發(fā)布時(shí)間：2020-06-02 01:59

【摘要】：遙感是空間探測(cè)的核心,空間相機(jī)則是人類(lèi)開(kāi)啟的明亮而銳利的“太空之眼”。傳統(tǒng)的可見(jiàn)光空間相機(jī)通常為CCD相機(jī),CCD相機(jī)具有較高的成像質(zhì)量,但成像電路復(fù)雜,需配備驅(qū)動(dòng)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和讀出電路等,導(dǎo)致相機(jī)的體積和功耗較大、成本較高。近年來(lái)CMOS傳感器制造工藝提升,圖像處理算法愈發(fā)成熟,CMOS傳感器的成像質(zhì)量越來(lái)越高,CMOS相機(jī)逐漸應(yīng)用到空間探測(cè)領(lǐng)域。研究工作主要包括以下幾個(gè)方面:(1)總結(jié)了CMOS圖像傳感器的發(fā)展歷程、CMOS圖像傳感器的分類(lèi),比較CCD和CMOS傳感性能,給出了兩種探測(cè)器在各種指標(biāo)下性能的優(yōu)劣。分析了CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理,說(shuō)明了CMOS相機(jī)輕小優(yōu)勢(shì)及未來(lái)發(fā)展的前景。(2)完成了空間CMOS相機(jī)的總體設(shè)計(jì)。根據(jù)相機(jī)的電子學(xué)指標(biāo),選擇IA-G3圖像傳感器,設(shè)計(jì)了相機(jī)的成像譜段;根據(jù)成像條件,設(shè)計(jì)相機(jī)的F數(shù)和曝光時(shí)間;根據(jù)CMOS傳感器的時(shí)序特性,選擇CMOS+FPGA的電路架構(gòu),將相機(jī)設(shè)計(jì)為焦面電路、信號(hào)處理電路和接口電路的三板結(jié)構(gòu),并進(jìn)行電子元器件的選型。(3)完成了電路元器件選型工作,說(shuō)明了各個(gè)元器件的主要特點(diǎn)。完成了各電路板的設(shè)電路原理設(shè)計(jì),詳細(xì)說(shuō)明包括IA-G3、FPGA、SDRAM等的硬件設(shè)計(jì)原理。完成了電路的電路的靜電防護(hù)設(shè)計(jì)和降額設(shè)計(jì),得到了電路靜電防護(hù)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求的結(jié)論,電路滿(mǎn)足一級(jí)降額的條件。完成了高速PCB電路設(shè)計(jì),高速PCB的設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照阻抗匹配原理和布線約束,經(jīng)測(cè)試高速信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)良。(4)根據(jù)CMOS傳感器的時(shí)序特性、使用Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)電路的驅(qū)動(dòng)模塊,使相機(jī)根據(jù)指令成像。在相機(jī)正常成像的基礎(chǔ)上編寫(xiě)了自動(dòng)曝光算法和自動(dòng)白平衡算法,提升相機(jī)成像的畫(huà)質(zhì)。本文選擇IA-G3 CMOS傳感器設(shè)計(jì)了高速高畫(huà)質(zhì)的空間CMOS相機(jī)。采用FPGA+CMOS的架構(gòu),完成了焦面電路、信號(hào)處理電路和接口電路的三板的硬件電路設(shè)計(jì);完成了電路驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)曝光算法和自動(dòng)白平衡算法設(shè)計(jì),使相機(jī)高速率傳輸圖像的同時(shí)滿(mǎn)足高畫(huà)質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)合理可行、電路的穩(wěn)定性較高、自動(dòng)曝光算法和自動(dòng)白平衡算法可靠,相機(jī)可以完成高速高畫(huà)質(zhì)成像任務(wù)。
【圖文】：

這是我國(guó)首次使用CMOS相機(jī)對(duì)衛(wèi)星的重要部位進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)獲得衛(wèi)星關(guān)鍵部位的信息，“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星CMOS相機(jī)拍攝的圖像見(jiàn)圖1-2。圖 1-2 “嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星 CMOS 相機(jī)拍攝的圖像Fig.1-2 Images taken by the "Chang'e two" satellite CMOS camera(2)星敏感器領(lǐng)域1980年之后，國(guó)內(nèi)開(kāi)始研究星敏感器技術(shù)，最初星敏感器主要采用CCD傳感器，由于CMOS傳感器的性能提升，噪聲大幅度下降，，CMOS傳感器也逐漸應(yīng)用在星敏感器中[22-23]。北京控制工程研究所在衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制領(lǐng)域具有較多經(jīng)驗(yàn)，并在星敏感器理論方法，軟硬件設(shè)計(jì)方面有較高水平。產(chǎn)品研制方面都處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，其星敏感器產(chǎn)品已經(jīng)具有多年成功在軌運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[24]，某型號(hào)星敏感器產(chǎn)品見(jiàn)圖1-3。

某型號(hào)星敏感器實(shí)物Fig.1-3Atypeofstarsensor
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：V443.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2692430