《电子技术应用》
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国产化微小型星敏感器研究及应用
2018年电子技术应用第1期
郑 拓,王冠雅
北京微电子技术研究所,北京100076
摘要: 星敏感器是航天飞行器姿态控制的重要组成部件。基于国产抗辐射CMOS APS芯片和SoPC控制芯片,设计一款微小型星敏感器的光学及电学系统,最终实现星敏感器的小型化、国产化。以研制一台国产化微小型化星敏感器作为切入点,研究其参数的设计、系统的构建、使用性能等关键技术问题。最终研制的星敏感器符合预期设计,能够完成基本功能。
中图分类号: V448.22
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172768
中文引用格式: 郑拓,王冠雅. 国产化微小型星敏感器研究及应用[J].电子技术应用,2018,44(1):76-78,83.
英文引用格式: Zheng Tuo,Wang Guanya. Research and application of domestic micro star sensor[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(1):76-78,83.

Research and application of domestic micro star sensor
Zheng Tuo,Wang Guanya
Beijing Microelectronics Technology Institute,Beijing 100076,China
Abstract: Star sensor is an important part of the attitude control of spacecraft. Based on the homemade anti-radiation CMOS APS chip and SoPC control chip, the optical and electrical system of a miniature star sensor is designed, and finally the miniaturization and localization of star sensor are realized. In order to develop a homemade miniaturized star sensor as the breakthrough point, the key technical issues of its parameter design, system construction and performance are studied. The developed star sensor eventually meets the expected design, and can complete the basic functions.
Key words : star sensor;localization;miniaturization

0 引言

    星敏感器是所有敏感器中最为精密而且漂移最小的,是航天飞行器中重要的定姿系统。使用CMOS作为星敏感器的传感器器件已经是现在的主流方向,国产星敏感器与国外先进技术存在着较大的差距,使用国产化器件,拥有自主知识产权的微小型化星敏感器已经变得迫在眉睫。本文以某国产化CMOS APS芯片和SoPC控制芯片设计星敏感器,对其光学及电学系统进行研究设计。

1 星敏感器设计

    星敏感器系统由遮光罩、光学镜头、敏感器芯片及外围电路、数据处理器和电脑控制系统组成,其组成框图如图1所示。

ck7-t1.gif

1.1 光学系统设计

    本文中使用的CMOS APS传感器为某国产型号B1XXX,电路中各项功能、指标、参数、封装形式、引脚定义均兼容最常用的美国CYPRESS公司STAR1000产品,其参数见表1。

ck7-b1.gif

    星敏感器光学系统参数会根据不同的应用环境而有所不同,它主要由以下几点确定:传感器的像元尺寸、光谱响应特性、所需探测的最高星等。光学系统的参数需要设定的有镜头的焦距、光谱范围、弥散斑尺寸、通光孔径、中心波长透过率等[1]

1.1.1 视场角的确定

    视场角是确定光学镜头能够探测到星空最大范围的指标。在同等条件下,视场角越大,能够观测到的星数越多。但是过多的星数会干扰后续的计算,所以选择合适的视场角是构建光学系统的第一步。

    本文使用的APS CMOS传感器是某国产芯片。像元尺寸15 μm,分辨率1 024×1 024,工作波长范围选定为400 nm~780 nm。要求在任意姿态下捕获4颗以上导航星的概率达到99%,以便后续计算[2]。根据这一数据要求,通过编程处理星表,可得在给定视场内观测到各个星等的数量。进一步统计当星等为5.5等时,选取视场角为20°×20°能够满足在任意视场内观测到4颗及以上星星这一条件。故选取20°×20°作为视场角。

1.1.2 焦距的确定

    焦距是确定成像平面到镜面的距离。由于选取的物体远近不同,焦距会产生相应的变化。在太空中,星星的位置与距离相对固定,所以与普通的相机变焦不同,星敏感器的焦距是固定的。现有光学系统视场和焦距关系式为:

ck7-gs1-2.gif

1.1.3 弥散斑尺寸的确定

    本文以 20°×20°的视场角为例,采用1 024×1 024 像元,则单个像元仅能达到20/1 024≈0.019 5°≈70″。为了提高像元测算的精准度,需要将传感器接收到的图像进行离焦,使像点弥散开来,从而使能量扩散到周围的数个像元。将多个像元的能量信号进行汇总,根据一定的算法,共同计算并获取星点的位置。这样做的目的是使得星点位置不仅仅从单个像元上获得,而是能够达到亚像元级别。即亚像元内插星点提取方法[3]。目前常用的弥散斑尺寸大小有2×2像元或者3×3像元,使用大的弥散斑尺寸能提高定位精度,但会影响到后续的计算速度。本文采取2×2像元大小作为弥散斑尺寸。

1.1.4 相对孔径的确定

    孔径与焦距用相对孔径F表示,即F/#=f/D。国标GB/T 30111-2013中,对相对孔径的定义是入瞳直径与焦距的比值,即D/f,其数值在1/0.8~1/6之间选取。

    F/#的计算由以下公式给出[4]

    ck7-gs3.gif

其中Vth为信噪比,取值5;Id为暗电流噪声;ck7-1.2-s1.gif为其余噪声总和;τ为光学系统透过率,取0.75;η为能量集中度,取90%;t为曝光积分时间,取100 ms;a为像元尺寸,取15 μm;k为探测器的光功当量;H为恒星发射到光学系统入瞳上的光照度;QE为量子效率;FF为面积占空比;d为弥散斑大小,h为普朗克常数,v表示入射光中心波长对应的频率。最终计算结果为D≥25.2 mm。则F/#=25.2/43.56=1:1.73。符合国家标准范围。

1.2 电学系统设计

1.2.1 CMOS APS传感器分析

    本文所用的B1XXX是一款具有1 024×1 024分辨率的抗辐射CMOS图像传感器,像素尺寸为15 μm×15 μm。电路各项功能、指标、封装形式、引脚定义均兼容美国CYPRESS公司的STAR1000产品。片内集成了双采样技术、可变增益放大器(PGA)以及12位模数转换器(ADC)。且片上ADC电学可隔离,既可以采用片上ADC数字量化输出,也可以依据用户需求,直接输出光模拟信号。

    电路具有智能窗口功能,即像素阵列的X、Y地址可随机编程,实现对窗口大小、起止地址的随机控制;具有高灵敏度(≥2.7 V/lux·s(@550 nm)),可适应空间微光环境需求;具有1、2、4、8倍可编程增益,可以根据光照强