納型衛(wèi)星是指質(zhì)量在1～10kg 之間的衛(wèi)星。與微型衛(wèi)星相比， 納型衛(wèi)星對(duì)遙感系統(tǒng)在質(zhì)量、體積、功耗等方面的要求更加苛刻。目前廣泛用于微型衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的電荷耦合器件CCD很難滿(mǎn)足納型衛(wèi)星的使用要求。CMOS圖像傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS 技術(shù)， 繼承了CMOS 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)， 如靜態(tài)功耗低、動(dòng)態(tài)功耗與工作頻率成比例、噪聲容限大、抗干擾能力強(qiáng)、特別適合于噪聲環(huán)境惡劣條件下工作、工作速度較快、只需要單一工作電源等。雖然 CMOS 器件的研究還未完全成熟， 如電離環(huán)境下暗電流稍大等問(wèn)題還沒(méi)有很好地解決，還不能完全取代CCD， 但不可否認(rèn)CMOS 器件將是未來(lái)遙感傳感器的發(fā)展方向。本文設(shè)計(jì)了一套納型衛(wèi)星CMOS 遙感系統(tǒng)， 并對(duì)其進(jìn)行了熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究。

　　1　納型衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1. 1　遙感系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　納星遙感系統(tǒng)如圖1 所示， 包括鏡頭、CMOS圖像傳感器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM 和微控制器5 部分。

　　圖1　納星遙感系統(tǒng)框圖

　　1. 2　光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1） 焦距設(shè)計(jì)

　　遙感相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的原理如圖2 所示。圖中用一個(gè)透鏡代表實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的透鏡組， 示意了視場(chǎng)中地面景物的最小可分辨單元在成像面上產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的點(diǎn)。對(duì)于衛(wèi)星遙感相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)， 因?yàn)槌上裎锞嗟扔谛l(wèi)星軌道高度h， 相對(duì)于焦距f 來(lái)說(shuō)可認(rèn)為是無(wú)窮遠(yuǎn)， 所以可認(rèn)為光線都是近軸的平行光。這些近軸平行光通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的透鏡組后， 匯聚在透鏡組的焦平面上。因此， 從透鏡組中心到焦點(diǎn)的距離， 焦距將大體上決定聚光系統(tǒng)的長(zhǎng)度， 而光學(xué)系統(tǒng)的理論分辨率則主要由光學(xué)孔徑D決定。

　　圖2 光學(xué)系統(tǒng)原理圖

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)中， 焦距通常是根據(jù)地面分辨率和圖像傳感器的大小通過(guò)下式來(lái)確定的：

　　式中： h為衛(wèi)星到地面的距離， rd為CMOS圖像傳感器探測(cè)面半徑， R為相機(jī)成像覆蓋半徑。

　　2） 光學(xué)孔徑設(shè)計(jì)

　　為保證成像器件探測(cè)面獲得足夠的曝光量， 根據(jù)遙感光學(xué)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的光圈數(shù)：

　　實(shí)際設(shè)計(jì)中， 一般取F≤4～5。

　　遙感相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)可近似為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)， 其最小分辨角， 即望遠(yuǎn)鏡分辨率， 可用剛好能分辨開(kāi)的兩物點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的張角θr 表示， 根據(jù)望遠(yuǎn)鏡分辨率和Rayleigh 衍射判據(jù)有如下計(jì)算式：

　　式中λ為中心波長(zhǎng)。光學(xué)系統(tǒng)在平坦地面上的理論分辨率為

　　式中θt為地物中心對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的張角。

　　設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮式（2） 和（4） 的結(jié)果， 選定的設(shè)計(jì)參數(shù)在保證遙感系統(tǒng)獲得足夠光照的情況下，要同時(shí)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)分辨率的要求。

　　1. 3　電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　考慮到星地相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度， 每幅圖像的曝光時(shí)間約為幾毫秒， 故設(shè)計(jì)中采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA ） 對(duì)CMOS 圖像傳感器進(jìn)行時(shí)序控制， 并將輸出的圖像數(shù)據(jù)保存到SRAM 中。當(dāng)需要傳輸圖像的時(shí)候， 由FPGA 將保存在SRAM 中的圖像數(shù)據(jù)讀出， 通過(guò)CAN總線傳至星上數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

　　1） 器件選型

　　CMOS 圖像傳感器按照像元電路可分為無(wú)源像素傳感器（PPS） 和有源像素傳感器（APS）。目前國(guó)際上能夠買(mǎi)到的分辨率達(dá)到106級(jí)以上的CMOS圖像傳感器并不多， 價(jià)格差異也很大， 設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)CMOS 圖像傳感器的光學(xué)要求和市場(chǎng)狀況綜合選型。為保證成像質(zhì)量， 納型衛(wèi)星上宜選用CMOS 有源像素傳感器。

　　FPGA根據(jù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)機(jī)理的不同， 可分為反熔絲型、EPROM或EEPROM型、Flash型、SRAM型等幾種。根據(jù)航天器件要求， FPGA 控制器件宜選擇反熔絲型FPGA 產(chǎn)品。選擇SRAM 時(shí)， 主要考慮圖像數(shù)據(jù)量要求以及SRAM的數(shù)據(jù)端口位數(shù)、存取時(shí)間、工作溫度、功耗等因素。

　　CAN 總線接口的主要任務(wù)是接收星上數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)來(lái)的命令， 完成對(duì)相機(jī)的相關(guān)監(jiān)控， 將獲得的圖像數(shù)據(jù)分時(shí)發(fā)送給星上數(shù)據(jù)處理模塊。本文選用的微處理器在MCS251 系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上集成了CAN 控制器， 既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感系統(tǒng)簡(jiǎn)單的監(jiān)控功能， 又可以方便地實(shí)現(xiàn)CAN 通訊功能。

　　2） FPGA 控制器設(shè)計(jì)

　　作為相機(jī)成像模塊的控制核心， FPGA 負(fù)責(zé)產(chǎn)生所有重要的控制時(shí)序， 包括產(chǎn)生CMOS 圖像傳感器的工作時(shí)序， 把讀出CMOS 圖像傳感器數(shù)據(jù)存到SRAM 中; 將存放在SRAM 中的圖像數(shù)據(jù)分時(shí)輸出。整個(gè)FPGA 的傳輸模型如圖3 所示。

　　圖3　FPGA 設(shè)計(jì)模型圖

　　FPGA 對(duì)CMOS 圖像傳感器的成像控制如狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖4 所示。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后， FPGA 先向CMOS 圖像傳感器發(fā)出芯片復(fù)位指令， 芯片復(fù)位完成后， 讓Reset 指針沿著像素矩陣逐行移動(dòng)， 而使Read 指針保持在初始位置（第0行） ， 進(jìn)行讀前行復(fù)位。當(dāng)Reset 指針到達(dá)某一目標(biāo)行， 其間所間隔的時(shí)間滿(mǎn)足積分時(shí)間時(shí)， 即開(kāi)始激活Read 指針， 并開(kāi)始移動(dòng)Read 指針， 進(jìn)行讀取。如此循環(huán)交替移動(dòng)兩個(gè)指針， 不斷進(jìn)行讀間行復(fù)位、行讀取、讀間等待， 即可保證整個(gè)像素陣列各行都符合所要求的積分時(shí)間。

　　圖4　FPGA 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　3） CAN 總線接口設(shè)計(jì)

　　CAN 總線接口的主要任務(wù)是接收星上數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)來(lái)的命令， 監(jiān)控遙感相機(jī)模塊的工作狀態(tài)，包括遙感相機(jī)模塊的電源控制、電流監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、曝光時(shí)間控制等功能， 并將獲得的圖像數(shù)據(jù)分時(shí)發(fā)送給星上數(shù)據(jù)處理模塊。設(shè)計(jì)上， 星上數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)來(lái)的指令會(huì)使微控制器進(jìn)入中斷， 設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。微控制器查詢(xún)各標(biāo)志的變化， 根據(jù)星上CAN通訊協(xié)議完成相關(guān)動(dòng)作， 包括監(jiān)測(cè)遙感模塊工作溫度、工作電流， 設(shè)置曝光時(shí)間， 進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?br />