基于MOEMS的微型數(shù)字太陽敏感器*

李 杰,鄭倫貴,2*,陳 星,王建中(.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 0005;2.清華大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,北京 00084;.中國航天科工集團第三研究院第三○四研究所,北京 00074)

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基于MOEMS的微型數(shù)字太陽敏感器*

李 杰1,鄭倫貴1,2*,陳 星3,王建中1
(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.清華大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,北京 100084;3.中國航天科工集團第三研究院第三○四研究所,北京 100074)

結合CMOS APS圖像傳感器與MEMS工藝的優(yōu)勢,研制了一種適用于微納衛(wèi)星的兩軸數(shù)字太陽敏感器,在保證測量精度的同時,減小了系統(tǒng)的體積與功耗。其光學系統(tǒng)由CMOS APS圖像傳感器和MEMS工藝制作的孔陣列結構光學引入器組成,提高了敏感器的分辨率,擴大了有效視場的范圍。利用太陽模擬器對數(shù)字太陽敏感器進行了測試標定,結果表明,在120°圓錐全視場范圍以內,1σ精度優(yōu)于0.035°。

數(shù)字太陽敏感器;CMOS APS圖像傳感器;光線引入器

微納衛(wèi)星因其成本低、研制周期短、發(fā)射靈活等優(yōu)點,廣泛應用于在軌試驗、遙測通信、深空探測等應用領域。基于CCD(Charge Coupled Device)及CMOS(Comp-lementary Metal Oxide Semiconductor)APS(Active Pixel)圖像傳感器的微型數(shù)字太陽敏感器是微小衛(wèi)星姿態(tài)確定與控制系統(tǒng)ADCS(Attitude Determination and Control System)常用的一種姿態(tài)敏感器,能夠為衛(wèi)星提供所需要的太陽矢量信息[1]。

隨著微納衛(wèi)星的發(fā)展及小型化研究的深入,對太陽敏感器的質量、功耗及精度等提出了更高的要求[2],文獻[3]研制了一種適用于微型航天器的兩軸數(shù)字式太陽敏感器,質量小于300 g,在±64°視場以內精度優(yōu)于0.1°,±10°視場以內精度優(yōu)于0.02°,但2.5 W的功耗偏高,2 Hz的更新率偏低;文獻[1]設計的基于全景魚眼鏡頭的數(shù)字太陽敏感器視場為180°×360°,功耗150 mW,但3δ精度0.18°不能滿足高精度姿態(tài)信息輸出的需求。

針對以上存在的不足與缺陷,結合微納衛(wèi)星設計中“結構模塊化”、“接口規(guī)范化”等發(fā)展特點,本文提出了一種基于微光電子機械系統(tǒng)MOEMS(Micro Opto Electro Mechanical System)的兩軸數(shù)字太陽敏感器,圓錐視場可達120°,具有更小的體積、功耗及更高的精度。

1 光學系統(tǒng)設計

微型數(shù)字太陽敏感器光學系統(tǒng)由CMOS APS圖像傳感器和MEMS工藝制作的孔陣列結構光學引入器組成。同CCD相比,CMOSAPS圖像傳感器在小型化、低功耗等方面具有更為突出的優(yōu)勢,CMOS APS感光探測器與MEMS技術相結合,應用于新一代太陽敏感器的研制,逐步具備與常規(guī)CCD感光探測系統(tǒng)相當?shù)男阅堋；贛OEMS的兩軸數(shù)字太陽敏感器光學系統(tǒng)設計如圖1所示。

圖1 光學系統(tǒng)設計

微型太陽敏感器采用單板式結構,光線引入器設計為陣列多孔形式。在玻璃基底上度Cr膜進行光線衰減,然后采用刻蝕圖案的硅作為光闌[4]。通過硅玻璃鍵合技術將光線引入器與CMOS APS圖像傳感元件集成起來,從而減小系統(tǒng)體積,進一步降低光路折射誤差,以期實現(xiàn)低成本、低功耗、高集成度的單芯片成像系統(tǒng)。

為保證120°圓錐有效視場,避免視場過渡時候出現(xiàn)盲區(qū),考慮小孔衍射圖像的質量,經(jīng)過計算與仿真,確定光線引入器掩膜層到光探測面的距離h=150 μm,小孔尺寸為30 μm×30 μm,小空組間距為200 μm,小孔陣列9×9。圖2表示入射角為45°時,小孔衍射MATLAB仿真結果。

圖2 小孔衍射仿真圖

2 圖像處理與算法

2.1 信息處理單元

基于FPGA的太陽敏感器信號處理單元如圖3所示。FPGA通過拍照控制信號設置太陽敏感器的工作模式,由CMOS APS圖像傳感器獲取的感光圖像信息經(jīng)DS90CR255 CameraLink接口芯片轉換為低電壓差分信號,再通過DS90CR256芯片將信號轉換成并行信號進入FPGA輸入端口并緩存。FPGA里的“太陽光線”解算模塊進行太陽光斑識別和質心提取,并求出最終的太陽光線入射角。

圖3 信息處理單元

2.2 質心及太陽入射角算法

COMS APS圖像傳感器感光的一幀圖像分辨率為1 024×1 280,有效掃描圖像區(qū)域設置為邊界為起點像素坐標(40,40),終點像素坐標(983,1 059)的矩形區(qū)域。讀取一幀CMOS APS圖像傳感器圖像信息,進行初始化及參數(shù)設置,按預設程序對有效圖像區(qū)域進行掃描,找出灰度值大于預設閾值的有效像素點所形成的光斑,并計算光斑質心及兩軸太陽入射角。為避免視場過渡出現(xiàn)盲區(qū),光線引入器三個小孔為一組,即一般情況下COMS APS光探測面可見三個光斑,工程應用中捕獲一個光斑即為成功。算法工作流程如圖4所示。

圖4 圖像處理算法流程圖

圖5表示平行太陽光線穿過小孔在光探測面的投影,采用過閾值質心算法的二維太陽角矢量信息解算過程如下[1-3,5-8]:①太陽入射角為0°,計算太陽光斑質心原點坐標(xo,yo)；②讀取有效圖像區(qū)域,采用過閾值質心算法計算質心坐標(xc,yc)

(1)

式中:(x,y)為光斑像素點坐標,f(x,y)為像素點(x,y)的灰度值。

③計算兩軸太陽角(α,β)

(2)

式中:h為光線引入器掩膜層到光探測面的距離。

④計算太陽入射角γ

(3)

圖5 數(shù)字太陽敏感器原理

圖6 微型數(shù)字太陽敏感器工程樣機

3 測試分析

在文獻[2-3]的工作基礎上,采用性能更為出色的CMOSAPS圖像傳感器,基于MOEMS技術研制的高精度微型數(shù)字太陽敏感器工程樣機如圖6所示。外形尺寸80mm×68mm×34mm,質量182g,功耗小于1W,更新率優(yōu)于10Hz。

3.1 轉臺實驗

為驗證微型數(shù)字太陽敏感器設計的合理及是否達到指標要求,常溫常壓室內條件下,設計了轉臺實驗,主要測試用設備及性能如表1所示。

表1 測試設備及性能

轉臺實驗設計如下[9]:①如圖7所示,用專用試驗夾具將數(shù)字太陽敏感器固定安裝在SGT-3型轉臺的內框架上,并調整與PLM150-1800型太陽模擬器保持精密對準。②微型太陽敏感器上電,打開太陽模擬器,調整轉臺使α=0°,β=0°,以5°為步長,依次測試并記錄不同角度下數(shù)字太陽敏感器的輸出,并與預設值作比較統(tǒng)計誤差。

3.2 誤差分析

受內外部因素干擾影響,微型數(shù)字太陽敏感器輸出包含多種誤差項,其中主要包含成像系統(tǒng)噪聲、不一致性和數(shù)字量化誤差,數(shù)學模型及質心算法所引入的估計誤差,測試設備自帶誤差及非對準安裝誤差等[10-11]。全視場下太陽敏感器的誤差結果如圖8所示。

圖8 全視場系統(tǒng)誤差

表2列出了幾種典型角度位置下太陽敏感器輸出誤差的標準差,結果表明,120°圓錐全視場范圍內,研制的微型數(shù)字太陽敏感器工程樣機1σ精度優(yōu)于0.035°,在半視場或更小視場下,精度可達0.01°。從誤差源角度入手分析,輸出誤差大多由質心算法估計誤差及非嚴格測試過程所導致。采用多張圖片信息加權求均值的途徑,或使用經(jīng)緯儀等精密儀器輔助測試可減小太陽敏感器的輸出誤差。

表2 測試結果

4 結論

基于CMOS APS圖像傳感器和MEMS技術的微型數(shù)字太陽敏感器滿足微納衛(wèi)星對體積和功耗的要求,120°圓錐全視場下,1σ精度優(yōu)于0.035°,更新率優(yōu)于10 Hz,可為微納衛(wèi)星ADCS系統(tǒng)提供高精度的姿態(tài)信息。

[1] 白光耀,王昊,王志遠,等. 面向微小衛(wèi)星的全視場數(shù)字太陽敏感器設計[J]. 傳感技術學報,2016,29(2):232-236.

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[3] 丁天懷,畢研剛,王鵬. 基于CMOS APS的微型數(shù)字式太陽敏感器[J]. 清華大學學報(自然科學版),2008,48(2):203-206.

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[5] 賈傳良. 數(shù)字式太陽敏感器研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2007.

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李 杰(1987-),男,河北人,博士研究生,測試計量技術與儀器專業(yè),主要研究方向為慣性系統(tǒng)及測試,組合導航算法研究,583598264@qq.com;

鄭倫貴(1980-),男,四川人,講師,儀器科學與技術專業(yè),主要研究方向為衛(wèi)星姿態(tài)確定及控制,捷聯(lián)慣導和組合導航系統(tǒng)研究。

Micro-Digital Sun Sensor Based on MOEMS*

LI Jie1,ZHENG Lungui1,2*,CHEN Xing3,WANG Jianzhong1
(1.Educational Key Laboratory for Instrument Science and Dynamic Measurement,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Department of Precision Instruments,Tsinghua University,Beijing 10008,China;3.304 Institute of China Aerospace Science and Industry Corp,Beijing 100074,China)

Combining the advantage of CMOS APS image sensor and MEMS technology,a kind of digital solar sensorused in micro-nano satellites is developed. The measurement accuracy is satisfied,meanwhile the volume and power consumption of the system is reduced. The optical systemconsists of CMOS APS image sensor and a MEMS based optical introducer with a hole array structure,which improves the resolution of the sensor and enlarges the effective field of view. The calibration of the gigital sun sensor is done using a solar simulator,the test results show that the accuracy(1σ)is better than 0.035° in a full field of coneview of 120°.

gigital sun sensor;CMOS APS image sensor;optical introduce

項目來源:清華大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室開放基金項目(16106000005)

2016-11-13 修改日期:2016-12-27

TN914.42

A

1004-1699(2017)04-0519-04

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.006