专利名称：基于鱼眼镜头的超大视场太阳敏感器及其方法
技术领域：
本发明涉及一种低功耗超大视场太阳敏感器，应用于微小卫星姿态确定领域。
背景技术：
太阳敏感器是在航空领域应用最广泛的一类敏感器，所有的卫星上都配备有太阳敏感器，主要作用是通过测量太阳光线与卫星体轴之间的夹角，来确定太阳在卫星坐标系中的方位，最终以此来确定卫星的位置和姿态。从工作模式和输出数据类型来看，太阳敏感器的发展经历了模拟式、编码式到如今的数字式。而其所使用的成像探测器也从光电池发展到了 CCD探测器，再到如今新被采用的CMOS APS探测器。随着卫星姿态控制精度要求的日益提高，对太阳敏感器的精度要求必将更高，同时又要求其具有大视场、小体积、低功耗、 标准化、模块化的特点。解决大视场、高精度的矛盾是数字式太阳敏感器发展的关键问题。为了解决这一问题，国内外研究者提出了一些增大数字式太阳敏感器视场的方案。如将多个太阳敏感器组合成一个太阳敏感器，或者设计特殊的球状掩膜结构，这些设计上的改变虽然增大了太阳敏感器的视场，却也同时带来一些问题，如系统体积、质量及功耗的增加，或者以牺牲太阳敏感器的测量精度为代价。因此在微小卫星上采用结构简单的超大视场太阳敏感器实现整个视场的捕获，提供高精度太阳矢量信息对卫星姿态的确定具有十分重要的意义。鱼眼镜头，也叫全景镜头，是一种极端的广角镜头，为使镜头达到最大的摄影视角，这种摄影镜头的前镜片直径呈抛物状向镜头前部凸出，与鱼的眼睛颇为相似，“鱼眼镜头”因此得名。鱼眼镜头属于超广角镜头中的一种特殊镜头，它的视角力求达到或超出人眼所能看到的范围。鱼眼镜头主要用于制作基于现实场景的全景图像，广泛用于娱乐、房地产、博物馆、学校等机构的宣传及展示项目，亦可见于谷歌地图的街景功能。随着技术的发展，鱼眼镜头获取的全景图像也在不断清晰，应用范围也更加广泛。现在已普遍应用于安防监控，汽车行车记录仪，倒车雷达等需要大视场的位置。这些应用中鱼眼镜头后端配置有图像展开还原单元，对拍摄到的景象进行全景图像到平面图像的变换，最后在屏幕上显示，方便观察。鱼眼镜头超大视场的特点，有利于对整个环境的了解，同时减少了传统所需要的多镜头组合带来的繁琐和大成本，有着独特的利用价值。
发明内容
本发明提供了一种基于鱼眼镜头的超大视场太阳敏感器及其方法，该太阳敏感器具有超大视场，同时具有结构简单和功耗较低的优点。—种基于鱼眼镜头的超大视场太阳敏感器，包括用于采集光线的鱼眼镜头、用于感光成像并将图像转化为图像数据的CMOS图像传感器、读取和缓存所述图像数据的图像读取单元和控制计算单元；所述的控制计算单元对所述的CMOS图像传感器和所述的图像读取单元进行调控。所述鱼眼镜头具有超大视场，能采集180° X360°全景图像，弥补了普通镜头视场小的限制，同时解决了组合式太阳敏感器结构复杂的缺点；所述的CMOS图像传感器采用低功耗模式，减少了外部电路的配置，简化了电路结构并减少了功耗。作为优选，所述的图像读取单元包括对图像数据进行读取的CPLD和对图像数据进行缓存SRAM，工作时，所述的CPLD还可以进行初步的简单光斑信息统计计算。所述的CPLD同其他的芯片如DSP和FPGA相比，功耗更低，进一步降低了所述超大视场太阳敏感器的整体功耗。所述CPLD通过通用I/O 口与CMOS图像传感器进行连接，所述SRAM与CPLD通过通用I/o 口连接进行连接。
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所述的鱼眼镜头与所述的CMOS图像传感器之间设有滤光膜，鱼眼镜头采集到的光线经过所述的滤光膜衰减后进入CMOS图像传感器。作为优选，所述的控制计算单元为MCU，所述的MCU通过SPI总线与所述的CPLD进行连接，所述的MCU通过SCCB总线与所述的CMOS图像传感器连接。同其他传输协议相比，使用SPI总线进行连接时，可以更加方便的控制CPLD的各种工作状态。本发明还提供了一种上述超大视场太阳敏感器的太阳敏感方法，包括(I)所述的控制计算单元根据外部指令对所述的CMOS图像传感器的输出图像的格式和分辨率进行配置，对所述的图像读取单元的工作模式进行配置；(2)所述的鱼眼镜头采集太阳光线并使采集到的太阳光线进入经过配置的CMOS图像传感器；(3)所述的CMOS图像传感器感光成像后将图像传化成图像数据，并将所述的图像数据传输到所述的图像读取单元；(4)所述的图像读取单元对所述的图像数据进行初步处理之后，传输给控制计算单元，所述的控制计算单元对经过初步处理之后图像数据进行进一步处理并输出处理结果O所述的控制计算单元通过UART协议与外部进行通信，获取外部指令以及向外输出处理结果。作为优选，步骤(I)中所述的工作模式分为拍照模式和计算模式，拍照模式和计算模式的转换通过外部指令进行控制。当步骤⑴中所述的工作模式为拍照模式的时候，步骤⑷的过程如下所述的图像读取单元将图像数据直接传输给控制计算单元并输出。当步骤(I)中所述的工作模式为计算模式的时候，步骤(4)中所述的初步处理包括统计光斑信息，得到太阳光斑中心坐标；步骤(4)中所述的进一步处理包括利用所述的太阳光斑中心坐标进行计算，得到太阳角度信息。所述的光斑信息的统计方法为求和平均法，具体为设置一个亮度阈值，与所述的图像数据进行比较，所述的图像数据大于所述亮度阈值，置为1，小于所述亮度阈值，置为0，然后进行求和平均，得到太阳光斑中心坐标。利用所述的太阳光斑中心坐标进行计算的方法可参考公开号为CN 102538786A的中国专利。同现有技术相比，本发明的有益效果体现在(I)相对于传统鱼眼镜头成像设备需要对鱼眼镜头采集的图像进行展开还原的复杂做法，本发明不需要对图像进行展开还原，而是采用简单算法直接计算出太阳矢量，优化了计算复杂度，减少了计算时间和所需资源，降低了功耗，适合于微小卫星应用；(2)相对于普通太阳敏感器，本发明采用基于鱼眼镜头的CMOS图像传感器，形成超大视场太阳敏感器，从而克服了以往普通太阳敏感器视场小的限制，有利于微小卫星姿态确定的稳定性和有效性；(3)相对于组合式大视场太阳敏感器，本发明只利用鱼眼镜头进行图像的采集，减少了部件数量，优化了器件结构，实现了真正一体式的集成，功耗更低，体积更小，结构更 简单，满足微小卫星上的需求；(4)本发明采用CMOS图像传感器作为敏感原件，将CMOS图像传感器的时钟和控制电路、信号处理电路、模/数转换器、图像压缩等电路与图像传感阵列集成在一起，和传统CCD图像传感器相比具有功耗低、集成度高、体积小、成本低以及抗干扰能力强的优势，从而适于应用在微小卫星上。
图I是本发明的超大视场太阳敏感器的总体结构示意框图；图2(a)是本发明中的鱼眼镜头的工作原理图；图2(b)是图2(a)的中的光线折射原理图；图3是本发明的图像传感器和信号处理单元各部件硬件连接图；图4是本发明的微控制器MCU的工作流程图。
具体实施例方式如图I所示，本发明用于微小卫星的超大视场太阳敏感器包括鱼眼镜头、CMOS图像传感器、图像读取单元和控制计算单元。鱼眼镜头具有180° X360°的超大视场，能对整个半球进行光线采集，鱼眼镜头后端贴有滤光膜，用于衰减鱼眼镜头之后的光线。CMOS图像传感器用于将经滤光膜衰减后的太阳光斑感光成像，并将其像平面上的太阳像转换成图像数据传送给图像读取单元。图像读取单元包括CPLD和SRAM，其中CPLD完成图像数据读取工作，并进行初步的简单光斑信息统计计算，SRAM完成图像数据的缓存工作，配合实现CPLD的图像数据读取功能。控制计算单元为微控制器MCU，完成太阳敏感器工作流程的控制、CMOS图像传感器的配置和太阳矢量的计算工作。本发明全视场太阳敏感器的工作过程如下太阳实体首先通过鱼眼镜头成像，经过全景光学镜头后端的滤光膜的衰减形成的太阳光斑成像于CMOS图像传感器的感光面上。图像传感器将感光面上的太阳光斑图像转换成图像数据传送给图像读取单元中的CPLD，CPLD采集图像数据，通过SRAM缓存未计算的图像数据，同时读取上一帧图像数据进行太阳光斑信息统计计算。当一帧图像处理完，CPLD得到太阳光斑坐标信息，并将当前的太阳光斑坐标传送给MCU计算出太阳角度信息，再根据太阳角度信息计算得出太阳矢量，同时进行下一帧图像的读取缓存和计算。同时在整个太阳敏感器工作过程中，MCU通过外部指令控制工作模式，并调控CMOS图像传感器和图像读取单元的时序状态，协调各单元的
工作进度。本发明所用鱼眼镜头具有180° X360°超大视场，弥补了普通镜头视场小的限制，同时解决了组合式太阳敏感器结构复杂的缺点。鱼眼镜头的结构一般是由8-11片镜片组成，常见的有7组8片式结构(即第I片与第2片都是负透镜，后组由5组6片共同构成一个正光组，在光阑附近设有内置滤光镜)，8组10片式结构(即前1、2、3组都是凹透镜，第4组是弯月型凸透镜，之后为第5组凸透镜，第5组之后为滤光镜，再之后便是双胶合透镜组6和7，最后就是第8组凸透镜)，如图2(a)所示(从左至右依次为1-8组透镜)。鱼眼镜头前端第I片透镜的前表面向前鼓出，第I片透镜的前顶点超过镜筒，好像鼓起的金鱼眼。光线在传播过程中，在两种媒质界面处要折射，当光由光疏介质到光密介质时，折射角r必小于入射角i (如图2(b))所示)。因此，当光线掠入射(i =90° )时，折射光线也必定折向光密介质。如果底部有CMOS图像传感器，折射光线可达到传感器，也就是说CMOS传感器可以感应到视场180°范围内的物体，即视场角2i = 180°。·
本发明所选用鱼眼镜头为宾崎公司生产的型号为0125IR-1/3的镜头，镜头是6组8片式结构，相面尺寸为1/3英寸，成像角度达到185° X360°，配合CMOS芯片能够达到180° X360°的超大视场。外形尺寸为025x28.5mm，重量为17克，具有简单小巧轻便的特点，有利于本太阳敏感器的小型化。本发明所用CMOS图像传感器为Micron Technology公司型号为MT9M131的CMOS图像传感器，最大分辨率为1280X1024，单个芯片内集成了图像传感器和图像处理器减少外部电路的配置，简单化电路结构并减少功耗。本发明可选用XILINX公司型号为XC2C256的CPLD来采集并处理CMOS图像传感器的图像数据，本发明选用ISSI公司的型号为IS62WV5128DBLL的SRAM来对图像数据进行缓存，本发明选用SiliconLaboratories公司的C8051F340来配置CMOS图像传感器、控制CPLD进程并进行太阳矢量的计算。如图3所示，CMOS图像传感器MT9M131分别与MCU的SCCB总线接口和CPLD的通用I/o 口连接。工作时，MCU通过SCCB总线配置CMOS图像传感器，通过SPI总线对CPLD读取或计算进行控制；CPLD通过对同步参考信号的判断，对图像数据进行读取，根据MCU的调控对图像数据进行缓存。由于同步参考信号以及图像数据信号均为单纯的数据量，因此用CPLD的通用输入输出(General Purpose Input Output,简称 GPI0)接口与其相连。MCU与CMOS图像传感器和CPLD的通信具体过程如下1、MCU首先对CMOS图像传感器进行图像格式和分辨率的配置，输出格式是YUV422格式，其中主要关心的是Y分量，即获得太阳图像的灰度信息。本发明设定CMOS图像传感器的分辨率为640*480。2、CMOS图像传感器在晶振提供的时钟下输出图像，CPLD在帧同步信号FV的上升沿开始采集图像，整个一帧图像都在高电平，当FV下降沿出发时表示一帧图像的结束。在行同步信号LV的上升沿，CPLD开始采集每一行图像数据，整个一行图像都在高电平，当LV下降沿出发时表示一行图像的结束。每一个时钟信号下降沿CPLD采集一个像素图像数据。3、MCU调控CPLD从GPIO搬移每一像素图像数据至缓冲区，并在数据搬移完成后进行光斑信息的初步处理。MCU在拍照模式下，CPLD在MCU调控下将一帧图像数据读取直接缓存到SRAM，当一帧图像数据都读取完成时，再从SRAM读取该帧图像数据给MCU，不做计算处理输出整幅图像；MCU在计算模式下，会控制CPLD读取图像数据的同时就做相关的统计计算，当一帧图像数据全部读取完成时，CPLD能够得出太阳光斑质心坐标信息，将这一计算结果发送给MCU。4、MCU接收到CPLD上传 的数据，拍照模式下将图像信息直接输出，便于外界使用者观察，计算模式下将CPLD计算得到的太阳光斑质心坐标根据式(I)对太阳光斑中心坐标进行转换，做进一步的计算，得到太阳角度信息a = arctan (Ys/Xjβ = R/f(I)R 二+ Y2式⑴中，α、β分别为太阳光线在坐标轴X、Z上的角度值，Xs、Ys为太阳光斑中心坐标，f为镜头焦距。再将计算结果对照本体坐标系换算得出太阳矢量，将这一计算结果上传给系统做卫星定姿使用。如图4所示，微处理器MCU的工作流程如下第一步MCU配置CMOS图像传感器。配置图像传感器主要是通过串行相机控制总线(Serial Camera Control Bus,简称 SCCB)完成。SCCB 是由 OmniVision 公司制定用来控制图像传感器的总线，在DSP上可以直接通过I2C总线当作SCCB使用，对图像传感器进行配置，主要包括其拍摄图像的格式以及图像的分辨率。在本发明中采用的图像格式是YUV422格式，其中主要关心的是Y分量，即获得太阳图像的灰度信息。本发明设定CMOS图像传感器的分辨率为640*480。第二步MCU控制CPLD采集图像。晶振为图像传感器提供24M的时钟信号，图像传感器内部将此时钟经过它的时钟管理单元产生其工作主时钟，首先，CPLD在检测到帧同步信号FV的上升沿时准备开始采集一帧数据。接下来，在行同步信号LV的上升沿准备开始采集一行数据，在像素时钟信号PCLK的下降沿触发CPLD采集GPIO 口上的每个像素数据。同时将采集到的数据缓存到缓存区SRAM。第三步MCU控制CPLD处理图像。根据指令不同，MCU会通过SPI控制CPLD进行不同的图像处理。拍照指令时MCU会控制CPLD直接读取缓存区图像数据发送给MCU ;解算指令时MCU控制CPLD读取缓存区图像进行太阳光斑信息的处理。由于采用的图像格式是YUV422格式，每个像素点(2bytes)对应两个像素时钟信号PCLK，即DMA搬移一行数据所需要的像素时钟信号PCLK是像素点个数的两倍。而CPLD处理数据时仅处理Y分量，丢弃UV分量。第四步MCU进行数据处理输出太阳矢量信息。当CPLD通过SPI传输完数据信息时，MCU把CPLD处理得到的太阳光斑中心坐标转换成太阳角度信息，计算得出太阳矢量信息输出。在整个工作过程中，不断重复执行二 四步的操作。
权利要求
1.一种基于鱼眼镜头的超大视场太阳敏感器，其特征在于，包括用于采集光线的鱼眼镜头、用于感光成像并将图像转化为图像数据的CMOS图像传感器、读取和缓存所述图像数据的图像读取单元和控制计算单元； 所述的控制计算单元对所述的CMOS图像传感器和所述的图像读取单元进行调控。
2.根据权利要求I所述的超大视场太阳敏感器，其特征在于，所述的图像读取单元包括对图像数据进行读取的CPLD和对图像数据进行缓存SRAM。
3.根据权利要求I所述的超大视场太阳敏感器，其特征在于，所述的鱼眼镜头与所述的CMOS图像传感器之间设有滤光膜。
4.根据权利要求I所述的超大视场太阳敏感器，其特征在于，所述CPLD通过通用I/O口与CMOS图像传感器进行连接，所述SRAM与CPLD之间通过通用I/O 口连接进行连接。
5.根据权利要求2所述的超大视场太阳敏感器，其特征在于，所述的控制计算单元为MCU,所述的MCU通过SPI总线与所述的CPLD进行连接。
6.一种基于权利要求I 5任一项所述的超大视场太阳敏感器的太阳敏感方法，其特征在于，包括 (1)所述的控制计算单元根据外部指令对所述的CMOS图像传感器的输出图像的格式和分辨率进行配置，对所述的图像读取单元的工作模式进行配置； (2)所述的鱼眼镜头采集太阳光线并使采集到的太阳光线进入经过配置的CMOS图像传感器； (3)所述的CMOS图像传感器感光成像后将图像传化成图像数据，并将所述的图像数据传输到所述的图像读取单元； (4)所述的图像读取单元对所述的图像数据进行初步处理之后，传输给控制计算单元，所述的控制计算单元对经过初步处理之后图像数据进行进一步处理并输出处理结果。
7.根据权利要求6所述的超大视场太阳敏感器的太阳敏感方法，其特征在于，步骤(I)中所述的工作模式分为拍照模式和计算模式。
8.根据权利要求7所述的超大视场太阳敏感器的太阳敏感方法，其特征在于，当步骤(I)中所述的工作模式为拍照模式的时候，步骤(4)的过程如下 所述的图像读取单元将图像数据直接传输给控制计算单元并输出。
9.根据权利要求7所述的超大视场太阳敏感器的太阳敏感方法，其特征在于，当步骤(I)中所述的工作模式为计算模式的时候，步骤(4)中所述的初步处理包括统计光斑信息，得到太阳光斑中心坐标； 步骤(4)中所述的进一步处理包括利用所述的太阳光斑中心坐标进行计算，得到太阳角度信息。
全文摘要
本发明公开了一种基于鱼眼镜头的超大视场太阳敏感器，它包括用于采集光线的鱼眼镜头、用于感光成像并将图像转化为图像数据的CMOS图像传感器、读取和缓存所述图像数据的图像读取单元和控制计算单元。本发明还公开了一种基于该超大视场太阳敏感器的太阳敏感方法，通过鱼眼镜头采集到180°×360°的全景图像，感光到CMOS图像传感器得到图像数据，利用CPLD和MCU组合提取计算全景视场的光斑信息，得出太阳矢量。本发明独创采用鱼眼镜头作为太阳敏感器的图像采集单元，具有普通太阳敏感器不具备的超大视场优点，同时弥补了组合式全景太阳敏感器器件繁多、结构复杂、功耗较大和精度不一致的缺点，适合在微小卫星上应用。
文档编号G01C1/00GK102914285SQ20121040537
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者王昊, 丁泽伟, 王俊, 向甜, 金仲和 申请人:浙江大学