基于FPGA的小型化太阳敏感器图像采集与处理方法

施 蕾，周 凯，张建福，孙 强，吴一帆

(1.空间智能控制技术重点实验室，北京 100190;2.北京控制工程研究所，北京100190;3.中国航天科技集团公司，北京 100048)

随着卫星向微小型、甚至纳卫星、皮卫星方向发展，卫星要求实现整体的一体化、集成化和轻小型化设计，原有的传统型太阳敏感器已经满足不了设计需求，这就需要太阳敏感器在提高精度的同时，减少其体积、质量和功耗［1］.

太阳敏感器是航天姿态控制系统中的重要测量部件，是在航天领域应用最广泛的敏感器之一.太阳敏感器通过测量太阳光线与卫星本体某一体轴之间的夹角，来确定太阳在敏感器本体坐标系中的位置，然后通过坐标矩阵变换得到太阳在卫星本体坐标系中的位置，最终在卫星的姿控系统中求得卫星的姿态，即卫星在空间的方位.

卫星对姿态控制精度要求的日益提高以及小卫星、皮卫星等微小卫星的逐步发展，太阳敏感器也随之向着微型化、集成化、模块化、大视场、高精度和高可靠性的方向发展［2］.

1 小型化太阳敏感器系统的发展现状

1.1 太阳敏感器

太阳敏感器按照工作方式主要分为“0－1”式、模拟式和数字式3种类型［3］.其中“0－1”式太阳敏感器又称为太阳发现探测器，只要有太阳就能产生输出信号，一般用来捕获太阳实现卫星的粗定姿.模拟式太阳敏感器常使用光电池作为其传感器件，它的输出信号强度与太阳光的入射角度有关.模拟式太阳敏感器几乎全部都是全天工作，其视场一般在20°～30°左右，精度在 1°左右，在大视场情况下，分辨率和测量精度很难进一步提高.

数字式太阳敏感器通过计算太阳光线在卫星上相对中心位置的偏差来计算太阳光的角度;视场范围一般在±60°左右，精度能够优于0.05°.数字式太阳敏感器主要有电荷耦合器件(CCD，charge coupled device)和互补型金属氧化物半导体(CMOS，complementary metal-oxide silicon)有源像素传感(APS，active pixel image sensor)两种.

通过国内外航天机构近30年的发展研究，数字式CCD太阳敏感器技术已经相当成熟.不同技术指标的CCD太阳敏感器，已广泛应用于各类航天器高精度的姿态控制系统.但是随着卫星微小型化的趋势，要求其组成部件也要微小型化.这便对系统的体积、质量和功耗等提出了更高的标准.而基于CCD的太阳敏感器却难以满足其不断发展的要求.

随着超大规模集成电路技术 (VLSI，very large scale integration)的迅速发展，出现了一种新型的图像传感器——CMOS APS.这种图像传感器芯片耗电量小(通常为CCD的1/10)、成本低(是CCD的1/120)、像素缺陷低(是CCD的1/20)，可以将时钟和控制电路、信号处理电路、模数转换电路、图像压缩等电路与图像敏感器阵列完全集成在一起，可以实现低成本、低功耗、高集成度的单芯片成像微系统.CMOS APS型图像传感器在保持CCD原有的优良特性的同时，在抗辐射能力、传输效率、功耗和集成度等方面克服了CCD的局限而取得了长足进步.目前，高性能CMOS APS图像传感器和可编程逻辑器件的出现为航天器实现高精度、小型化的太阳敏感器提供了研制基础.

1.2 图像采集与处理系统

图像采集与处理系统是指用设备来捕获客观世界的图像和特征，也就是用设备来实现对客观世界的识别.图像采集与处理系统大部分均采用实时图像采集技术，在图像处理的实时性方面，通常采用的计算机软件实现的方法已不能满足要求，因其本质是顺序执行指令，不能并行处理需要实现的数据，而且，现今的图像处理应用也越来越趋向于小型化和嵌入式，因此，综合考虑，应采用硬件方法来实现图像采集与处理.

硬件方法实现图像采集与处理的方法有:采用专用集成芯片(ASIC，application specific integrated circuit)、数字信号处理器(DSP，digital signal process)和可编程逻辑器件FPGA.由于基于专用芯片ASIC实现的方式在灵活性、系统可更改性上较差，不适合前期开发以及新产品的研制;采用DSP方式实现，在数据吞吐量、运行速度、系统结构的可重配性以及功能的升级方面存在较多约束;而可编程逻辑器件FPGA具有较高的并行处理速度和较强的灵活性，在图像采集与处理方面具有独特的优势，适用于需要大规模数据量处理、并行流水线方式操作的新型太阳敏感器图像采集与处理系统［4］.

2 新型太阳敏感器工作原理

本文中介绍的太阳敏感器是一种利用新原理新技术实现的低功耗、小体积、轻重量的新型数字式太阳敏感器.在太阳敏感器中，利用CMOS图像传感器作为光电转换器件，利用光孔玻璃作为光线引入器，将太阳经光学系统(掩膜)成像到CMOS图像传感器上，通过计算太阳像的能量中心，并与太阳零度角入射时能量中心作比较，即可得到太阳此时相对敏感器本体坐标的方位角.

图1 太阳敏感器工作原理坐标系示意图Fig.1 Sketch of the working principle of sun sensor

建立如图1的坐标系，假设太阳光在小孔坐标系矢量方向为γ，在两轴方向上的入射角度分别为α、β.小孔平面与成像平面的距离是F，则可以得到该坐标系下光斑像点坐标(Xc，Yc)以及入射角度α、β的计算表达式:

3 利用FPGA实现图像采集与处理系统

3.1 系统结构设计

新型太阳敏感器采用光、机、电一体化设计，由带防尘罩的光线引入器、电路系统、机械结构等3大部分组成.利用新原理、新技术，实现了太阳敏感器低功耗、小体积、轻重量的新型数字式设计.

电路设计主要包括CMOS图像传感器、CMOS图像传感器控制电路、图像采集及处理电路、微控制器(MCU，microprogrammed control unit)以及接口电路.其中图像传感器选择了专门针对空间应用环境设计的抗辐射加固APS图像传感器芯片，FPGA采用对单粒子翻转不敏感的反熔丝型FPGA.基于FPGA的硬件电路实现了对图像传感器芯片的驱动与控制;完成了图像数据采集和“质心法”计算太阳像光斑中心位置的图像数据算法处理;协助微控制器进行角度计算、角度补偿、系统姿态信息换算以及与中心处理单元主控设备的信息交互等.

3.2 基于FPGA的图像采集方法

FPGA按照图像传感器控制时序逻辑，利用滚动输出原理，控制图像传感器芯片产生和输出图像数据.FPGA可以根据控制信息，自动调节曝光时间，并进行实时的图像传感器芯片供电电压和状态采集.

图2 滚动输出时序示意图Fig.2 Scrolling output timing diagram

图3 图像预处理操作流程示意图Fig.3 Image preprocessing operation flow chart

滚动输出控制方法见图3所示.对图像某一行的操作时序分为行复位和行读取两步;积分时间即为行复位时刻到行读出时刻之间的时间差.积分过程逐行进行，行与行之间互不影响.但是由于图像传感器芯片的行地址与列地址共用一组输入端口，因此不能像访问普通矩阵中的某一元素，通过同时提供行、列地址进行数据锁定;而是需要通过行读取锁定行地址，再进行列读取锁定列地址，最后读取目标像素值.

图像传感器芯片的控制时序基于滚动输出的卷帘式快门设计，在图像捕获、图像跟踪等特殊应用下，可实现对某一或某些目标窗口的单独驱动，即可以实现对图像传感器芯片部分行进行曝光和数据读取，可以有效地缩短图像采集时间，拓展在高速度、高精度光学敏感器领域的应用范围.

3.3 基于FPGA的图像处理方法

3.3.1 图像预处理算法

FPGA采集的图像数据并不能直接用于太阳光斑像点坐标的计算，需要经过阈值比较等操作，才能实现精确计算坐标.由FPGA实现对图像像素单元的预处理操作，可以完成图像的去背景处理、孤立像点的剔除以及像素灰度的分布分析等.图像预处理操作流程参见图4.

图4 输出的太阳光斑坐标曲线图Fig.4 Coordinate of the solar facula

3.3.2 太阳光斑定位算法

本文介绍的太阳敏感器采用“质心法”对太阳进行实时定位.“质心法”实际是基于平面几何中实体积分求重心的原理.它将太阳像区域看作一个实体，像素为最小的计量单位，输出的电压值为权重.

这样，当图像区域有X行、Y列时，通过下面的公式(2)可以计算出太阳光斑的中心坐标.

其中，XC、YC为太阳光斑的中心坐标，x、y为当前像素对应的行、列值，G为当前像素对应的灰度值，为所有像素的灰度和.

3.3.3 利用FPGA实现太阳光斑定位

FPGA按照控制时序，每采集一个像素数据，首先对该像素数据进行预处理操作，然后再依据当前状态，按照公式(2)对像素灰度和进行累加，其中为了加快计算速度，FPGA内部实现了不大于三级流水的乘法器，用于快速完成行、列地址和像素灰度值的相乘.

4 试验验证及标定结果

4.1 试验验证

通过仿真验证，对于同一帧图像，使用测试计算机MATLAB仿真软件计算的太阳光斑坐标与通过星上产品计算的太阳光斑坐标，两者结果一致.

通过系统测试，随机读取太阳敏感器的实际太阳光斑坐标，均未超出坐标理论计算值(使用MATLAB计算得到)的偏差范围.图4和表1给出了系统测试时FPGA输出的太阳光斑坐标.图5为小型化太阳敏感器的太阳光斑实际成像图.

图5 太阳光斑实际成像图Fig.5 Solar facula

表1 系统测试时FPGA输出的太阳光斑坐标Tab.1 Coordinate of the solar facula yielded by FPGA

表2 太阳敏感器主要性能指标比较［5］Tab.2 Main performance indices of sun sensors

4.2 标定结果

小型化太阳敏感器已经通过标定(如表2所示)，视场范围可达到64°×64°，测角精度不低于0.03°，质量小于 0.51kg，总功耗为1W.

5 结论

微型化、高精度的数字式太阳敏感器逐渐成为国内外航天科研机构研究的热点.本文研究的小型化太阳敏感器，采用了CMOS APS图像传感器芯片，通过FPGA实现了对图像传感器的合理控制、对图像数据的快速采集和预处理以及对太阳光斑坐标的高精度计算等功能的集成处理，有效地实现了太阳敏感器低功耗、小体积、轻重量的设计目标，在重量、体积、功耗等方面与传统的模拟式和CCD式太阳敏感器相比有较大进步，而且已经基本达到国外航天机构同类产品的设计水平.

［1］ 詹亚锋，马正新，曹志刚.现代微小卫星技术及发展趋势［J］.电子学报，2000，28(7):102-106 Zhan Y F，Ma Z X，Cao Z G.Technology of modern micro satellite and its development direction［J］.ACTA Electronica Sinica，2000，28(7):102-106

［2］ Falbel G，Palusezek M A.An ultra low weight/low cost three axis attitude readout system for nano-satellites［C］.2001 IEEE Proceedings Aerospace Conference，Big Sky，Montana，March 10-17，2001

［3］ 李辉.基于CMOS相机的微卫星数字式太阳敏感器研究［D］.浙江大学，2010 Li H.The digital sun sensor based on CMOS camera［D］.Zhejiang University，2010

［4］ 祝长锋.基于FPGA的实时图像检测技术的研究［D］.江苏大学，2008 Zhu C F.Based on FPGA miniature sun sensor image acquisition and processing methods［D］.Jiangsu University，2008

［5］ 何丽，胡以华.太阳敏感器的原理与技术发展趋势［J］.电子元件与材料，2006，25(9):5-7 He L，Hu Y H.Principium and technology development tendency of sun sensors［J］.Electronic Components ＆Materials，2006，25(9):5-7