納型衛(wèi)星是指質(zhì)量在1～10kg 之間的衛(wèi)星。與微型衛(wèi)星相比， 納型衛(wèi)星對遙感系統(tǒng)在質(zhì)量、體積、功耗等方面的要求更加苛刻。目前廣泛用于微型衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的電荷耦合器件CCD很難滿足納型衛(wèi)星的使用要求。CMOS圖像傳感器采用標準的CMOS 技術(shù)， 繼承了CMOS 技術(shù)的優(yōu)點， 如靜態(tài)功耗低、動態(tài)功耗與工作頻率成比例、噪聲容限大、抗干擾能力強、特別適合于噪聲環(huán)境惡劣條件下工作、工作速度較快、只需要單一工作電源等。雖然 CMOS 器件的研究還未完全成熟， 如電離環(huán)境下暗電流稍大等問題還沒有很好地解決，還不能完全取代CCD， 但不可否認CMOS 器件將是未來遙感傳感器的發(fā)展方向。本文設(shè)計了一套納型衛(wèi)星CMOS 遙感系統(tǒng)， 并對其進行了熱循環(huán)實驗研究。

　　1　納型衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的設(shè)計

　　1. 1　遙感系統(tǒng)總體設(shè)計

　　納星遙感系統(tǒng)如圖1 所示， 包括鏡頭、CMOS圖像傳感器、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、靜態(tài)隨機存儲器SRAM 和微控制器5 部分。

　　圖1　納星遙感系統(tǒng)框圖

　　1. 2　光學系統(tǒng)設(shè)計

　　1） 焦距設(shè)計

　　遙感相機光學系統(tǒng)的原理如圖2 所示。圖中用一個透鏡代表實際光學系統(tǒng)的透鏡組， 示意了視場中地面景物的最小可分辨單元在成像面上產(chǎn)生一個相應(yīng)的點。對于衛(wèi)星遙感相機的光學系統(tǒng)， 因為成像物距等于衛(wèi)星軌道高度h， 相對于焦距f 來說可認為是無窮遠， 所以可認為光線都是近軸的平行光。這些近軸平行光通過光學系統(tǒng)的透鏡組后， 匯聚在透鏡組的焦平面上。因此， 從透鏡組中心到焦點的距離， 焦距將大體上決定聚光系統(tǒng)的長度， 而光學系統(tǒng)的理論分辨率則主要由光學孔徑D決定。

　　圖2 光學系統(tǒng)原理圖

　　在實際設(shè)計中， 焦距通常是根據(jù)地面分辨率和圖像傳感器的大小通過下式來確定的：

　　式中： h為衛(wèi)星到地面的距離， rd為CMOS圖像傳感器探測面半徑， R為相機成像覆蓋半徑。

　　2） 光學孔徑設(shè)計

　　為保證成像器件探測面獲得足夠的曝光量， 根據(jù)遙感光學系統(tǒng)的經(jīng)驗計算相機光學系統(tǒng)的光圈數(shù)：

　　實際設(shè)計中， 一般取F≤4～5。

　　遙感相機光學系統(tǒng)可近似為望遠鏡系統(tǒng)， 其最小分辨角， 即望遠鏡分辨率， 可用剛好能分辨開的兩物點對系統(tǒng)的張角θr 表示， 根據(jù)望遠鏡分辨率和Rayleigh 衍射判據(jù)有如下計算式：

　　式中λ為中心波長。光學系統(tǒng)在平坦地面上的理論分辨率為

　　式中θt為地物中心對光學系統(tǒng)的張角。

　　設(shè)計中應(yīng)綜合考慮式（2） 和（4） 的結(jié)果， 選定的設(shè)計參數(shù)在保證遙感系統(tǒng)獲得足夠光照的情況下，要同時滿足設(shè)計分辨率的要求。

　　1. 3　電子系統(tǒng)設(shè)計

　　考慮到星地相對運動速度， 每幅圖像的曝光時間約為幾毫秒， 故設(shè)計中采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA ） 對CMOS 圖像傳感器進行時序控制， 并將輸出的圖像數(shù)據(jù)保存到SRAM 中。當需要傳輸圖像的時候， 由FPGA 將保存在SRAM 中的圖像數(shù)據(jù)讀出， 通過CAN總線傳至星上數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

　　1） 器件選型

　　CMOS 圖像傳感器按照像元電路可分為無源像素傳感器（PPS） 和有源像素傳感器（APS）。目前國際上能夠買到的分辨率達到106級以上的CMOS圖像傳感器并不多， 價格差異也很大， 設(shè)計中應(yīng)根據(jù)CMOS 圖像傳感器的光學要求和市場狀況綜合選型。為保證成像質(zhì)量， 納型衛(wèi)星上宜選用CMOS 有源像素傳感器。

　　FPGA根據(jù)實現(xiàn)技術(shù)機理的不同， 可分為反熔絲型、EPROM或EEPROM型、Flash型、SRAM型等幾種。根據(jù)航天器件要求， FPGA 控制器件宜選擇反熔絲型FPGA 產(chǎn)品。選擇SRAM 時， 主要考慮圖像數(shù)據(jù)量要求以及SRAM的數(shù)據(jù)端口位數(shù)、存取時間、工作溫度、功耗等因素。

　　CAN 總線接口的主要任務(wù)是接收星上數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)來的命令， 完成對相機的相關(guān)監(jiān)控， 將獲得的圖像數(shù)據(jù)分時發(fā)送給星上數(shù)據(jù)處理模塊。本文選用的微處理器在MCS251 系列單片機的基礎(chǔ)上集成了CAN 控制器， 既可以實現(xiàn)對遙感系統(tǒng)簡單的監(jiān)控功能， 又可以方便地實現(xiàn)CAN 通訊功能。

　　2） FPGA 控制器設(shè)計

　　作為相機成像模塊的控制核心， FPGA 負責產(chǎn)生所有重要的控制時序， 包括產(chǎn)生CMOS 圖像傳感器的工作時序， 把讀出CMOS 圖像傳感器數(shù)據(jù)存到SRAM 中; 將存放在SRAM 中的圖像數(shù)據(jù)分時輸出。整個FPGA 的傳輸模型如圖3 所示。

　　圖3　FPGA 設(shè)計模型圖

　　FPGA 對CMOS 圖像傳感器的成像控制如狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖4 所示。當系統(tǒng)啟動后， FPGA 先向CMOS 圖像傳感器發(fā)出芯片復位指令， 芯片復位完成后， 讓Reset 指針沿著像素矩陣逐行移動， 而使Read 指針保持在初始位置（第0行） ， 進行讀前行復位。當Reset 指針到達某一目標行， 其間所間隔的時間滿足積分時間時， 即開始激活Read 指針， 并開始移動Read 指針， 進行讀取。如此循環(huán)交替移動兩個指針， 不斷進行讀間行復位、行讀取、讀間等待， 即可保證整個像素陣列各行都符合所要求的積分時間。

　　圖4　FPGA 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　3） CAN 總線接口設(shè)計

　　CAN 總線接口的主要任務(wù)是接收星上數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)來的命令， 監(jiān)控遙感相機模塊的工作狀態(tài)，包括遙感相機模塊的電源控制、電流監(jiān)測、溫度監(jiān)測、曝光時間控制等功能， 并將獲得的圖像數(shù)據(jù)分時發(fā)送給星上數(shù)據(jù)處理模塊。設(shè)計上， 星上數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)來的指令會使微控制器進入中斷， 設(shè)置相應(yīng)的標志。微控制器查詢各標志的變化， 根據(jù)星上CAN通訊協(xié)議完成相關(guān)動作， 包括監(jiān)測遙感模塊工作溫度、工作電流， 設(shè)置曝光時間， 進行圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?br />