[发明专利]一种用于深空探测的低功耗、轻小型、多功能空间相机及其实现方法

摘要

本发明公开了一种用于深空探测的低功耗、轻小型、多功能空间相机，包括遮光罩、光学镜头、APS板、相机控制板以及相机支撑结构；其关键在于，对使用了APS图像传感器的空间相机，引入遮光罩轻量化优化设计技术、光学系统的优化设计技术、相机支撑结构轻量化设计技术以及电子学系统优化设计，实现了空间相机的低功耗、轻小型和多功能，同时具有成像质量高和环境适应性强的优点，满足深空探测对低功耗、轻小型、多功能空间相机的需求。

主权项

一种用于深空探测的低功耗、轻小型、多功能空间相机，其特征在于，该空间相机包括遮光罩(11)、光学镜头(12)、APS板(13)、压接型板间连接器(14)、相机控制板(15)以及相机支撑结构(16)；其中，遮光罩(11)、光学镜头(12)、APS板(13)、压接型板间连接器(14)、相机控制板(15)依次放置，遮光罩(11)，用于消减视场外的杂散光；光学镜头(12)，用于将待成像目标成像在APS图像传感器上；APS板(13)，用于光电转换，差分LVDS信号转为单端信号，二次电源转换；压接型板间连接器(14)，用于连接APS板(13)和相机控制板(15)，进行信号传输；相机控制板(15)，用于APS芯片的控制信号、采集图像、输出图像、串行通信；相机支撑结构(16)，用于固定光学镜头(12)、APS板(13)和相机控制板(15)以及实现对外的机械接口；所述遮光罩(11)的通光孔为长方形，长方形的长边与APS图像传感器的长边对应，长方形的短边与APS图像传感器的短边对应；长方形通光孔与所述空间相机的22.9°×16.9°视场角相适应；所述APS板(13)上的APS图像传感器为IA‑G3彩色探测器，像元数为2352×1728，探测器像元数为2352的长边与遮光罩通光孔的长边对应，探测器像元数为1728的短边与遮光罩通光孔的短边对应；所述压接型板间连接器(14)为Airborn的航天级4排板间连接器；所述相机控制板(15)上的相机控制FPGA为航天级反熔式FPGA；所述相机控制FPGA，包括APS驱动模块(21)、工作模式控制模块(22)、SRAM控制模块(23)、串行通讯模块(24)、曝光控制模块(25)和并转串模块(26)；其中，APS驱动模块(21)，用于控制APS图像传感器的时序；工作模式控制模块(22)，用于根据串行通讯接口工作模式命令，实现待机，静态拍照，动态摄像抽样和动态摄像开窗口四种工作模式的切换，从而控制图像输出；SRAM控制模块(23)，用于产生存储器读写操作所需时序，实现图像缓存、列方向开窗口和图像抽样功能；串行通讯模块(24)，用于完成外部命令注入和工程参数查询操作；曝光控制模块(25)，用于实现自动曝光和手动曝光两种模式；并转串模块(26)，用于将经过SRAM缓存后的8位图像数据转换成1位串行数据；所述空间相机的视场为22.9°×16.9°，焦距为43mm，F数为8，正常成像距离：5m～∞，重量为460g，功耗为3.52W，包络尺寸为：118.9mm×110mm×92mm，具有的功能为彩色图像获取、自动调光、杂散光抑制、静态拍照、动态摄像；所述空间相机实现方法为：1)所述空间相机的低功耗的实现方法为：①选用IA‑G3APS探测器来实现所述空间相机的低功耗；用于航天领域的探测器主要包括CCD和APS探测器两大类，虽然CCD探测器技术成熟，但无法实现低功耗；APS探测器的集成度高、功耗低、抗辐照能力强，而且其性能和成像质量有大幅度提高，所述空间相机采用的IA‑G3APS探测器将相关双采样、AD、AGC功能集成在一起，减小了体积、重量、功耗；所以选用IA‑G3彩色APS探测器来实现所述空间相机的低功耗；②选用Actel公司的A54SX72A‑CQ208B型FPGA器件来实现所述空间相机的低功耗；所述空间相机采用集成度高的Actel公司的A54SX72A‑CQ208B型FPGA器件来实现了空间相机的APS驱动控制、工作模式控制、SRAM控制、串行通讯控制、曝光控制和并转串控制，简化了硬件电路，降低了功耗；所以选用Actel公司的A54SX72A‑CQ208B型FPGA器件来实现所述空间相机的低功耗；2)所述空间相机的轻小型的实现方法为：①选用IA‑G3APS探测器来实现所述空间相机的轻小型；用于航天领域的探测器主要包括CCD和APS探测器两大类，虽然CCD探测器技术成熟，但无法实现轻小型；APS探测器的集成度高、功耗低、抗辐照能力强，而且其性能和成像质量有大幅度提高，所述空间相机采用的IA‑G3APS探测器将相关双采样、AD、AGC功能集成在一起，减小了体积、重量、功耗；所以选用IA‑G3彩色APS探测器来实现所述空间相机的轻小型；②选用Actel公司的A54SX72A‑CQ208B的FPGA器件来实现所述空间相机的轻小型；所述空间相机采用集成度高的Actel公司的A54SX72A‑CQ208B型FPGA器件来实现了空间相机的APS驱动控制、工作模式控制、SRAM控制、串行通讯控制、曝光控制和并转串控制，简化了硬件电路，减小了电路板尺寸，从而减轻了所述空间相机的体积；所以选用Actel公司的A54SX72A‑CQ208B型FPGA器件来实现所述空间相机的轻小型；③选用Airborn的航天级4排板间连接器来实现所述空间相机的轻小型；所述的空间相机，其电子学系统在整个相机的重量中所占比例较小，相机支撑结构是整个相机重量最主要的质量来源，所以减小相机支撑结构的重量是最有效的减重措施；要减小相机支撑结构的重量，其中最有效的措施就是减小相机体积；对于轻小型空间相机来说，相机体积直接受限于电子学系统的PCB板的大小和PCB板之间的距离；通过对电子学系统的优化设计，影响PCB板大小和PCB板间距的是PCB板之间的连接器；PCB板之间的传统连接器结构尺寸比较大，不仅增大了PCB板的大小，而且增大了PCB板之间的距离，从而增大整个相机的重量；在所述的空间相机中采用Airborn的航天级4排板间连接器，这种高密度板间连接器不仅减小PCB板尺寸，而且减小了PCB板之间的距离，从而减小了整个相机的体积和重量；所以，选用Airborn的航天级4排板间连接器来实现所述空间相机的轻小型；④通过遮光罩的通光口径的形状优化设计来实现所述空间相机的轻小型；所述的空间相机在光学镜头的前方加了一定长度的方形遮光罩，减轻了遮光罩的重量，从而减轻了所述空间相机的体积、重量；所以通过遮光罩的通光口径的形状优化设计来实现了所述空间相机的轻小型；⑤通过优化光学系统参数来实现所述空间相机的轻小型；要做到轻小型化，除了要求结构部分使用比重尽量小的材料和优化设计，以及要求电子学系统尽量简单和使用高集成度的器件外，必须注重光学参数的优化，光学系统的最简单结构形式是实现轻小型化的基础，所述光学镜头的光学参数通过下式确定：Simage=Φ0·ρ·τ·cosθs·cosθ04·F2·Bs·η·κ·t]]>其中，Simage为单个像元内积累电子数，Φ0为太阳光子数密度，ρ为漫反射系数；τ为光学系统透过率；θs为成像面法矢与太阳夹角，θo为成像面法矢与观测者的夹角，F为相机的F数，Bs为单个像元的面积，η为量子效率，κ为填充因子，t为曝光时间；所述光学镜头的光学参数为波段范围为420～700nm，视场为22.9°×16.9°，焦距为43mm，F数为8，正常成像距离为5m～∞，传递函数MTF为大于0.45；光学系统的结构形式确定后，所述光学镜头最终能够达到的轻量化指标也就基本确定，所述光学镜头的设计结果为光学镜头最大口径为Ф44mm，光学镜头总长为54.5mm，光学镜头含遮光罩重量为58g，所以通过优化光学系统参数来实现所述空间相机的轻小型；3)所述空间相机的多功能的实现方法为：①选用IA‑G3彩色APS探测器来实现所述空间相机的彩色获取功能；所述空间相机采用的IA‑G3 APS探测器，IA‑G3 APS探测器是基于Bayer滤波的彩色面阵CMOS，像元表面按照Bayer规律增加红色(R)、绿色(G)或蓝色(B)滤光片，每个像元能够敏感一种基色灰度；对于基于RGB的彩色图像，每个像素均需具有R、G及B灰度值；所以选用IA‑G3彩色APS探测器来实现所述空间相机的彩色获取功能；②通过遮光罩设计和光学镜头内部杂光抑制措施来实现所述空间相机的杂散光抑制功能；所述空间相机在光学镜头的前方加了一定长度的方形遮光罩，阻拦视场外大部分杂光进入；光学系统的所有光学元件都要镀多层增透膜；在光学零件的非工作面上涂消光漆，使杂光在传播途径中大大衰减；在主镜筒、镜框内壁加工了消光齿；所以通过遮光罩设计和光学镜头内部杂光抑制措施来实现所述空间相机的杂散光抑制功能；③选用FPGA器件来实现所述空间相机的自动曝光、待机模式、静态拍照模式、动态抽样摄像模式和动态开窗摄像模式功能；所述空间相机采用FPGA器件来实现了空间相机的APS驱动控制、工作模式控制、SRAM控制、串行通讯控制、曝光控制和并转串控制；选用集成度高的Actel公司的A54SX72A‑CQ208B型FPGA器件来实现所述空间相机的多功能；该用于深空探测的低功耗、轻小型、多功能空间相机采用了IA‑G3彩色探测器、高集成度FPGA、Airborn的航天级4排板间连接器进行了空间相机的遮光罩轻量化优化设计、光学系统的优化设计、相机支撑结构轻量化设计以及电子学系统优化设计，实现了空间相机功耗为3.52W，重量为460g，体积为118.9mm×110mm×92mm，功能为彩色图像获取、自动调光、杂散光抑制、静态拍照、抽样动态摄像和开窗动态摄像。