高速高画质空间CMOS相机的电学设计

发布时间：2020-06-02 01:59

【摘要】：遥感是空间探测的核心,空间相机则是人类开启的明亮而锐利的“太空之眼”。传统的可见光空间相机通常为CCD相机,CCD相机具有较高的成像质量,但成像电路复杂,需配备驱动电路、A/D转换电路和读出电路等,导致相机的体积和功耗较大、成本较高。近年来CMOS传感器制造工艺提升,图像处理算法愈发成熟,CMOS传感器的成像质量越来越高,CMOS相机逐渐应用到空间探测领域。研究工作主要包括以下几个方面:(1)总结了CMOS图像传感器的发展历程、CMOS图像传感器的分类,比较CCD和CMOS传感性能,给出了两种探测器在各种指标下性能的优劣。分析了CMOS图像传感器的结构和工作原理,说明了CMOS相机轻小优势及未来发展的前景。(2)完成了空间CMOS相机的总体设计。根据相机的电子学指标,选择IA-G3图像传感器,设计了相机的成像谱段;根据成像条件,设计相机的F数和曝光时间;根据CMOS传感器的时序特性,选择CMOS+FPGA的电路架构,将相机设计为焦面电路、信号处理电路和接口电路的三板结构,并进行电子元器件的选型。(3)完成了电路元器件选型工作,说明了各个元器件的主要特点。完成了各电路板的设电路原理设计,详细说明包括IA-G3、FPGA、SDRAM等的硬件设计原理。完成了电路的电路的静电防护设计和降额设计,得到了电路静电防护设计满足要求的结论,电路满足一级降额的条件。完成了高速PCB电路设计,高速PCB的设计严格按照阻抗匹配原理和布线约束,经测试高速信号质量优良。(4)根据CMOS传感器的时序特性、使用Verilog语言编写电路的驱动模块,使相机根据指令成像。在相机正常成像的基础上编写了自动曝光算法和自动白平衡算法,提升相机成像的画质。本文选择IA-G3 CMOS传感器设计了高速高画质的空间CMOS相机。采用FPGA+CMOS的架构,完成了焦面电路、信号处理电路和接口电路的三板的硬件电路设计;完成了电路驱动、自动曝光算法和自动白平衡算法设计,使相机高速率传输图像的同时满足高画质。实验结果表明,该设计合理可行、电路的稳定性较高、自动曝光算法和自动白平衡算法可靠,相机可以完成高速高画质成像任务。
【图文】：

嫦娥,相机,卫星,星敏感器

这是我国首次使用CMOS相机对卫星的重要部位进行监控，实时获得卫星关键部位的信息，“嫦娥二号”卫星CMOS相机拍摄的图像见图1-2。图 1-2 “嫦娥二号”卫星 CMOS 相机拍摄的图像Fig.1-2 Images taken by the "Chang'e two" satellite CMOS camera(2)星敏感器领域1980年之后，国内开始研究星敏感器技术，最初星敏感器主要采用CCD传感器，由于CMOS传感器的性能提升，噪声大幅度下降，，CMOS传感器也逐渐应用在星敏感器中[22-23]。北京控制工程研究所在卫星姿态轨道控制领域具有较多经验，并在星敏感器理论方法，软硬件设计方面有较高水平。产品研制方面都处于国内领先水平，其星敏感器产品已经具有多年成功在轨运行经验[24]，某型号星敏感器产品见图1-3。

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某型号星敏感器实物Fig.1-3Atypeofstarsensor
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V443.5

【参考文献】