采用標準CMOS的納型衛星遙感系統設計

　　納型衛星是指質量在1～10kg 之間的衛星。與微型衛星相比， 納型衛星對遙感系統在質量、體積、功耗等方面的要求更加苛刻。目前廣泛用于微型衛星遙感系統的電荷耦合器件CCD很難滿足納型衛星的使用要求。CMOS圖像傳感器采用標準的CMOS 技術， 繼承了CMOS 技術的優點， 如靜態功耗低、動態功耗與工作頻率成比例、噪聲容限大、抗干擾能力強、特別適合于噪聲環境惡劣條件下工作、工作速度較快、只需要單一工作電源等。雖然 CMOS 器件的研究還未完全成熟， 如電離環境下暗電流稍大等問題還沒有很好地解決，還不能完全取代CCD， 但不可否認CMOS 器件將是未來遙感傳感器的發展方向。本文設計了一套納型衛星CMOS 遙感系統， 并對其進行了熱循環實驗研究。

　　1　納型衛星遙感系統的設計

　　1. 1　遙感系統總體設計

　　納星遙感系統如圖1 所示， 包括鏡頭、CMOS圖像傳感器、現場可編程門陣列FPGA、靜態隨機存儲器SRAM 和微控制器5 部分。

　　圖1　納星遙感系統框圖

　　1. 2　光學系統設計

　　1） 焦距設計

　　遙感相機光學系統的原理如圖2 所示。圖中用一個透鏡代表實際光學系統的透鏡組， 示意了視場中地面景物的最小可分辨單元在成像面上產生一個相應的點。對于衛星遙感相機的光學系統， 因為成像物距等于衛星軌道高度h， 相對于焦距f 來說可認為是無窮遠， 所以可認為光線都是近軸的平行光。這些近軸平行光通過光學系統的透鏡組后， 匯聚在透鏡組的焦平面上。因此， 從透鏡組中心到焦點的距離， 焦距將大體上決定聚光系統的長度， 而光學系統的理論分辨率則主要由光學孔徑D決定。

　　圖2　光學系統原理圖

　　在實際設計中， 焦距通常是根據地面分辨率和圖像傳感器的大小通過下式來確定的：

　　式中： h為衛星到地面的距離， rd為CMOS圖像傳感器探測面半徑， R為相機成像覆蓋半徑。

　　2） 光學孔徑設計

　　為保證成像器件探測面獲得足夠的曝光量， 根據遙感光學系統的經驗計算相機光學系統的光圈數：

　　實際設計中， 一般取F≤4～5。

　　遙感相機光學系統可近似為望遠鏡系統， 其最小分辨角， 即望遠鏡分辨率， 可用剛好能分辨開的兩物點對系統的張角θr 表示， 根據望遠鏡分辨率和Rayleigh 衍射判據有如下計算式：

　　式中λ為中心波長。光學系統在平坦地面上的理論分辨率為

　　式中θt為地物中心對光學系統的張角。

　　設計中應綜合考慮式（2） 和（4） 的結果， 選定的設計參數在保證遙感系統獲得足夠光照的情況下，要同時滿足設計分辨率的要求。