[发明专利]一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，属于卫星控制分系统光学姿态敏感器技术领域。

背景技术

太阳敏感器以太阳为基准方位，测量航天器姿态与太阳光线矢量夹角的一种光学姿态敏感器，根据在太阳敏感器中利用的探测器不同可以分为电池片式和成像式两种。

在研究成像式太阳敏感器过程中，提出了两种解决方案，一种是基于面阵图像传感器的太阳敏感器，一种是基于线阵图像传感器的太阳敏感器，前者以APS CMOS图像传感器居多，后者以线阵CCD图像传感器居多。

对基于面阵APS CMOS的太阳敏感器，由于面阵图像阵列较大，需要大容量数据存储器和图像处理器(DSP或RISC)，造成太阳敏感器体积大、功耗大、更新率低，而且成本相对较高。而在利用线阵CCD图像传感器的研制太阳敏感器的过程中，由于CCD图像传感器的特性所需电源种类较多，对电源要求高，集成度低，增加了太阳敏感器系统的功耗、重量和体积等，难以实现太阳敏感器的小型化和一体化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，该太阳敏感器具有精度高、体积小、重量轻、一体化、更新率高、接口方便等优点，使APS太阳敏感器在±64°×±64°视场范围的两轴角度测角精度从0.08°提升至0.03°。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器，包括光电组件、图像采集与预处理单元、图像处理和误差补偿单元，其中光电组件包括掩膜板和APS图像传感器，图像采集与预处理单元包括视频放大器、A/D转换器和FPGA，图像处理和误差补偿单元包括单片机和存储器ROM，其中：

掩膜板：将太阳光线投影到APS图像传感器，产生具有双轴太阳角信息的光信号；

APS图像传感器：接收FPGA输出的APS图像传感器工作时序，将所述具有双轴太阳角信息的光信号转化为电信号，并将所述电信号发送给视频放大器；

视频放大器：接收APS图像传感器输出的电信号进行滤波和信号放大，并输出给A/D转换器；

A/D转换器：接收FPGA输出的A/D转换器工作时序，将视频放大器输出的模拟信号转换为数字信号，供FPGA采集；

FPGA：将APS图像传感器工作时序输出给APS图像传感器，将A/D转换器工作时序输出给A/D转换器，采集A/D转换器输出数字图像信号，进行图像预处理，并将预处理的结果供单片机读取；

单片机：从FPGA读取图像预处理后的结果，完成图像处理，从存储ROM中读取误差补偿系数进行误差补偿；

存储器ROM：存储误差补偿系数。

在上述基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器中，光电组件中的掩膜板为“N”形五光缝玻璃板结构，玻璃板上具有五条光缝，中间三条为等间距的直缝，直缝两边各有一条斜缝，正中间的1条垂直缝S0与最外侧的两条倾斜光缝S1、S2呈大写的“N”形分布，两条倾斜光缝S1、S2与中间的垂直缝S0间的夹角为γ，S0与APS图像传感器的排列方向正交，在正中间的光缝S0两侧等间距布有与其平行的两条辅助光缝S0L、S0R，用于中间光缝S0的识别，掩膜板位于APS图像传感器上方的平面内；其中γ的角度取值范围为30°～60°。

在上述基于线阵APS图像传感器的小型双轴太阳敏感器中，FPGA包括图像采集模块、图像预处理模块、双口RAM、单片机接口模块、时钟分频模块、全局时钟和复位时钟管理模块，其中：

图像采集模块：产生APS图像传感器工作时序和A/D工作时序，采集A/D转换器输出图像灰度值v_i，i＝1～2048，将图像灰度值v_i输出给图像预处理模块；同时从时钟分频模块接收分频后的时钟信号；

图像预处理模块：接收图像采集模块输出的图像灰度值v_i，提取图像中的有效太阳光斑信息，具体方法如下：

(1)、对每个像元图像进行去背景处理，公式如下：

v′_i＝v_i-v_bk，

其中：v′_i为第i个像元经去背景处理后的输出值，v_i为第i个像元灰度值，v_bk为去背景阈值；

(2)、利用如下公式得到每个亮斑的质量矩因子XA和每个亮斑的灰度和GA；