基于FPGA的小型化太阳敏感器图像采集与处理方法

介绍一种适用于小型化太阳敏感器图像数据采集及处理系统的实现方法.系统设计使用了抗辐射加固COMS APS图像传感器芯片和现场可编程门阵列(FPGA),利用FPGA实现了对图像传感器芯片的控制和对图像数据的检测、采集、缓冲、预处理以及传输,同时协调系统各部分的工作.最后,给出了这种小型化太阳敏感器的标定结果,试验结果表明各项指标可以基本达到国际航天同类产品设计水平.     

面向星载应用的图像压缩专用芯片研制

以高数据吞吐量和低系统结构复杂性为优化目标,根据图像传感器输出特点,综合应用双缓存、数据流驱动、并行处理与流水线设计、同步电路设计等多项关键技术,设计了具有数据处理速度和超大规模集成电路VLSI(Very Large Scale Integrated)结构复杂性最佳匹配的空间域重采样压缩算法VLSI结构,该结构的压缩性能仅与图像宽度相关,与图像传感器输出时序无关,既可以采用外部时钟,又可使用与图像传感器相同的时钟源,在这2种情况下,都能够保证在无限长时间内,在连续工作状态下,每个时钟周期实时处理一个图像数据.实践证明,基于该VLSI结构的压缩专用芯片,处理速度快,功耗低,满足星载应用高速实时与低功耗要求.      

空间目标可见光相机的成像算法研究与分析

可见光相机可被应用于空间目标监测,其拍摄的图像具有高分辨率、高清晰度和高质量等优点。基于可见光探测器CMV4000获取Bayer格式数据的特点,采用了颜色插值和白平衡等方法,实现了彩色图像的重建。通过对比和分析多种插值方法,选取基于梯度的插值算法和灰度世界法用于工程实现色彩数据的重建。用彩色板等目标在实验室、暗室等场景下对算法进行仿真测试。结果表明：基于梯度的插值方法和白平衡法可以有效地恢复彩色图像,可以在空间环境中获取高质量的彩色图像。     

一种热释电红外传感器控制芯片的设计

阐述了一种采用0.6μm CMOS工艺的热释电红外传感器控制芯片的设计。该芯片在[4.0 V,6.0V]电源范围内稳定工作,具有较高的电源电压抑制比和较低的温漂,并且作了抗噪声和抗交流电源干扰处理。这种控制芯片用于接收、放大、处理、控制热释电红外传感器信号,应用前景广阔。     

微处理器中含噪热传感器位置分布优化方法

高性能处理器普遍集成热传感器,采用动态热管理技术对芯片实施连续热监控。然而,由于实际芯片中的模拟或者数字热传感器不可避免伴随噪声,使动态热管理的可靠性受到很大影响。因此,为了提高热监控的精确性,本文运用主成分分析（PCA）技术对原始热图像样本矩阵进行降维近似处理,并结合矩阵扰动分析提出基于模拟退火算法的热传感器位置分布优化方法。实验结果表明：该方法比现有的贪婪算法在热重构误差、信噪比（SNR）和误警率等性能方面有了一定提高,能够有效运用在动态热管理中实现精确的热监控。     

CMOS星敏感器图像驱动及实时星点定位算法

利用CMOS图像传感器技术的低功耗和开发简单等优点,设计了新型CMOS星敏感器的图像采集驱动电路.该电路设计以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,配以静态存储器和并口通讯功能,实现了图像的采集、存储和输出.同时根据4连通域图像分割的原理,在FPGA内部设计了一个数字电路模块,以实现该星敏感器的实时星点定位功能.该模块由于采用了流水线结构,可以和图像采集同步完成星点质心定位算法,减少了向星敏感器数据处理单元中的精简指令集计算机(RISC)的数据传输量和RISC进行星图跟踪和识别的工作量,提高了星敏感器的总体工作性能.对比软件处理结果,对星敏感器的图像采集和质心算法硬件电路进行了验证.     

工业总线标准电容层析成像系统设计

为保证电容层析成像(ECT)系统满足航空航天领域多相流参数测试的要求,开发了一套基于CPCI工业总线标准的ECT系统。采用高性能现场可编程门阵列(FPGA)芯片作为主控芯片,实现信号激励模块、多路复用开关模块、数据处理模块、数据解调和传输模块的集成式设计,将采集信号进行预处理,实现信号的滤波、放大和相敏解调,并通过CPCI工业总线接口把解调后的电容数据传送至系统上位机,完成图像重建。实验测试结果表明:系统采用1 MHz激励信号和8电极传感器的工作模式下,采用10周期的测试信号解调时,图像采集速度可达1 785幅/s,信号的信噪比高于60 d B,成像结果具有良好的空间分辨率。     

图像数据实时压缩技术研究

提出一种基于多模式自适应压缩算法的图像实时压缩技术,以此技术为基础,利用硬件设计描述语言VHDL和现场可编程序门阵列FPGA,设计成功系统专用集成芯片,以此芯片为核心,构成图像数据实时压缩系统.该系统采用阵列式处理与流水方式工作相结合的组织结构,数据处理速度与系统容量具有良好的可扩充性.系统单路数据处理速度为100Mbit/s,数据压缩比动态可调,图像恢复精度优于JPEG.本系统体积小、重量轻、功耗低、性能稳定可靠,适用于各种256级灰度图像.      

一种导致压电式冲击传感器零漂原因分析及抑制措施

冲击加速度传感器输出零漂是影响传感器使用的重要特性，对零漂问题探索由来已久。根据冲击传感器输出信号特点，从传感器模型到传感器与变换电路角度进行了分析，结合传感器安装频响与冲击信号之间的关系，得出高频冲击信号在传感器安装谐振频率处被放大导致传感器零漂的结论。通过理论推导与实际传感器输出结果对比，验证了理论推导的正确性。最后，对零漂抑制措施以及实际作用结果进行了阐述。     

多视场星敏感器工作模式设计

针对多视场星敏感器的特点设计了两种工作模式:高精度工作模式和高更新率工作模式.中央时序控制器根据指令完成工作模式配置,以相应的时序启动图像采集处理模块.结合工作模式的时序特点,在FPGA(Field Programmable Gate Array)内部设计了3个星点质心提取模块,与各自对应的图像采集模块同步运行,实现了两种工作模式下多视场星图快速质心提取.采用Cypress公司的IBIS5-A-1300作为图像传感器,基于FPGA设计了实验平台,对工作模式配置及数据更新率进行测试.实验结果表明:工作模式可灵活配置和切换,在高更新率工作模式下,星敏感器的数据更新率为传统单视场情况的3倍.     

内嵌ARM核的FPGA技术在星敏感器中的应用

介绍了内嵌先进精简指令集处理器ARM(Advanced RISC Machine)核的现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Arrays)芯片EPXA10的内部结构及特点.基于这种嵌入式技术,进行了互补金属氧化物半导体CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor)星敏感器图像驱动与实时星点定位算法的研究,并给出具体实现,包括用EPXA10的FPGA部分实现了CMOS图像传感器的驱动和对星图的预处理－阈值分割,用EPXA10的ARM部分完成了星图的星点定位算法--改进的4连通域成分贯序算法,基于VC＋＋语言实现了串口通讯程序以及图像显示程序.最后给出了成功驱动CMOS图像传感器得到的清晰图像及星点定位结果,并将基于ARM得到的定位结果与基于PC机(Personal Computer)得到的定位结果进行了比较,结果完全正确.采用内嵌ARM核的FPGA提高了整个系统的处理速度,减小了硬件电路设计的复杂性、体积和功耗.     

基于粒子群寻优的高精度星敏感器在轨标定方法

星敏感器结构设计与安装过程会产生多种误差,主要误差源有星敏感器像平面主点误差、主距误差、倾斜误差与旋转误差,这些误差影响了星敏感器在轨标定的精度。本文根据星敏感器的误差模型,提出了一种高精度的星敏感器在轨标定方法。在已知含有误差的像平面的基础上,构造一个虚拟的像平面。当粒子群优化算法使含有误差的像点投影到虚拟像平面上的坐标与无误差时像点的坐标一致时,再利用Quest解算出三轴姿态角求得两个像平面之间的姿态矩阵,得出两像平面之间的关系。结果表明：星敏感器姿态确定精度较高且比较稳定。这种方法与传统标定方法的优势在于不依靠陀螺信息,原理简单,提高了数据的准确性。     

星敏感器中星图图像的星体细分定位方法研究

介绍了星敏感器的基本工作原理和星图图像的预处理的主要方法,将传统质心法、带阈值的质心法、平方加权质心法和高斯曲面拟合法应用于星敏感器中星图图像的星体细分定位,并进行了较为系统的仿真研究.仿真结果表明,带阈值的质心法是一种较为理想的星体细分定位方法.就噪声水平、阈值选择及低通滤波对细分定位精度的影响进行了仿真研究.最后,利用仿真结果对模拟星图图像的星体进行了细分定位实验,取得了较为满意的结果.      

A triangle voting algorithm based on double feature constraints for star sensors

A novel autonomous star identification algorithm is presented in this study. In the proposed algorithm, each sensor star constructs multi-triangle with its bright neighbor stars and obtains its candidates by triangle voting process, in which the triangle is considered as the basic voting element. In order to accelerate the speed of this algorithm and reduce the required memory for star database, feature extraction is carried out to reduce the dimension of triangles and each triangle is described by its base and height. During the identification period, the voting scheme based on double feature constraints is proposed to implement triangle voting. This scheme guarantees that only the catalog star satisfying two features can vote for the sensor star, which improves the robustness towards false stars. The simulation and real star image test demonstrate that compared with the other two algorithms, the proposed algorithm is more robust towards position noise, magnitude noise and false stars.     

CCD温度对星敏感器星点定位精度的影响

CCD噪声是影响星敏感器星点定位精度的误差源之一,以DV437-BU2型CCD为例,对CCD的暗电流、暗电流散粒噪声、暗电流不均匀噪声等的温度特性进行了实验测量．研究了CCD温度对星敏感器星点定位精度的影响,结果表明：对于DV437-BU2型CCD芯片,当CCD工作温度高于300K时,降温可以显著提高星敏感器星点定位精度,当CCD工作温度低于300K时,降温对星点定位精度的影响不明显;当温度由330K降到300K时,星点定位精度由0．12个像素提高至0．078个像素．     

APS星敏感器太阳照射影响分析及试验验证

针对APS星敏感器在轨过程中太阳照射问题进行了研究,分析了太阳照射对星敏感器功能和性能的影响,设计了太阳照射相关的试验及验证方案,最后给出了相关试验过程和试验验证结果,明确了分析及试验结论.通过分析和试验结果表明:紫外辐照试验对光学系统透过率无明显影响,且影响在APS星敏感器灵敏度余量范围内;在轨太阳照射对APS星敏感器探测器及整机的功能和性能无影响.相关分析和试验数据可作为星敏感器后续改进设计的依据和参考.     

镜筒热形变对星敏感器测量精度的影响

 空间环境温度以及阳光热效应对星敏感器测量精度有一定影响。研究镜筒热形变对星敏感器测量精度的影响,计算温度均匀分布和非均匀分布条件下,圆柱形镜筒和圆锥形镜筒热形变导致的透镜倾斜量和平移量,研究典型星敏感器光学系统中恒星像斑位置和能量分布的变化情况。在镜筒温度均匀分布条件下,温度变化20℃时,圆柱形镜筒和圆锥形镜筒的星敏感器测量误差分别为0.6″和0.9″;在镜筒温度非均匀分布条件下,镜筒上侧与下侧的温差为30℃时,圆柱形镜筒和圆锥形镜筒测量误差约为2.2″和3.3″。计算结果表明,圆柱形镜筒热稳定性优于圆锥形镜筒。     

一种CCD星图星点快速定位算法

大尺寸CCD星图快速处理是制约天基光学观测器件性能的关键因素之一,在星敏感器、空间监视载荷等研制中具有重要意义.通过对CCD星图图像特点的分析,提出了以最大概率实现背景噪声滤除的星图预处理准则;在此基础上,提出了通过两次投影检测实现星点位置测量的算法.与传统方法相比,该算法实现简单,节约了计算量和存储量.对分辨率为2048×2048的CCD实拍星图的实验研究表明了该算法的有效性.      

航天器内环境监测的无线传感器网络应用研究

无线接口技术是航天器电子系统技术发展的前沿和热点之一, 具有广泛应用前景. 提出了用于监测航天器内部及其设备环境参数的无线传感器网络设计方案, 详细介绍了构建航天器内无线传感器网络的通信协议、网络架构、软硬件设计方法, 并给出一个将ZigBee Pro技术应用于航天器内的典型设计实例, 以TI公司最新的CC2530芯片和ZigBee协议栈Z-Stack为基础, 用于监测航天器内部及其设备的温度、湿度、电压、电流等参数. 实验证明, 本设计具有低功耗、 传输可靠、网络鲁棒性及组网灵活等优点.