基于FPGA的小型化太陽敏感器圖像采集與處理方法

施 蕾，周 凱，張建福，孫 強，吳一帆

(1.空間智能控制技術重點實驗室，北京 100190;2.北京控制工程研究所，北京100190;3.中國航天科技集團公司，北京 100048)

隨著衛(wèi)星向微小型、甚至納衛(wèi)星、皮衛(wèi)星方向發(fā)展，衛(wèi)星要求實現(xiàn)整體的一體化、集成化和輕小型化設計，原有的傳統(tǒng)型太陽敏感器已經滿足不了設計需求，這就需要太陽敏感器在提高精度的同時，減少其體積、質量和功耗［1］.

太陽敏感器是航天姿態(tài)控制系統(tǒng)中的重要測量部件，是在航天領域應用最廣泛的敏感器之一.太陽敏感器通過測量太陽光線與衛(wèi)星本體某一體軸之間的夾角，來確定太陽在敏感器本體坐標系中的位置，然后通過坐標矩陣變換得到太陽在衛(wèi)星本體坐標系中的位置，最終在衛(wèi)星的姿控系統(tǒng)中求得衛(wèi)星的姿態(tài)，即衛(wèi)星在空間的方位.

衛(wèi)星對姿態(tài)控制精度要求的日益提高以及小衛(wèi)星、皮衛(wèi)星等微小衛(wèi)星的逐步發(fā)展，太陽敏感器也隨之向著微型化、集成化、模塊化、大視場、高精度和高可靠性的方向發(fā)展［2］.

1 小型化太陽敏感器系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 太陽敏感器

太陽敏感器按照工作方式主要分為“0－1”式、模擬式和數(shù)字式3種類型［3］.其中“0－1”式太陽敏感器又稱為太陽發(fā)現(xiàn)探測器，只要有太陽就能產生輸出信號，一般用來捕獲太陽實現(xiàn)衛(wèi)星的粗定姿.模擬式太陽敏感器常使用光電池作為其傳感器件，它的輸出信號強度與太陽光的入射角度有關.模擬式太陽敏感器幾乎全部都是全天工作，其視場一般在20°～30°左右，精度在 1°左右，在大視場情況下，分辨率和測量精度很難進一步提高.

數(shù)字式太陽敏感器通過計算太陽光線在衛(wèi)星上相對中心位置的偏差來計算太陽光的角度;視場范圍一般在±60°左右，精度能夠優(yōu)于0.05°.數(shù)字式太陽敏感器主要有電荷耦合器件(CCD，charge coupled device)和互補型金屬氧化物半導體(CMOS，complementary metal-oxide silicon)有源像素傳感(APS，active pixel image sensor)兩種.

通過國內外航天機構近30年的發(fā)展研究，數(shù)字式CCD太陽敏感器技術已經相當成熟.不同技術指標的CCD太陽敏感器，已廣泛應用于各類航天器高精度的姿態(tài)控制系統(tǒng).但是隨著衛(wèi)星微小型化的趨勢，要求其組成部件也要微小型化.這便對系統(tǒng)的體積、質量和功耗等提出了更高的標準.而基于CCD的太陽敏感器卻難以滿足其不斷發(fā)展的要求.

隨著超大規(guī)模集成電路技術 (VLSI，very large scale integration)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型的圖像傳感器——CMOS APS.這種圖像傳感器芯片耗電量小(通常為CCD的1/10)、成本低(是CCD的1/120)、像素缺陷低(是CCD的1/20)，可以將時鐘和控制電路、信號處理電路、模數(shù)轉換電路、圖像壓縮等電路與圖像敏感器陣列完全集成在一起，可以實現(xiàn)低成本、低功耗、高集成度的單芯片成像微系統(tǒng).CMOS APS型圖像傳感器在保持CCD原有的優(yōu)良特性的同時，在抗輻射能力、傳輸效率、功耗和集成度等方面克服了CCD的局限而取得了長足進步.目前，高性能CMOS APS圖像傳感器和可編程邏輯器件的出現(xiàn)為航天器實現(xiàn)高精度、小型化的太陽敏感器提供了研制基礎.

1.2 圖像采集與處理系統(tǒng)

圖像采集與處理系統(tǒng)是指用設備來捕獲客觀世界的圖像和特征，也就是用設備來實現(xiàn)對客觀世界的識別.圖像采集與處理系統(tǒng)大部分均采用實時圖像采集技術，在圖像處理的實時性方面，通常采用的計算機軟件實現(xiàn)的方法已不能滿足要求，因其本質是順序執(zhí)行指令，不能并行處理需要實現(xiàn)的數(shù)據(jù)，而且，現(xiàn)今的圖像處理應用也越來越趨向于小型化和嵌入式，因此，綜合考慮，應采用硬件方法來實現(xiàn)圖像采集與處理.

硬件方法實現(xiàn)圖像采集與處理的方法有:采用專用集成芯片(ASIC，application specific integrated circuit)、數(shù)字信號處理器(DSP，digital signal process)和可編程邏輯器件FPGA.由于基于專用芯片ASIC實現(xiàn)的方式在靈活性、系統(tǒng)可更改性上較差，不適合前期開發(fā)以及新產品的研制;采用DSP方式實現(xiàn)，在數(shù)據(jù)吞吐量、運行速度、系統(tǒng)結構的可重配性以及功能的升級方面存在較多約束;而可編程邏輯器件FPGA具有較高的并行處理速度和較強的靈活性，在圖像采集與處理方面具有獨特的優(yōu)勢，適用于需要大規(guī)模數(shù)據(jù)量處理、并行流水線方式操作的新型太陽敏感器圖像采集與處理系統(tǒng)［4］.

2 新型太陽敏感器工作原理

本文中介紹的太陽敏感器是一種利用新原理新技術實現(xiàn)的低功耗、小體積、輕重量的新型數(shù)字式太陽敏感器.在太陽敏感器中，利用CMOS圖像傳感器作為光電轉換器件，利用光孔玻璃作為光線引入器，將太陽經光學系統(tǒng)(掩膜)成像到CMOS圖像傳感器上，通過計算太陽像的能量中心，并與太陽零度角入射時能量中心作比較，即可得到太陽此時相對敏感器本體坐標的方位角.

圖1 太陽敏感器工作原理坐標系示意圖Fig.1 Sketch of the working principle of sun sensor

建立如圖1的坐標系，假設太陽光在小孔坐標系矢量方向為γ，在兩軸方向上的入射角度分別為α、β.小孔平面與成像平面的距離是F，則可以得到該坐標系下光斑像點坐標(Xc，Yc)以及入射角度α、β的計算表達式:

3 利用FPGA實現(xiàn)圖像采集與處理系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結構設計

新型太陽敏感器采用光、機、電一體化設計，由帶防塵罩的光線引入器、電路系統(tǒng)、機械結構等3大部分組成.利用新原理、新技術，實現(xiàn)了太陽敏感器低功耗、小體積、輕重量的新型數(shù)字式設計.

電路設計主要包括CMOS圖像傳感器、CMOS圖像傳感器控制電路、圖像采集及處理電路、微控制器(MCU，microprogrammed control unit)以及接口電路.其中圖像傳感器選擇了專門針對空間應用環(huán)境設計的抗輻射加固APS圖像傳感器芯片，F(xiàn)PGA采用對單粒子翻轉不敏感的反熔絲型FPGA.基于FPGA的硬件電路實現(xiàn)了對圖像傳感器芯片的驅動與控制;完成了圖像數(shù)據(jù)采集和“質心法”計算太陽像光斑中心位置的圖像數(shù)據(jù)算法處理;協(xié)助微控制器進行角度計算、角度補償、系統(tǒng)姿態(tài)信息換算以及與中心處理單元主控設備的信息交互等.

3.2 基于FPGA的圖像采集方法

FPGA按照圖像傳感器控制時序邏輯，利用滾動輸出原理，控制圖像傳感器芯片產生和輸出圖像數(shù)據(jù).FPGA可以根據(jù)控制信息，自動調節(jié)曝光時間，并進行實時的圖像傳感器芯片供電電壓和狀態(tài)采集.

圖2 滾動輸出時序示意圖Fig.2 Scrolling output timing diagram

圖3 圖像預處理操作流程示意圖Fig.3 Image preprocessing operation flow chart

滾動輸出控制方法見圖3所示.對圖像某一行的操作時序分為行復位和行讀取兩步;積分時間即為行復位時刻到行讀出時刻之間的時間差.積分過程逐行進行，行與行之間互不影響.但是由于圖像傳感器芯片的行地址與列地址共用一組輸入端口，因此不能像訪問普通矩陣中的某一元素，通過同時提供行、列地址進行數(shù)據(jù)鎖定;而是需要通過行讀取鎖定行地址，再進行列讀取鎖定列地址，最后讀取目標像素值.

圖像傳感器芯片的控制時序基于滾動輸出的卷簾式快門設計，在圖像捕獲、圖像跟蹤等特殊應用下，可實現(xiàn)對某一或某些目標窗口的單獨驅動，即可以實現(xiàn)對圖像傳感器芯片部分行進行曝光和數(shù)據(jù)讀取，可以有效地縮短圖像采集時間，拓展在高速度、高精度光學敏感器領域的應用范圍.

3.3 基于FPGA的圖像處理方法

3.3.1 圖像預處理算法

FPGA采集的圖像數(shù)據(jù)并不能直接用于太陽光斑像點坐標的計算，需要經過閾值比較等操作，才能實現(xiàn)精確計算坐標.由FPGA實現(xiàn)對圖像像素單元的預處理操作，可以完成圖像的去背景處理、孤立像點的剔除以及像素灰度的分布分析等.圖像預處理操作流程參見圖4.

圖4 輸出的太陽光斑坐標曲線圖Fig.4 Coordinate of the solar facula

3.3.2 太陽光斑定位算法

本文介紹的太陽敏感器采用“質心法”對太陽進行實時定位.“質心法”實際是基于平面幾何中實體積分求重心的原理.它將太陽像區(qū)域看作一個實體，像素為最小的計量單位，輸出的電壓值為權重.

這樣，當圖像區(qū)域有X行、Y列時，通過下面的公式(2)可以計算出太陽光斑的中心坐標.

其中，XC、YC為太陽光斑的中心坐標，x、y為當前像素對應的行、列值，G為當前像素對應的灰度值，為所有像素的灰度和.

3.3.3 利用FPGA實現(xiàn)太陽光斑定位

FPGA按照控制時序，每采集一個像素數(shù)據(jù)，首先對該像素數(shù)據(jù)進行預處理操作，然后再依據(jù)當前狀態(tài)，按照公式(2)對像素灰度和進行累加，其中為了加快計算速度，F(xiàn)PGA內部實現(xiàn)了不大于三級流水的乘法器，用于快速完成行、列地址和像素灰度值的相乘.

4 試驗驗證及標定結果

4.1 試驗驗證

通過仿真驗證，對于同一幀圖像，使用測試計算機MATLAB仿真軟件計算的太陽光斑坐標與通過星上產品計算的太陽光斑坐標，兩者結果一致.

通過系統(tǒng)測試，隨機讀取太陽敏感器的實際太陽光斑坐標，均未超出坐標理論計算值(使用MATLAB計算得到)的偏差范圍.圖4和表1給出了系統(tǒng)測試時FPGA輸出的太陽光斑坐標.圖5為小型化太陽敏感器的太陽光斑實際成像圖.

圖5 太陽光斑實際成像圖Fig.5 Solar facula

表1 系統(tǒng)測試時FPGA輸出的太陽光斑坐標Tab.1 Coordinate of the solar facula yielded by FPGA

表2 太陽敏感器主要性能指標比較［5］Tab.2 Main performance indices of sun sensors

4.2 標定結果

小型化太陽敏感器已經通過標定(如表2所示)，視場范圍可達到64°×64°，測角精度不低于0.03°，質量小于 0.51kg，總功耗為1W.

5 結論

微型化、高精度的數(shù)字式太陽敏感器逐漸成為國內外航天科研機構研究的熱點.本文研究的小型化太陽敏感器，采用了CMOS APS圖像傳感器芯片，通過FPGA實現(xiàn)了對圖像傳感器的合理控制、對圖像數(shù)據(jù)的快速采集和預處理以及對太陽光斑坐標的高精度計算等功能的集成處理，有效地實現(xiàn)了太陽敏感器低功耗、小體積、輕重量的設計目標，在重量、體積、功耗等方面與傳統(tǒng)的模擬式和CCD式太陽敏感器相比有較大進步，而且已經基本達到國外航天機構同類產品的設計水平.

［1］ 詹亞鋒，馬正新，曹志剛.現(xiàn)代微小衛(wèi)星技術及發(fā)展趨勢［J］.電子學報，2000，28(7):102-106 Zhan Y F，Ma Z X，Cao Z G.Technology of modern micro satellite and its development direction［J］.ACTA Electronica Sinica，2000，28(7):102-106

［2］ Falbel G，Palusezek M A.An ultra low weight/low cost three axis attitude readout system for nano-satellites［C］.2001 IEEE Proceedings Aerospace Conference，Big Sky，Montana，March 10-17，2001

［3］ 李輝.基于CMOS相機的微衛(wèi)星數(shù)字式太陽敏感器研究［D］.浙江大學，2010 Li H.The digital sun sensor based on CMOS camera［D］.Zhejiang University，2010

［4］ 祝長鋒.基于FPGA的實時圖像檢測技術的研究［D］.江蘇大學，2008 Zhu C F.Based on FPGA miniature sun sensor image acquisition and processing methods［D］.Jiangsu University，2008

［5］ 何麗，胡以華.太陽敏感器的原理與技術發(fā)展趨勢［J］.電子元件與材料，2006，25(9):5-7 He L，Hu Y H.Principium and technology development tendency of sun sensors［J］.Electronic Components ＆Materials，2006，25(9):5-7