一种新型太阳敏感器

太阳敏感器是卫星姿态控制系统中常用的一种光电敏感器.当卫星控制系统转入应急模式时,太阳敏感器的宽视场快速捕获太阳尤为重要.本文设计了一种梯形狭缝式太阳敏感器,该敏感器具有大的检测视场(157°)且可满足大太阳角(最大175°)下的应用,而采用梯形狭缝设计可大幅度减小太阳角大范围变化对太阳脉冲宽度的影响,从而便于后续处理电路的设计.实际的在轨飞行试验中验证了这种太阳敏感器的实用性.     

基于SOPC的太阳敏感器信息处理系统

基于内嵌处理器软核MicroBlaze的FPGA,设计了一种太阳敏感器信息处理系统。采用MicroBlaze软核实现光斑质心提取和姿态换算,并通过其它逻辑资源实现图像传感器驱动、图像存储和接口通信等模块的时序控制,同时根据MicroBlaze软核的特点,提出了一种基于扫描方式的质心提取算法。结果表明,具有单精度浮点运算能力的MicroBlaze软核能够保证太阳敏感器质心提取和姿态计算的精度;基于扫描方式的质心提取算法流程简单,占用资源少;采用SOPC的太阳敏感器无需DSP或ARM等协处理器,减小了硬件设计复杂性,提高了系统的集成度和性能。     

高精度星敏感器星点光斑质心算法

高精度星敏感器星点光斑的质心精度是星敏感器整体精度的基础,它需要达到角秒级的量级。因此,提出了一种基于亚像元相关法的星像质心算法。这种算法是利用互相关匹配实现图像定位的原理,将星像质心定位到亚像素上来提高质心精度。它可以克服由于系统误差和图像采集所带来的误差。根据系统的光学参数设计以及星像的光谱、亮度及其在视场中的位置特征,仿真得到点列图模型,针对视场内与光轴的不同夹角仿真制作一系列亚像元理想模板,然后对星像加高斯随机噪声,把有随机噪声的星像与理想星像进行相关运算来求星像质心精度。通过仿真实验,得到相关法具有较高的星像质心精度,定位精度可以优于1/12个像素的量级。     

基于CMOS APS的星敏感器光学系统结构设计与优化

基于CMOS APS的星敏感器是适应航天技术微型化的发展而产生的新一代姿态敏感器.结合星敏感器系统帧频以及探测信噪比阈值的要求,确定了合适的CMOS探测器件以及光学系统的通光孔径、焦距、工作光谱范围和中心波长等主要参数.分别基于球面和非球面,在ZEMAX平台上实现了具有良好像质的大孔径(F/1.198)、大视场(22.6°)、宽光谱范围(0.5～0.8 μm)的两种光学系统的结构设计,满足了对弥散斑、能量集中度、畸变等的特殊要求.     

基于MEMS光线引入器的太阳敏感器技术

太阳敏感器是卫星等航天器上的重要姿态测量部件,其原理是测量太阳光线和敏感器本体主轴的夹角,近而确定卫星的指向.随着MEMS技术和高精度图像传感器技术的发展,将MEMS光线引入器阵列和APS(Active Pixel Sensor)图像传感器技术进行组合,在不增加系统的质量和功耗的情况下通过多个成像阵列来降低系统的随机误差,提高成像中心位置的准确性,从而将太阳敏感器的测量精度提高一个量级.同时采用图像预测提取相关算法(Future Extraction and Image Corre-lation-FEIC),提高了系统的鲁棒性,在部分小孔受到堵塞等干扰情况下,依然保证系统正常工作,精度上基本上不受影响.传统的太阳敏感器一般采用单孔式光线引入器和CCD等方案来实现的,精度比较低.这种新设计思路和实现方法为太阳敏感器系统的可靠性提供了重要保障.     

卫星太阳敏感器模拟器校准技术研究

针对卫星姿轨控半实物仿真系统的技术要求,提出了一种用于太阳敏感器模拟器的校准装置。校准装置以FPGA和AVR单片机为控制核心,微型单板电脑模拟动力学计算机,通过网口进行指令的上传下达。内置信号调理电路、高精度采集模块,数据解算模块等。该校准装置集成度高,替代了原有由数字表、动力学计算机等组成的复杂校准系统,有效地降低了成本,提升效率约40%,实现了太阳敏感器模拟器的快速全过程在线校准。     

基于光纤导入技术的太阳敏感器设计与研究

设计了一种基于光纤导入的太阳敏感器,其包括三个部分:光学头部、光电传感器和太阳偏移角度的算法.光学头部采用两对对称光纤和一根中心光纤,通过计算每对光纤导入光能的差分值,获得太阳与航天器自身坐标系统的相对角度关系.该光学结构兼顾了大、小视场,提高了太阳敏感器定位精度.采用光纤作为太阳光的导入器,将光能导入置于航天器内部的...     

三轴紫外光学成像敏感器

设计了一种三轴紫外敏感器,解决了近地轨道大视场观测问题。通过非常规光学系统,即反射阵列组合式光学系统,将一圆型大视场分成八个子视场成像、叠加后经图像处理,为卫星提供三轴姿态信息和自主导航数据。三轴紫外敏感器标定精度为偏航小于0.05°,俯仰小于0.05°,滚动小于0.05°。研制成的工程样机,通过观星试验和利用星模拟器测试,三轴紫外敏感器可以观测到5等星;紫外波段敏感器可以作为是深空探测航天器重要敏感器之一。     

CMOS星敏感器焦平面装配及标定

针对高精度CMOS星敏感器的使用要求,本文对焦平面装配的误差进行了理论分析,搭建了CMOS星敏感器装配及标定测试系统,利用长焦距平行光管像面移动测量方法进行了星敏感器轴上和轴外的星点成像,获取了焦平面离焦量及倾斜数据.在这些数据指导下,成功完成了对某焦距50 mm,相对孔径1/1.25,全视场20°的CMOS星敏感器的...     

星敏感器曝光时间的优化

星敏感器曝光时间是影响星敏感器星点定位精度的因素之一.建立星敏感器星点像移模型和CCD噪声影响模型,分析了星点质心定位精度与曝光时间的关系,并以CCD47-20为例,对星敏感器的曝光时间进行了优化.结果表明:对于6.5等星,当星点光斑像移速度为4.67 pixels/s时,采用5×5窗口的亚像元质心算法,亚像元质心算法精度随曝光时间的延长而降低,CCD噪声对星点质心定位精度的影响随曝光时间的增加而减小;星敏感器的最佳曝光时间为200 ms,此时的星点质心定位精度优于1/50 pixel.     

采用新型读出电路的CMOS图像传感器研究

设计了一种采用新型读出电路的CMOS图像传感器,该器件电路结构简单,由四个MOS管,一个电容构成;驱动信号源少,只需两个相配合的脉冲;功耗小于0.7mW;单端输出方便模数转换的视频信号;可以实现片内差分.给出了理论分析和电路模拟仿真的结果数据及波形.采用标准1.2μm N阱DPDM CMOS工艺设计了一个256元的实验器件,像元中心距为25μm,器件尺寸大小为1mm ×11mm,并对器件进行了主要参数的测试和数据分析,验证了该器件的功能.     

光扭矩传感器信号转换误差分析

光扭矩传感器的输出信号在进行光电转换过程中，由于温度影响，造成了直流电平漂移误差，影响系统的测量精度。对直流电平漂移误差进行了分析，针对产生误差的原因提出了采用正负温度补偿、热敏电阻和差动电路三种补偿方案，并进行了比较。实验结果表明，采用差动补偿电路的方法，效果良好，能有效地消除直流电平漂移误差。     

Optical sensor with transparent conductive oxides electrodes for microposition detection applications

This paper presents an optical sensor structure for microposition detection application using transparent electrodes of indium doped ZnO (IZO). The optical microsensor consists of two linear arrays of metal - semiconductor - metal (MSM) silicon photodetectors with IZO transparent electrodes integrated with a polymer optical waveguide.IZO layers with a thickness of 460-580 nm have been deposited by dc magnetron sputtering technique on silicon epitaxial wafers of 30-50 Ω cm resistivity and a thickness of 23 µm. Due to their high optical transmittance (> 90%) over the 0.4-0.9 µm spectral range, these layers contributed to an increased responsivity of the MSM photodiode structure of about 0.34 A/W, thus improving the optical position microsensor sensitivity.     

一种新型光学直流电压传感器

通过引进电光λ/4波片的Jones矩阵,阐明了用脉冲控制的电光波片构成的光学直流电压传感器的敏感特性;该传感器结构把被测量的直流电压信号转换成了交流脉冲控制的电压信号,因此输出电压信号对电磁干扰不敏感,且消除了输入光强波动的影响;双光路的输出结构消除了温度变化引起的干扰双折射的影响.用该传感器对-500～500V的直流电压进行了测量,其非线性误差在±0.5%以内,实验结果表明,该传感器结构是可行的.     

Noise characteristics of stacked CMOS active pixel sensor for charged particles

The noise characteristics of a stacked CMOS active pixel sensor (SCAPS) for incident charged particles have been analyzed under 4.5 keV Si⁺ ion irradiation. The source of SCAPS dark current was found to change from thermal to electron leakage with decreasing device temperature. Leakage current at charge integration part in a pixel has been reduced to 0.1 electrons s⁻¹ at 77 K. The incident ion signals are computed by subtracting reset frame values from each frame using a non-destructive readout operation. With increase of irradiated ions, the dominant noise source changed from read noise, and shot noise from the incident ions, to signal frame fixed-pattern noise from variations in sensitivity between pixels. Pixel read noise is equivalent to ten incident ions. The charge of an incident ion is converted to 1.5 electrons in the pixel capacitor. Shot noise corresponds to the statistical fluctuation of incident ions. Signal frame fixed-pattern noise is 0.7% of the signal. By comparing full well conditions to noise floor, a dynamic range of 80 dB is achieved. SCPAS is useful as a two-dimensional detector for microanalyses such as stigmatic secondary ion mass spectrometry.     

基于CMOS图像传感器的微小变形测量系统

近年来，图像处理在微小变形的测量中应用越来越广泛，它具有方便灵活、对被测对象没有任何伤害等优点，且只需对被测对象进行拍照，然后对图像进行处理分析，利用亚像素法原理即可精密测量出试样的微小变形。因此，利用AT89C51与CMOS图像传感器OV5017组成DMA方式数据采集系统，FT245BM虚拟USB口与PC机通讯，实现了对纵向和横向两个方向微小变形的无接触精密测量，且精度高成本低。     

APS星跟踪器亚像素质心定位

APS像元结构和大小制约APS星跟踪器精度,采用散焦技术使星光成像在几个相邻像素(窗)上,以窗内灰度重心作为星点质心可以得到亚像素定位精度。APS具有多种噪声源,它们直接影响质心定位精度。根据星点模型和质心误差计算模型量化分析了窗大小、星点模型方差、噪声源对APS亚像素质心定位的影响。分析结果表明5×5窗为最优窗,星点模型方差最优值为0.62个像素,精度为0.0016个像素;固定模式噪声、暗电流对质心定位影响较大,读噪声较小,提高信噪比可以改善质心定位精度。     

光谱吸收式光纤甲烷气体传感器及其信号处理方法

基于气体在其特征吸收波长下光的吸收随浓度变化的机理,通过对甲烷气体吸收光谱的分析,提出了一种光谱吸收式全光纤甲烷气体传感器及其系统。该系统以1300nm波段的DFBLD作为光源,波长响应范围为1100~1900nm的高灵敏度、低噪声的InGaAsPIN作为光电探测器,利用锁相放大器对传输信号进行相敏检波,采用一次谐波反馈光源注入电流、二次谐波与一次谐波的比值作为系统输出的谐波检测技术对微弱信号进行处理,使得系统达到很高的灵敏度。研究表明,该传感器的灵敏度达到10ppm,精确度和稳定性等性能指标均可满足甲烷气体检测要求。     

自由空间的微闪耀光栅光开关

微光学元件在现代光学中具有重要的作用,通过制作8台阶的微闪耀光栅列阵,控制周期参数,利用其在空间的闪耀输出与级连,可以实现2×2、4×4以及8×8的光开关功能,光信号交换透明,无光电-电光转换过程。对微闪耀光栅输出信号的串扰分析表明,微闪耀光栅光开关可以有效的抑制串扰问题,在全光网络通信中具有一定的应用。