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太阳敏感器及信号处理方法技术

技术编号:17263787 阅读:67 留言:0更新日期:2018-02-14 10:39
本发明专利技术公开了一种太阳敏感器及信号处理方法,太阳敏感器包括:光学镜头、探测器、信号处理模块,其中,所述光学镜头用于将太阳光聚焦到所述探测器焦平面上成像;所述探测器位于所述光学镜头的下方,所述探测器用于对所述光学镜头引入的光线进行探测,以利用像素反转效应产生黑太阳图像;信号处理模块,所述信号处理模块与所述探测器相连,用于根据黑太阳图像计算两轴太阳角,并将所述两轴太阳角信息发送至上位机。本发明专利技术相比于孔缝式太阳敏感器可以达到更高的精度,大大简化了光学系统设计,并且得到的黑太阳图像对比度高且抗噪能力强也能使得信号处理模块中的算法的复杂度达到极大降低,可广泛用于高精度姿态测量。

Sun sensor and signal processing method

【技术实现步骤摘要】
太阳敏感器及信号处理方法
本专利技术涉及航天
,特别涉及一种太阳敏感器及信号处理方法。
技术介绍
太阳敏感器是航天器上的重要器件,主要用来测量太阳光线相对于太阳敏感器的入射角,用于航天器上姿态测量及控制,现在已经广泛应用于航天领域,包括地球卫星,航天飞机和深空探测器等。相对星敏感器,地球敏感器等其他姿态敏感器而言,太阳敏感器具有单机结构简单,造价低等诸多优点,此外,由于太阳的亮度高,太阳敏感器的定位处理几乎不受其他天体的干扰,所以太阳敏感器几乎成为了航天器上不可或缺的器件。近年来,随着航天任务的要求,对航天器相对于太阳的姿态测量精度和可靠性方面提出了更高的要求。目前太阳敏感器大部分都采用电荷耦合器件(charge-coupleddevice,CCD)或互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor,CMOS)作为感光探测器,大大提高了测量精度,但是在光学系统设计上目前大部分太阳敏感器均采用小孔成像原理来工作,以光孔或光缝的光线引入器来进行光线引入,这其中最主要的一个问题是光线经过太阳敏感器上设计精密的小孔或狭缝会产生较严重的衍射,导致精度受到影响,同时精度还会受到光线引入器光孔或狭缝设计以及算法处理的影响,小孔图案设计的复杂也会增加加工工艺的难度以及算法处理的复杂程度。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。为此,本专利技术的一个目的在于提出一种太阳敏感器。该太阳敏感器采用光学镜头和探测器组合,采用反转成像原理,得到的黑太阳图像,相比于孔缝式太阳敏感器可以达到更高的精度,大大简化了光学系统设计,并且得到的黑太阳图像对比度高且抗噪能力强也能使得信号处理模块中的算法的复杂度达到极大降低,可广泛用于高精度姿态测量。本专利技术的另一个目的在于提出一种太阳敏感器的信号处理方法。为了实现上述目的,本专利技术的一方面公开了一种太阳敏感器,包括:光学镜头、探测器、信号处理模块,其中,所述光学镜头用于将太阳光聚焦到所述探测器焦平面上成像;所述探测器位于所述光学镜头的下方,所述探测器用于对所述光学镜头引入的光线进行探测,以利用像素反转效应产生黑太阳图像;信号处理模块,所述信号处理模块与所述探测器相连,用于根据黑太阳图像计算两轴太阳角,并将所述两轴太阳角信息发送至上位机。根据本专利技术的太阳敏感器,采用光学镜头和探测器组合,采用反转成像原理,得到的黑太阳图像,相比于孔缝式太阳敏感器可以达到更高的精度,大大简化了光学系统设计,并且得到的黑太阳图像对比度高且抗噪能力强也能使得信号处理模块中的算法的复杂度达到极大降低,可广泛用于高精度姿态测量。另外,根据本专利技术上述实施例的太阳敏感器还可以具有如下附加的技术特征:进一步地,所述黑太阳图像为:太阳图像部分呈现低灰度值,背景部分呈现高灰度值。进一步地,所述探测器具体用于根据所述探测器的内部读出电路采用的相关双采样技术,在太阳强光入射下产生像素反转效应,并在探测器的焦平面上生成黑太阳图像。进一步地,还包括:机械壳体,所述光学镜头、探测器、信号处理模块都位于所述机械壳体内,用于固定并保护所述光学镜头、探测器、信号处理模块。进一步地,所述信号处理模块包括:数据处理子模块,用于对所述黑太阳图像进行处理,计算得出两轴太阳角信息;通信子模块,用于将所述两轴太阳角信息传输给上位机。本专利技术的另一方面公开了一种信号处理方法,其中,所述信号处理方法是根据上述任一项实施例所述的太阳敏感器的信号处理方法,包括:对黑太阳图像进行灰度反转,形成图像P1;将所述图像P1中太阳所在范围内的所有像素点最低灰度值作为阈值,并将图像中灰度值小于阈值的像素点的像素值设为0,反之,设置为1;进行区域连通,得到太阳所在像素的区域;根据所述太阳所在像素的区域,得到太阳成像质心位置;并根据所述质心位置,获取所述黑太阳图像的两轴太阳角。根据本专利技术的信号处理方法,由太阳敏感器的光学镜头和探测器组合形成的反转成像法得到的黑太阳图像,可以依次通过灰度反转、二值化处理、区域连通得到太阳成像质心区域,从而可以得到两轴太阳角,这种计算算法大大降低了计算难度。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:图1是根据本专利技术一个实施例的太阳敏感器的结构图;图2是根据本专利技术一个实施例的高精度太阳敏感器原理图;图3是根据本专利技术一个实施例的CMOS感光探测器上生成的黑太阳图像示意图;图4是根据本专利技术一个实施例的高精度太阳敏感器的工作原理示意图;图5是根据本专利技术一个实施例的信号处理方法的流程图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本专利技术,而不能理解为对本专利技术的限制。以下结合附图描述根据本专利技术实施例的太阳敏感器及信号处理方法。图1是根据本专利技术一个实施例的太阳敏感器的结构图。如图1所示,根据本专利技术一个实施例的太阳敏感器100,包括:光学镜头110、探测器120、信号处理模块130。其中,光学镜头110用于将太阳光聚焦到探测器焦平面上成像,其中,探测器可以为感光探测器。探测器120位于光学镜头110的下方,探测器120用于对光学镜头110引入的光线进行探测,利用像素反转效应产生黑太阳图像。信号处理模块130与探测器120相连,用于根据黑太阳图像计算两轴太阳角,并将两轴太阳角信息发送至上位机200。根据本专利技术的太阳敏感器,采用光学镜头和探测器组合,采用反转成像原理,得到的黑太阳图像,相比于孔缝式太阳敏感器可以达到更高的精度,大大简化了光学系统设计,并且得到的黑太阳图像对比度高且抗噪能力强也能使得信号处理模块中的算法的复杂度达到极大降低,可广泛用于高精度姿态测量。结合图3所示,探测器120可以为CMOS感光探测器,黑太阳图像可以为:太阳图像部分呈现低灰度值,背景部分呈现高灰度值。即,在太阳光线极其强烈的情况下,在图像上太阳光斑对应位置不是呈现高灰度值,而是呈现低灰度值,同时背景部分不是呈现低灰度值,而是呈现高灰度值,即视场中太阳光斑的部分在图像中暗,背景部分在图像中亮,对比度极高,且抗噪能力更强。在一些实施例中,探测器120具体根据探测器的内部读出电路采用的相关双采样技术,在太阳强光入射下产生像素反转效应,并在探测器的焦平面上生成黑太阳图像。这样,既能得到黑太阳图像,同时又不会对探测器造成硬损伤,可以很好地应用在卫星上。具体来说,探测器120的读出电路采用相关双采样技术(CorrelatedDoubleSample,CDS),采集的像素输出电压Vout=Vreset-Vsignal,在入射光线功率逐渐增强的过程中,探测器120的像元内光电二极管光敏面与像元外表层玻璃之间反射光会随之增强,影响周围像元,随着入射光功率增强,反射光作用增强,加上入射光光斑外延功率增长,饱和区域会扩展,直至全屏饱和;并且在入射光功率增强的过程中,光强最强区域会发生过饱和现象,产生像素反转效应,这是由于强本文档来自技高网...
太阳敏感器及信号处理方法

【技术保护点】
一种太阳敏感器,其特征在于,包括:光学镜头、探测器、信号处理模块,其中,所述光学镜头用于将太阳光聚焦到所述探测器焦平面上成像;所述探测器位于所述光学镜头的下方,所述探测器用于对所述光学镜头引入的光线进行探测,以利用像素反转效应产生黑太阳图像;信号处理模块,所述信号处理模块与所述探测器相连,用于根据黑太阳图像计算两轴太阳角,并将所述两轴太阳角信息发送至上位机。

【技术特征摘要】
1.一种太阳敏感器,其特征在于,包括:光学镜头、探测器、信号处理模块,其中,所述光学镜头用于将太阳光聚焦到所述探测器焦平面上成像;所述探测器位于所述光学镜头的下方,所述探测器用于对所述光学镜头引入的光线进行探测,以利用像素反转效应产生黑太阳图像;信号处理模块,所述信号处理模块与所述探测器相连,用于根据黑太阳图像计算两轴太阳角,并将所述两轴太阳角信息发送至上位机。2.根据权利要求1所述的太阳敏感器,其特征在于,所述黑太阳图像为:太阳图像部分呈现低灰度值,背景部分呈现高灰度值。3.根据权利要求1所述的太阳敏感器,其特征在于,所述探测器具体用于根据所述探测器的内部读出电路采用的相关双采样技术,在太阳强光入射下产生像素反转效应,并在探测器的焦平面上生成黑太阳图像。4.根据权利要求1所述的太阳敏感器,其...

【专利技术属性】
技术研发人员:邢飞尤政李静冬
申请(专利权)人:清华大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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