需求，选择Fairchild公司的CIS2521F探测器，CIS2521F是一款高性能科学级的CMOS探测器，具有读出噪声低(RMS典型值为2e)、动态范围宽(大于80dB)等优点。另外，该款探测器可高、低增益同时输出，能够满足不同的应用需求。为了减少电源噪声对探测器输出的影响，其外围供电选用TI公司低噪声(典型值4.6uV)、高输出电流(2A)的线性稳压器TPS7A92。
二次电源组件立方体卫星上一次电源到成像系统二次电源的转换，输出端连接焦平面组件和时序控制组件。一次电源电压为+12V，经过缓启动、DC/DC转换为成像系统所需的+5V、+3.3V，一次电源采用继电器控制，由星务计算机控制成像系统的加断电。
时序控制组件是成像系统的控制核心，由FPGA及其外围电路(DDRII缓存、MircoSD存储模块)组成。综合考虑性能、体积、功耗等，FPGA选用Spartan-6系列XC6SLX75T。
时序控制组件具体包括时序控制模块、图像处理模块、大容量存储模块和通讯模块。下面对各个模块功能进行说明。
1)时序控制模块：与CMOS探测器相连，接收FPGA控制模块产生的时序逻辑并将其转换，产生CMOS探测器正常工作所需的18路驱动时序信号；
2)图像处理模块：对接收的高、低增益的数字图像进行自动曝光、图像压缩等处理；
3)大容量存储模块：按照约定数据格式将数字图像存储至MicroSD中，接收到指令后将数字图像输出，同时支持图像数据回放功能；
4)通讯模块：完成与星务计算机的通讯，接收指令并将执行状态返回。接收到开始传输指令后，大容量存储模块向星务计算机发送数字图像；反之，停止发送数字图像。
2、PCB设计
根据立方体卫星的应用需求，相机载荷在满足功能要求的前提下，外包络尺寸要小于1U(100mm x 100mm x 100mm)。针对此难点，成像系统采用柔性电路板设计(FPC)，如图2所示。
时序控制组件和二次电源组件放置在PCB1上，电路板尺寸为84mm x 80mm；焦平面组件放置在PCB2上，电路板尺寸为80mm x 80mm；PCB1和PCB2之间采用柔性连接，可弯曲90°；成像系统的最终包络为96mm x 90mm x90mm。
3、软件设计
如图3所示，根据功能需求，软件按功能划分为两部分：CMOS探测器控制软件和图像压缩、编码及LVDS总线传输控制软件。
1)CMOS探测器控制软件
CMOS控制软件，负责产生CMOS探测器的工作时序，接收图像数据，并根据图像数据的情况，形成相机自动曝光/增益调整的参数同时将图像数据进行缓存起来。
2)图像压缩、编码及SPI总线传输控制软件
图像压缩、编码及SPI总线传输控制软件内部分为图像压缩模块、大容量存储模块和SPI总线传输模块三部分。
图像压缩模块：将相机获取的图像数据压缩、编码，并按一定的传输格式发送给大容量存储模块；
大容量存储模块：实现存储器管理、坏块检查功能；接收压缩图像数据，并组包、存储、组帧及发送；具备单次数据回放功能。
SPI总线传输模块：系统供电后，时序控制模块产生时序信号，通过SPI接口输出给CMOS探测器，完成探测器内部寄存器设置；通过SPI接口将图像数据发送给星务计算机，再将数据发送给地面。SPI采用四线制，包括时钟信号、门控信号、数据主入从出和数据主出从入，其中相机为主设备，数传为从设备。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统，其特征在于：包括焦平面组件、时序控制组件和二次电源组件；
所述焦平面组件包括CMOS探测器和供电模块，供电模块连接CMOS探测器，为CMOS探测器提供正常工作所需电压；
所述时序控制组件包括FPGA控制模块和与FPGA控制模块连接的时序控制模块、图像处理模块，以及大容量存储模块；所述FPGA控制模块与CMOS探测器连接，用于接收CMOS探测器输出的高、低增益的数字图像，解码后传输至图像处理模块；
所述时序控制模块用于接收FPGA控制模块产生的时序逻辑，并将其转换为CMOS探测器正常工作所需的时序信号；
所述图像处理模块用于对接收的高、低增益的数字图像进行自动曝光和图像压缩处理；
所述大容量存储模块与图像处理模块连接，将经过处理后的数字图像进行存储；
所述二次电源组件用于立方体卫星上一次电源到成像系统二次电源的转换，输出端连接焦平面组件和时序控制组件；
所述CMOS探测器采用Fairchild公司的CIS2521F探测器，可以高、低增益同时输出，能够获取噪声低、动态范围宽的数字图像；
所述焦平面组件集成在PCB1上，所述时序控制组件和二次电源组件集成在PCB2上；PCB1和PCB2之间采用柔性连接，可弯曲90度；
PCB1的尺寸为80mm x 80mm；
PCB2的尺寸为84mm x 80mm；
所述PCB1与PCB2柔性连接后的包络为96mm x 90mm x90mm。
2.根据权利要求1所述的用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统，其特征在于：
所述时序控制组件还包括通讯模块，用于与立方体卫星的星务计算机的通讯，接收指令，并将执行状态返回。
3.根据权利要求2所述的用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统，其特征在于：
所述大容量存储模块为双冗余备份且可以数据回放，采用基于FLASH的存储器。
4.根据权利要求3所述的用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统，其特征在于：
所述大容量存储模块采用ATP公司的MicroSD。
5.根据权利要求4所述的用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统，其特征在于：
所述FPGA控制模块中设置有DDRII缓存模块，其中FPGA采用Spartan-6系列XC6SLX75T，DDRII缓存模块采用IS46DR16640B。
6.根据权利要求5所述的用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统，其特征在于：
所述供电模块采用线性稳压单元，TI公司的TPS7A92电源。
7.一种用于立方体卫星的小型化CMOS成像方法，基于权利要求1-6任一所述的用于立方体卫星的小型化CMOS成像系统，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取目标的数字图像信号
系统供电后，时序控制模块产生时序信号，通过SPI接口输出给CMOS探测器，完成探测器内部寄存器设置；
CMOS探测器开始成像，获取目标的数字图像并传输至FPGA控制模块；
2)数字图像处理并缓存
FPGA控制模块接收高、低增益的数字图像，解码后传输到图像处理模块；图像处理模块对接收的数字图像进行自动曝光，将有效的数字图像缓存至FPGA控制模块的DDRII缓存模块中，再根据要求对有效的数字图像进行压缩处理；
3)数字图像传输
经过压缩处理后的数字图像存储至大容量存储模块中，等待星务计算机发出开始传输指令或停止传输指令；
接收到开始传输指令后，大容量存储模块通过通讯模块向星务计算机发送数字图像；接收到停止传输指令后，停止发送数字图像。
8.根据权利要求7所述的用于立方体卫星的小型化CMOS成像方法，其特征在于：
所述自动曝光具体为利用CMOS图像传感器进行测光，通过求亮度均值，并利用实时的太阳高度角信息，实现自动曝光。
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