一种用于深空探测的低功耗、轻小型、多功能空间相机及其实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于深空探测的低功耗、轻小型、多功能空间相机，包括遮光罩、光学镜头、APS板、相机控制板以及相机支撑结构；其关键在于，对使用了APS图像传感器的空间相机，引入遮光罩轻量化优化设计技术、光学系统的优化设计技术、相机支撑结构轻量化设计技术以及电子学系统优化设计，实现了空间相机的低功耗、轻小型和多功能，同时具有成像质量高和环境适应性强的优点，满足深空探测对低功耗、轻小型、多功能空间相机的需求。
【专利说明】—种用于深空探测的低功耗、轻小型、多功能空间相机及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明属于深空探测光电探测【技术领域】，涉及一种用于深空探测的低功耗、轻小型、多功能空间相机及其实现方法。
【背景技术】
[0002]随着深空探测技术的发展和深空探测任务需求，做作为深空探测必备的有效载荷(空间相机)的发展趋势为:随着技术不断进步，空间相机的性能越来越高，在深空探测中发挥的作用越来越重要，深空探测器所携带的空间相机也越来越多；空间相机所承担的科学目标从单一到多元化、从简单到复杂；深空探测空间相机趋向于集成化、小型化和多功能化，以减轻质量、降低成木、节省燃料、延长深空探测器寿命。由此低功耗、轻小型、多功能的空间相机研制技术是深空探测技术发展的关键技术之一。
[0003]深空探测任务对低功耗、轻小型、多功能的空间相机的需求主要表现两个方面，一方面是工程监视的需求，为了更真实、更实时地监视深空探测活动、掌握深空探测器关键部件的关键动作的状况以及监视探测器某些部位的长期状态，可以在探测器的不同部位安装低功耗、轻小型、多功能空间相机，将获取的图像及时地传回地面；另一方面是有效载荷的需求，这是十分重要的一个方面。研制一个深空探测器，其最终目的是探测某一天体，获取所需要信息，实现科学目标，就需要配置能符合目标需求的有效载荷。尽管有效载荷有多种类别，但以光学成像为基础的载荷始终都是重要而必须的。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于深空探测的低功耗、轻小型、多功能空间相机及其实现方法。
[0005]为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:
[0006]本发明提供了一种用于深空探测的低功耗、轻小型、多功能空间相机，包括遮光罩、光学镜头、APS板、压接型板间连接器、相机控制板以及相机支撑结构；其中,遮光罩、光学镜头、APS板、压接型板间连接器、相机控制板依次放置，
[0007]遮光罩，在所述光学镜头的前端，用于消减视场外的杂散光；
[0008]光学镜头,在遮光罩与APS板之间，用于收集将待成像目标光学信号，并成像在APS图像传感器上；
[0009]APS板，在光学镜头与相机控制板之间，将光学镜头收集光学信号转换成电学信号，同时实现差分LVDS信号转为单端信号和二次电源转换功能；
[0010]压接型板间连接器，在APS板与相机控制板之间，用于连接APS板和相机控制板，实现两块电路板的信号传输；
[0011]相机控制板，在空间相机后端，用于APS芯片的控制信号、采集图像、输出图像、串行通信；[0012]相机支撑结构，用于固定光学镜头、APS板和相机控制板以及实现对外的机械接口，保证空间相机空间辐照环境的适应和力学环境的适应。
[0013]上述方案中，所述遮光罩的通光孔为长方形遮光罩，长方形的长边与APS图像传感器的长边对应，长方形的短边与APS图像传感器的短边对应。长方形通光孔与所述空间相机的22.9° X 16.9°视场角相适应。
[0014]上述方案中，所述APS板上的APS图像传感器为IA-G3彩色探测器，像元数为2352 X 1728，图像传感器的2352与遮光罩通光孔的长边对应，图像传感器的1728与遮光罩通光孔的短边对应。
[0015]上述方案中，所述压接型板间连接器为Airborn的航天级4排板间连接器。
[0016]上述方案中，所述相机控制板上的相机控制FPGA为航天级反熔式FPGA。
[0017]上述方案中，所述相机控制FPGA，包括APS驱动模块、工作模式控制模块、SRAM控制模块、串行通讯模块、曝光控制模块和并转串模块；其中，
[0018]APS驱动模块，用于控制IA-G3彩色图像传感器的时序；
[0019]工作模式控制模块，用于根据串行通讯接口工作模式命令，实现待机，静态拍照，动态摄像抽样和动态摄像开窗口四种工作模式的切换，从而控制图像输出；
[0020]SRAM控制模块，用于产生存储器读写操作所需时序，实现图像缓存、列方向开窗口和图像抽样功能；
[0021]串行通讯模块，用于完成外部命令注入和工程参数查询操作；
[0022]曝光控制模块，用于实现自动曝光和手动曝光两种模式；
[0023]并转串模块，用于将经过SRAM缓存后的8位图像数据转换成I位串行数据。
[0024]上述方案中，所述空间相机的视场为22.9° X 16.9°，焦距为43mm，F数为8，正常成像距离:5m~c?，重量为460g，功耗为3.52W，包络尺寸为:118.9mmX I IOmmX 92mm，功能为彩色图像获取、自动调光、杂散光抑制、静态拍照、动态摄像。
[0025]本发明提供的一种用于深空探测的低功耗、轻小型、多功能空间相机的实现方法，所述空间相机包括遮光罩、光学镜头、APS板、压接型板间连接器、相机控制板以及相机支撑结构；所述空间相机的视场为22.9° X16.9。，焦距为43mm，F数为8，正常成像距离:5m~①，重量为460g，功耗为3.52W，包络尺寸为:118.9_X IIOmmX 92mm,功能为彩色图像获取、自动调光、杂散光抑制、静态拍照、动态摄像；所述实现方法为:
[0026]I)所述空间相机的低功耗的实现方法为:
[0027]①选用IA-G3APS探测器来实现所述空间相机的低功耗；
[0028]用于航天领域的探测器主要包括CXD和APS探测器两大类，虽然CXD探测器技术成熟，但无法实现低功耗。APS探测器的集成度高、功耗低、抗辐照能力强，而且其性能和成像质量有大幅度提高，所述空间相机采用的IA-G3APS探测器将相关双采样、AD、AGC等功能集成在一起，减小了体积、重量、功耗。所以选用IA-G3彩色APS探测器来实现所述空间相机的低功耗。
[0029]②选用Actel公司的A54SX72A-CQ208B型FPGA器件来实现所述空间相机的低功耗。
[0030]所述空间相机采用集成度高的Actel公司的A54SX72A-CQ208B型FPGA器件来实现了空间相机的APS驱动控制、工作模式控制、SRAM控制、串行通讯控制、曝光控制和并转串控制，简化了硬件电路，降低了功耗。所以选用Actel公司的A54SX72A-CQ208B型FPGA器件来实现所述空间相机的低功耗。
[0031]2)所述空间相机的轻小型的实现方法为:
[0032]①选用IA-G3APS探测器来实现所述空间相机的轻小型；
[0033]用于航天领域的探测器主要包括CXD和AP S探测器两大类，虽然CXD探测器技术成熟，但无法实现轻小型。APS探测器的集成度高、功耗低、抗辐照能力强，而且其性能和成像质量有大幅度提高，所述空间相机采用的IA-G3APS探测器将相关双采样、AD、AGC等功能集成在一起，减小了体积、重量、功耗。所以选用IA-G3彩色APS探测器来实现所述空间相机的轻小型。
[0034]②选用Actel公司的A54SX72A-CQ208B的FPGA器件来实现所述空间相机的轻小型；
[0035]所述空间相机采用集成度高的Actel公司的A54SX72A-CQ208B型FPGA器件来实现了空间相机的APS驱动控制、工作模式控制、SRAM控制、串行通讯控制、曝光控制和并转串控制，简化了硬件电路，减小了电路板尺寸，从而减轻了所述空间相机的体积。所以选用Actel公司的A54SX72A-CQ208B型FPGA器件来实现所述空间相机的轻小型。
[0036]③选用Airborn的航天级4排板间连接器(RC442-052-351-4400)来实现所述空间相机的轻小型；
[0037]所述的空间相机，其电子学系统(PCB板、各类器件等)在整个相机的重量中所占比例较小，相机支撑结构(保证相机的力学环境、辐照环境、热环境等适应性)是整个相机重量最主要的质量来源，所以减小相机支撑结构的重量是最有效的减重措施。要减小相机支撑结构的重量，其中最有效的措施就是减小相机体积。对于轻小型空间相机来说，相机体积直接受限于电子学系统的PCB板的大小和PCB板之间的距离。通过对电子学系统的优化设计，影响PCB板大小和PCB板间距的是PCB板之间的连接器。PCB板之间的传统连接器结构尺寸比较大，不仅增大了 PCB板的大小，而且增大了 PCB板之间的距离，从而增大整个相机的重量。在所述的空间相机中采用Airborn的航天级4排板间连接器(RC442-052-351-4400)，这种高密度板间连接器不仅减小PCB板尺寸，而且减小了 PCB板之间的距离，从而减小了整个相机的体积和重量。所以，选用Airborn的航天级4排板间连接器(RC442-052-351-4400)来实现所述空间相机的轻小型。
[0038]④通过遮光罩的通光口径的形状优化设计来实现所述空间相机的轻小型；
[0039]如图2所示，所述的空间相机根据光学系统参数，进行了光学设计和结构设计，传统的遮光罩采用圆形，而在本发明中，在光学镜头的前方加了一定长度的方形遮光罩，减轻了遮光罩的重量，从而减轻了所述空间相机的体积、重量。所以通过遮光罩的通光口径的形状优化设计来实现了所述空间相机的轻小型；
[0040]⑤通过优化光学系统参数来实现所述空间相机的轻小型。
[0041]要做到轻小型化，除了要求结构部分使用比重尽量小的材料和优化设计，以及要求电子学系统尽量简单和使用高集成度的器件外，必须注重光学参数的优化。光学系统的最简单结构形式是实现轻小型化的基础，所述光学镜头的光学参数通过下式确定。
【权利要求】
1.一种用于深空探测的低功耗、轻小型、多功能空间相机，其特征在于，该空间相机包括遮光罩(11)、光学镜头(12)、APS板(13)、压接型板间连接器(14)、相机控制板(15)以及相机支撑结构(16);其中，遮光罩(11)、光学镜头(12)、APS板(13)、压接型板间连接器(14)、相机控制板(15)依次放置， 遮光罩(11)，用于消减视场外的杂散光； 光学镜头(12)，用于将待成像目标成像在APS图像传感器上； APS板(13)，用于光电转换，差分LVDS信号转为单端信号，二次电源转换； 压接型板间连接器(14)，用于连接APS板(13)和相机控制板(15)，进行信号传输； 相机控制板(15)，用于APS芯片的控制信号、采集图像、输出图像、串行通信； 相机支撑结构(16)，用于固定光学镜头(12)、APS板(13)和相机控制板(14)以及实现对外的机械接口。
2.根据权利要求1所述的空间相机，其特征在于，所述遮光罩(11)的通光孔为长方形遮光罩，长方形的 长边与APS图像传感器的长边对应，长方形的短边与APS图像传感器的短边对应；长方形通光孔与所述空间相机的22.9° X 16.9°视场角相适应。
3.根据权利要求1所述的空间相机，其特征在于，所述APS板(13)上的APS图像传感器为IA-G3彩色探测器，像元数为2352X 1728，探测器像元数为2352的长边与遮光罩通光孔的长边对应，探测器像元数为1728的短边与遮光罩通光孔的短边对应。
4.根据权利要求1所述的空间相机，其特征在于，所述压接型板间连接器(14)为Airborn的航天级4排板间连接器。
5.根据权利要求1所述的空间相机，其特征在于，所述相机控制板(15)上的相机控制FPGA为航天级反熔式FPGA。
6.根据权利要求1或5所述的空间相机，其特征在于，所述相机控制FPGA，包括APS驱动模块(21)、工作模式控制模块(22)、SRAM控制模块(23)、串行通讯模块(24)、曝光控制模块(25)和并转串模块(26);其中， APS驱动模块(21)，用于控制APS图像传感器的时序； 工作模式控制模块(22)，用于根据串行通讯接口工作模式命令，实现待机，静态拍照，动态摄像抽样和动态摄像开窗口四种工作模式的切换，从而控制图像输出； SRAM控制模块(23)，用于产生存储器读写操作所需时序，实现图像缓存、列方向开窗口和图像抽样功能； 串行通讯模块(24)，用于完成外部命令注入和工程参数查询操作； 曝光控制模块(25)，用于实现自动曝光和手动曝光两种模式； 并转串模块(26)，用于将经过SRAM缓存后的8位图像数据转换成I位串行数据。
7.根据权利要求1所述的空间相机，其特征在于，所述空间相机的视场为22.9° Χ16.9° ,焦距为43mm, F数为8,正常成像距离:5m~重量为460g,功耗为3.52W，包络尺寸为:118.9mmX110mmX92mm，具有的功能为彩色图像获取、自动调光、杂散光抑制、静态拍照、动态摄像。
8.一种用于深空探测的低功耗、轻小型、多功能空间相机的实现方法，其特征在于，所述空间相机包括遮光罩(11)、光学镜头(12)、APS板(13)、压接型板间连接器(14)、相机控制板(15)以及相机支撑结构(16);所述空间相机的视场为22.9° X 16.9°，焦距为43mm, F数为8,正常成像距离:5m~°o，重量为460g,功耗为3.52W,包络尺寸为:.118.9mmX I IOmmX 92臟，具有的功能为彩色图像获取、自动调光、杂散光抑制、静态拍照、动态摄像；所述实现方法为: .1)所述空间相机的低功耗的实现方法为: ①选用IA-G3APS探测器来实现所述空间相机的低功耗； 用于航天领域的探测器主要包括CCD和APS探测器两大类，虽然CCD探测器技术成熟，但无法实现低功耗;APS探测器的集成度高、功耗低、抗辐照能力强，而且其性能和成像质量有大幅度提高，所述空间相机采用的IA-G3APS探测器将相关双采样、AD、AGC功能集成在一起，减小了体积、重量、功耗；所以选用IA-G3彩色APS探测器来实现所述空间相机的低功耗； ②选用Actel公司的A54SX72A-CQ208B型FPGA器件来实现所述空间相机的低功耗； 所述空间相机采用集成度高的Actel公司的A54SX72A-CQ208B型FPGA器件来实现了空间相机的APS驱动控制、工作模式控制、SRAM控制、串行通讯控制、曝光控制和并转串控制，简化了硬件电路，降低了功耗；所以选用Actel公司的A54SX72A-CQ208B型FPGA器件来实现所述空间相机的低功耗； .2)所述空间相机的轻小型的实现方法为: ①选用IA-G3APS探 测器来实现所述空间相机的轻小型； 用于航天领域的探测器主要包括CCD和APS探测器两大类，虽然CCD探测器技术成熟，但无法实现轻小型；APS探测器的集成度高、功耗低、抗辐照能力强，而且其性能和成像质量有大幅度提高，所述空间相机采用的IA-G3APS探测器将相关双采样、AD、AGC功能集成在一起，减小了体积、重量、功耗；所以选用IA-G3彩色APS探测器来实现所述空间相机的轻小型； ②选用Actel公司的A54SX72A-CQ208B的FPGA器件来实现所述空间相机的轻小型； 所述空间相机采用集成度高的Actel公司的A54SX72A-CQ208B型FPGA器件来实现了空间相机的APS驱动控制、工作模式控制、SRAM控制、串行通讯控制、曝光控制和并转串控制，简化了硬件电路，减小了电路板尺寸，从而减轻了所述空间相机的体积；所以选用Actel公司的A54SX72A-CQ208B型FPGA器件来实现所述空间相机的轻小型； ③选用Airborn的航天级4排板间连接器来实现所述空间相机的轻小型； 所述的空间相机，其电子学系统在整个相机的重量中所占比例较小，相机支撑结构是整个相机重量最主要的质量来源，所以减小相机支撑结构的重量是最有效的减重措施；要减小相机支撑结构的重量，其中最有效的措施就是减小相机体积；对于轻小型空间相机来说，相机体积直接受限于电子学系统的PCB板的大小和PCB板之间的距离；通过对电子学系统的优化设计，影响PCB板大小和PCB板间距的是PCB板之间的连接器；PCB板之间的传统连接器结构尺寸比较大，不仅增大了 PCB板的大小，而且增大了 PCB板之间的距离，从而增大整个相机的重量；在所述的空间相机中采用Airborn的航天级4排板间连接器，这种高密度板间连接器不仅减小PCB板尺寸，而且减小了 PCB板之间的距离，从而减小了整个相机的体积和重量；所以，选用Airborn的航天级4排板间连接器来实现所述空间相机的轻小型； ④通过遮光罩的通光口径的形状优化设计来实现所述空间相机的轻小型； 所述的空间相机在光学镜 头的前方加了一定长度的方形遮光罩，减轻了遮光罩的重量，从而减轻了所述空间相机的体积、重量；所以通过遮光罩的通光口径的形状优化设计来实现了所述空间相机的轻小型； ⑤通过优化光学系统参数来实现所述空间相机的轻小型； 要做到轻小型化，除了要求结构部分使用比重尽量小的材料和优化设计，以及要求电子学系统尽量简单和使用高集成度的器件外，必须注重光学参数的优化，光学系统的最简单结构形式是实现轻小型化的基础，所述光学镜头的光学参数通过下式确定:
9.根据权利要求8所述的实现方法，其特征在于，所以选用集成度高的Actel公司的A54SX72A-CQ208B型FPGA器件来实现所述空间相机的多功能。
【文档编号】G01C11/00GK103983251SQ201410234228
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】余国彬, 刘恩海, 周向东, 钟杰, 赵汝进, 王进, 周武林 申请人:中国科学院光电技术研究所