數(shù)字太陽(yáng)敏感器的原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與發(fā)展

數(shù)字太陽(yáng)敏感器的原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與發(fā)展

1太陽(yáng)敏感器在航天器中的安裝太陽(yáng)敏感器是宇宙中常用的光學(xué)傳感器，可以提供太陽(yáng)變量和宇宙特定軸線之間的角度反饋。幾乎所有的航天器都需要安裝太陽(yáng)敏感器,以便根據(jù)太陽(yáng)敏感器提供的姿態(tài)反饋信息完成航天器各個(gè)階段的姿態(tài)控制任務(wù)。當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射入軌后或因各種故障丟失原有姿態(tài)后,衛(wèi)星控制系統(tǒng)一般首先啟動(dòng)大視場(chǎng)太陽(yáng)敏感器,根據(jù)太陽(yáng)敏感器的反饋并結(jié)合自身的緩慢自旋運(yùn)動(dòng)搜索太陽(yáng),盡快實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向。在衛(wèi)星的穩(wěn)態(tài)在軌運(yùn)行中,衛(wèi)星根據(jù)數(shù)字太陽(yáng)敏感器的高精度反饋,確定太陽(yáng)與航天器本體坐標(biāo)系的位置關(guān)系,實(shí)現(xiàn)航天器的高精度姿態(tài)控制,例如對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定控制。相對(duì)星敏感器、紅外地球敏感器等其他姿態(tài)敏感器而言,太陽(yáng)敏感器具有單機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)。此外,由于太陽(yáng)的亮度高,太陽(yáng)敏感器的定位處理幾乎不受其他天體的干擾。太陽(yáng)敏感器中的濾光片可很大程度上去除雜散光的影響。通常而言,為了構(gòu)造高冗余度的飛行導(dǎo)航系統(tǒng),保證航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)在各種異常情況下正常運(yùn)行,需要在不同的航天器位置安裝多個(gè)數(shù)字太陽(yáng)敏感器和模擬太陽(yáng)敏感器。除了用于航天器的姿態(tài)控制,太陽(yáng)敏感器還應(yīng)用于構(gòu)建在軌太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng),例如太陽(yáng)電池帆板的對(duì)日定向控制、太陽(yáng)活動(dòng)觀測(cè)儀器的對(duì)日控制。另外,在各類行星探測(cè)系統(tǒng)的導(dǎo)航控制中,太陽(yáng)敏感器也有重要應(yīng)用。這是由于一方面火星、月球等星體的磁場(chǎng)較弱,難以應(yīng)用磁強(qiáng)計(jì)等磁場(chǎng)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位,另一方面,火星、月球等星體也沒有部署衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),所以,基于太陽(yáng)敏感器的行星導(dǎo)航控制受到了相當(dāng)?shù)闹匾?。早期的太?yáng)敏感器采用模擬光電探測(cè)器,通過測(cè)量光電池等器件的電流輸出來(lái)獲取入射太陽(yáng)光的角度信息。其中,入射太陽(yáng)光的角度與光電探測(cè)器的電流輸出滿足特定規(guī)律。之后,出現(xiàn)了以圖像傳感器來(lái)替代光電池等模擬探測(cè)器的數(shù)字太陽(yáng)敏感器。與光電池相比,基本探測(cè)單元從幾個(gè)增加到了幾百個(gè),甚至是上萬(wàn)個(gè),大幅度地提高了太陽(yáng)敏感器感知太陽(yáng)光的能力。早期的數(shù)字太陽(yáng)敏感器大多基于小孔成像的原理,采用無(wú)透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)。焦平面之前是具有單一光孔或單一狹縫的掩模。這種掩模為單一光孔或單一狹縫的太陽(yáng)敏感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),但儀器視場(chǎng)(FOV)較小,測(cè)量精度受到圖像傳感器噪聲、雜散光等不利的影響。由于焦平面圖像中只有一塊太陽(yáng)像點(diǎn),同時(shí)圖像傳感器可能存在像素壞點(diǎn),太陽(yáng)像點(diǎn)中心提取算法容易受到各類噪聲干擾,且這些干擾難以去除,影響后繼的太陽(yáng)角度計(jì)算。另外,若單一光孔部分或全部被阻塞,則太陽(yáng)敏感器性能下降或失靈。為了進(jìn)一步提高太陽(yáng)敏感器的測(cè)量精度,出現(xiàn)了具有多光孔或多狹縫的太陽(yáng)敏感器。對(duì)于這種掩模為多光孔或多狹縫的太陽(yáng)敏感器而言,其焦平面探測(cè)器可獲取同時(shí)具有多個(gè)太陽(yáng)像點(diǎn)的圖像,結(jié)合后繼的中心提取算法,可降低圖像傳感器噪聲和太陽(yáng)敏感器內(nèi)部雜散光的影響[9,10,11,12,13,14,15]。由于尺寸和功耗較大,上述的一般航天太陽(yáng)敏感器通常無(wú)法安裝在微小衛(wèi)星上。皮衛(wèi)星等微小航天器的姿態(tài)控制、自主火星車或月球車的定位導(dǎo)航需要低功耗、小尺寸的微型太陽(yáng)敏感器。微型太陽(yáng)敏感器包括精密掩模和單片焦平面探測(cè)器等部件。精密掩模上具有通過微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)加工而成的單一微小光孔或多個(gè)微小光孔。單片焦平面探測(cè)器一般為高度集成的有源像素傳感器(ActivePixelSensors,APS)探測(cè)器,其中包括像素陣列、A/D變換器、時(shí)序控制電路等。本文從航天太陽(yáng)敏感器的工作原理、太陽(yáng)敏感器的結(jié)構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光電探測(cè)器、太陽(yáng)像點(diǎn)中心提取算法等幾個(gè)方面出發(fā),主要圍繞航天數(shù)字太陽(yáng)敏感器,結(jié)合現(xiàn)有的主流太陽(yáng)敏感器航天產(chǎn)品,簡(jiǎn)略地介紹了航天太陽(yáng)敏感器的發(fā)展歷史,敘述了航天太陽(yáng)敏感器的技術(shù)現(xiàn)狀,并討論了航天太陽(yáng)敏感器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。2光學(xué)系統(tǒng)及光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)太陽(yáng)敏感器可大體分為三類。第一類為“0-1”太陽(yáng)敏感器,光電探測(cè)器為光電池,光電池上面為入射狹縫,一旦太陽(yáng)光入射,則光電池產(chǎn)生階躍響應(yīng)。這種太陽(yáng)敏感器僅能給出太陽(yáng)在視場(chǎng)中、視場(chǎng)外兩個(gè)結(jié)果,可快速捕獲太陽(yáng),但無(wú)法給出太陽(yáng)角度信息,可用于星敏感器等光學(xué)儀器保護(hù)、航天器的粗定姿。第二類為模擬太陽(yáng)敏感器,大多利用光電池作為光電探測(cè)器,當(dāng)太陽(yáng)光照射到光電池時(shí),光電池的輸出電流大小與太陽(yáng)光入射強(qiáng)度的垂直分量滿足特定關(guān)系?？捎稍囼?yàn)來(lái)精確測(cè)定其中的參數(shù)。以光電池為探測(cè)器的模擬太陽(yáng)敏感器工作過程為:首先,太陽(yáng)光照射光電池,光電池輸出電流;然后,光電池輸出的微弱電流信號(hào)經(jīng)拾取、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理,送入信息處理單元;最后,信息處理單元根據(jù)查表等特定方法獲取當(dāng)前的入射太陽(yáng)光角度信息。相對(duì)數(shù)字太陽(yáng)敏感器,模擬太陽(yáng)敏感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低,航天器上通常安裝大視場(chǎng)的模擬太陽(yáng)敏感器用于在失去姿態(tài)等異常狀態(tài)下搜索太陽(yáng)。模擬太陽(yáng)敏感器的缺點(diǎn)是角度測(cè)量精度相對(duì)較低。第三類為數(shù)字太陽(yáng)敏感器,其采用小孔成像的原理構(gòu)造光學(xué)系統(tǒng),以圖像傳感器作為焦平面探測(cè)器,目前廣泛用于各類大型衛(wèi)星、微小衛(wèi)星和行星探測(cè)系統(tǒng)等。相對(duì)模擬太陽(yáng)敏感器而言,由于數(shù)字太陽(yáng)敏感器中的光學(xué)系統(tǒng)可有效去除雜散光影響,同時(shí)圖像探測(cè)器的基本光電探測(cè)單元數(shù)量較多,數(shù)字太陽(yáng)敏感器可在原理設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等環(huán)節(jié)去除地球反射太陽(yáng)光等誤差因素,提高測(cè)量精度。大多航天數(shù)字太陽(yáng)敏感器以小孔成像的原理工作,主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器和信息處理單元組成,見圖1。光學(xué)系統(tǒng)主要包括光孔或狹縫、視場(chǎng)光闌和衰減片。焦平面探測(cè)器一般為圖像傳感器,例如面陣CCD。信息處理單元完成圖像處理等工作,提取太陽(yáng)像點(diǎn)的中心,給出入射太陽(yáng)光的角度信息。單光孔太陽(yáng)敏感器的示意圖見圖2。單光孔太陽(yáng)敏感器的工作過程如下。入射的太陽(yáng)光從唯一的光孔入射后,由衰減濾光片降低入射光的能量,防止入射光的能量過強(qiáng),損害圖像探測(cè)器。衰減后的太陽(yáng)光入射到焦平面探測(cè)器上,形成具有單一太陽(yáng)像點(diǎn)的焦平面圖像。焦平面圖像記錄了入射太陽(yáng)光的信息。信息處理單元讀取焦平面圖像后,通過圖像處理方法來(lái)定位太陽(yáng)像點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)(xc,yc),最后給出入射太陽(yáng)光相對(duì)于太陽(yáng)敏感器主光軸的角度δ。圖1中,太陽(yáng)光與太陽(yáng)敏感器主光軸夾角δ為:δ=arctanx2+y2√f,(1)δ=arctanx2+y2f,(1)式中:焦距f為光孔到探測(cè)器焦平面的距離,x是太陽(yáng)像點(diǎn)中心在焦平面的X軸位移,y是太陽(yáng)像點(diǎn)中心在焦平面的Y軸位移。太陽(yáng)像點(diǎn)中心位移x與y可由太陽(yáng)像點(diǎn)中心的像素坐標(biāo)(xc,yc)、圖像傳感器參數(shù)等來(lái)獲取。3多光孔或多自由縫為了提高系統(tǒng)的可靠性、魯棒性,降低系統(tǒng)造價(jià),大多數(shù)航天太陽(yáng)敏感器都采用小孔成像的原理來(lái)工作,采用無(wú)透鏡等光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),不存在像差,易于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工和裝調(diào),可承受強(qiáng)烈振動(dòng)的發(fā)射環(huán)境,便于航天產(chǎn)品的抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)。航天數(shù)字太陽(yáng)敏感器的光學(xué)系統(tǒng)主要包括光孔或狹縫、視場(chǎng)光欄、衰減濾光片等組件。光孔或狹縫的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度有重要的影響。早期的數(shù)字太陽(yáng)敏感器大多采用單光孔或單光縫的設(shè)計(jì)。單光孔或單光縫的優(yōu)點(diǎn)是易于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),但是由于焦平面圖像上僅有一個(gè)太陽(yáng)像點(diǎn),太陽(yáng)像點(diǎn)中心提取算法容易受到圖像噪聲、太陽(yáng)敏感器內(nèi)部雜散光的影響,導(dǎo)致太陽(yáng)角度測(cè)量精度下降。為了提高太陽(yáng)敏感器的測(cè)量精度和系統(tǒng)的可靠性,研究人員提出了具有多光孔或多狹縫的太陽(yáng)敏感器,如圖3和圖4所示。圖5是一個(gè)采用N型狹縫和線陣CCD的太陽(yáng)敏感器。這種多光孔或多狹縫的設(shè)計(jì)可提高系統(tǒng)的抗噪聲能力。以圖3中的多光孔數(shù)字太陽(yáng)敏感器為例,入射太陽(yáng)光在焦平面上同時(shí)形成多個(gè)太陽(yáng)像點(diǎn)后,信息處理單元由多個(gè)太陽(yáng)像點(diǎn)獲取了多個(gè)太陽(yáng)角度測(cè)量值,進(jìn)行平均處理等操作后,可降低隨機(jī)噪聲的影響。然而,這種多光孔或多狹縫的光學(xué)設(shè)計(jì)增大了系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)荷,太陽(yáng)像點(diǎn)中心提取算法較為復(fù)雜,需要額外的處理時(shí)間?？紤]到太陽(yáng)光的輻照度強(qiáng),在軌的輻射環(huán)境可能傷害大規(guī)模集成電路,故一般采用衰減濾光片減低入射太陽(yáng)光的能量來(lái)保護(hù)圖像探測(cè)器。在設(shè)計(jì)衰減濾光片時(shí),首先要考慮圖像探測(cè)器的特性,控制入射到圖像探測(cè)器上的太陽(yáng)光譜頻帶和入射光輻照度;其次,結(jié)合航天任務(wù)的抗輻射要求,對(duì)圖像探測(cè)器進(jìn)行抗輻射加固。另外,應(yīng)合理選擇濾光片的通帶透過率系數(shù),準(zhǔn)確調(diào)整入射到圖像探測(cè)器上的光通量,以保證圖像探測(cè)器工作在非飽和區(qū),維持圖像探測(cè)器的最佳工作狀態(tài)。在太陽(yáng)敏感器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,數(shù)字太陽(yáng)敏感器的視場(chǎng)與角度分辨率是一對(duì)相互制約的指標(biāo),應(yīng)結(jié)合航天任務(wù)的具體背景和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)權(quán)衡決定。4有機(jī)太陽(yáng)敏感器的組成和發(fā)展模擬太陽(yáng)敏感器,一般選用光電池、光電二極管作為光電探測(cè)器,這些光敏元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,后面的信號(hào)探測(cè)電路和太陽(yáng)角度計(jì)算方法的復(fù)雜度都相對(duì)較低,系統(tǒng)造價(jià)較低。早期的數(shù)字太陽(yáng)敏感器大多采用電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice,CCD)作為焦平面光電探測(cè)器,例如線陣CCD和面陣CCD?，F(xiàn)有的大部分?jǐn)?shù)字太陽(yáng)敏感器則采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS)有源像素傳感器(ActivePixelSensor,APS)圖像傳感器。CMOSAPS圖像傳感器采用單個(gè)像元的有源晶體管產(chǎn)生信號(hào),沒有光影、光暈等失真,并且內(nèi)部集成了信號(hào)采樣、信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換、串行命令總線和多位并行數(shù)據(jù)輸出接口。相對(duì)CCD成像器件,CMOSAPS圖像傳感器具有高集成度、低噪聲、低功耗、高傳輸效率等優(yōu)點(diǎn)。CMOSAPS圖像傳感器還具有較強(qiáng)的抗輻照能力,采用單一電源供電。對(duì)于太陽(yáng)敏感器而言,CMOSAPS圖像傳感器比多電源供電的CCD成像器件有明顯的優(yōu)勢(shì),利于系統(tǒng)的緊湊設(shè)計(jì)。上述的一般太陽(yáng)敏感器,受制于尺寸、功耗等因素,無(wú)法安裝在微小航天平臺(tái)上。為了實(shí)現(xiàn)微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制和行星探測(cè)系統(tǒng)的定位導(dǎo)航,研究人員采用MEMS技術(shù),提出微型光電探測(cè)器,用于構(gòu)造微型太陽(yáng)敏感器。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了微型模擬光電探測(cè)器,用于構(gòu)造微小的太陽(yáng)敏感器。其中的微型模擬光電探測(cè)器為兩對(duì)正交安裝的光電二極管。兩對(duì)光電二極管在同一塊硅基底上生長(zhǎng)。文獻(xiàn)考慮微小航天器的任務(wù)要求,提出了一種集成了光學(xué)系統(tǒng)和CMOSAPS圖像傳感器的微型光電探測(cè)器,外形大小見圖6,其中的光電探測(cè)器包括512pixel×512pixel陣列、512個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字邏輯、時(shí)序控制電路。前置多孔掩模采用MEMS技術(shù)加工而成,與光電探測(cè)器封裝在一塊芯片上。文獻(xiàn)則進(jìn)一步提出了無(wú)線、自主、高集成度的微型數(shù)字太陽(yáng)敏感器,見圖7,將太陽(yáng)敏感器的光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信息處理單元、太陽(yáng)能電池板、RF通信單元整合到了單一芯片上,縮小了系統(tǒng)尺寸,降低了功耗。圖8是無(wú)線微型數(shù)字太陽(yáng)敏感器的功能框圖。5太陽(yáng)像點(diǎn)中心像素太陽(yáng)敏感器的信息處理單元用于在獲取焦平面圖像后,對(duì)焦平面圖像進(jìn)行處理,對(duì)焦平面圖像中的每個(gè)太陽(yáng)像點(diǎn)中心進(jìn)行標(biāo)記,計(jì)算每個(gè)太陽(yáng)像點(diǎn)中心的像素標(biāo)號(hào),進(jìn)而獲取入射太陽(yáng)光的角度。對(duì)于采用單光孔和二維圖像傳感器的太陽(yáng)敏感器而言,焦平面圖像中只有一個(gè)太陽(yáng)像點(diǎn),通常采用重心法獲取太陽(yáng)像點(diǎn)中心,太陽(yáng)像點(diǎn)中心提取算法如下:(1)設(shè)置灰度閾值gt,用于將焦平面圖像分割為太陽(yáng)像點(diǎn)區(qū)域和背景區(qū)域。(2)像素標(biāo)記,將灰度值超過閾值gt的像素標(biāo)記為太陽(yáng)像點(diǎn)區(qū)域的像素,否則標(biāo)記為背景區(qū)的像素。(3)計(jì)算太陽(yáng)像點(diǎn)中心(xc,yc)的像素標(biāo)號(hào),見圖2,太陽(yáng)像點(diǎn)中心(xc,yc)的像素標(biāo)號(hào)為:xc=∑j=1Nxjpj∑j=1Npj,(2)yc=∑j=1Nyjpj∑m=1Npj,(3)xc=∑j=1Νxjpj∑j=1Νpj,(2)yc=∑j=1Νyjpj∑m=1Νpj,(3)式中:pj為太陽(yáng)像點(diǎn)區(qū)域的像素灰度,xj是太陽(yáng)像點(diǎn)區(qū)域像素的列標(biāo)號(hào),yj是太陽(yáng)像點(diǎn)區(qū)域像素的行標(biāo)號(hào),N為太陽(yáng)像點(diǎn)區(qū)域的像素總數(shù)。圖9是單光孔數(shù)字太陽(yáng)敏感器焦平面圖像和太陽(yáng)像點(diǎn)中心的標(biāo)記結(jié)果。圖9(a)為數(shù)字太陽(yáng)敏感器抓取的焦平面圖像,圖9(b)為對(duì)焦平面圖像進(jìn)行圖像分割、太陽(yáng)像點(diǎn)中心像素的處理結(jié)果。上述太陽(yáng)像點(diǎn)中心提取算法每一次都要遍歷焦平面圖像中的全部像素,每次遍歷光電探測(cè)器全部像素的大約需要幾瓦的能量?？紤]到微小航天平臺(tái)的功耗嚴(yán)格受控,微型太陽(yáng)敏感器一般采用首先粗略定位、然后精確定位的太陽(yáng)像點(diǎn)中心提取算法,算法分成兩步。第一步,粗略定位階段,對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)的獲取(acquisition)階段,按照一定的原則抽取部分元素,例如等間距的方法,獲取大致的包含太陽(yáng)像點(diǎn)的興趣區(qū)域ROI(RegionofInterest)。第二步,精確定位階段,對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)的跟蹤(tacking)階段,在第一步確定的興趣區(qū)域ROI中,采用重心法提取太陽(yáng)像點(diǎn)中心。這種先粗略定位再精確定位的二步處理方法只需要處理部分的像素,不需要處理全部的像素,降低了太陽(yáng)像點(diǎn)中心獲取耗費(fèi)的能量,適合于功耗敏感的微小衛(wèi)星。6數(shù)字太陽(yáng)敏感器幾乎每一顆衛(wèi)星、每一艘飛船都要安裝太陽(yáng)敏感器,太陽(yáng)敏感器的產(chǎn)品研制受到了各國(guó)廠商、研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)等組織的廣泛關(guān)注。因此,各種航天用太陽(yáng)敏感器相繼問世,見表1。與模擬太陽(yáng)敏感器相比,數(shù)字太陽(yáng)敏感器的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高,其缺點(diǎn)是數(shù)字太陽(yáng)敏感器中的圖像傳感器成本較高,易受空間輻射影響,導(dǎo)致入軌后圖像傳感器性能下降,單機(jī)壽命存在風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)字太陽(yáng)敏感器的可靠性仍需進(jìn)一步提高。由于模擬太陽(yáng)敏感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、單機(jī)造價(jià)低、在軌壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)勢(shì),模擬太陽(yáng)敏感器依舊被廣泛應(yīng)用,特別是角度測(cè)量精度較低的各種系統(tǒng)。高集成度的微型數(shù)字太陽(yáng)敏感器則仍停留在試驗(yàn)階段。7航天太陽(yáng)敏感器取得一些進(jìn)展所有的航天任務(wù)幾乎都需要安裝航天太陽(yáng)敏感器,故航天太陽(yáng)敏感器的研制一直受到了相當(dāng)?shù)年P(guān)注。從模擬的光電池探測(cè)器到全數(shù)字高度集成化的CMOSAPS光電探測(cè)器,從單光孔到采用