选用内编队卫星方法丈量大地重力场，需求在内卫星所受非保守力引起的扰动加速度小于1×10-11 m2/s的情况下丈量表里卫星的相对方位[1]，运用非触摸可见光丈量带来的光压扰动在4×10-10 m2/s左右，已超出了非保守力的搅扰要求规模。经过剖析得出，运用内卫星外表和外卫星腔体表里表的红外发射率不同，选用三台固定于外卫星腔体表里表的红外相机对内卫星进行拍照，可解算出表里卫星的相对方位。
因为内编队卫星的特殊性，要求该星载红外相机的体积、质量、功耗都很小。经过调研发现，现有的商业红外相机很难到达上述要求，且无法满意航天要求。而制冷型相机需求冷却设备将勘探器冷却到适当低的温度，这增加了整个体系的功耗和复杂度。因而，研发一种小型星载非制冷红外相机是完结内编队卫星有效载荷需求首要处理的问题。依据上述需求，本文经过剖析内编队重力场卫星的红外成像环境，选用了适宜的长红外焦平面阵列勘探器，对非制冷红外相机进行了体系规划，并运用FPGA完结了对焦平面阵列勘探器芯片正常作业所需各种信号的操控和图画预处理算法以及整个体系的归纳办理。
1 非制冷红外成像体系总体规划
本文规划的非制冷红外成像体系首要由光学镜头、非制冷红外焦平面阵列、操控电路、图画处理和输出电路组成，体系构成框图如图1所示。红外方针光线经过红外光学镜头聚集在CCD勘探器上，模仿电路部分供给CCD作业的基准电压，CCD勘探器在数字电路部分供给的扫描时序驱动下以模仿电压的方法逐行输出每一像素点的灰度值。该模仿电压信号经过高精度A/D采样后生成数字图画信号送入数字电路部分。数字电路部分实时完结各种图画处理使命，并输出处理后的图画数据供PC机作后续处理或在电视机屏幕上显现。
考虑到电路噪声对红外图画信号的影响，本体系选用了数字电路和模仿电路别离规划思维，将数字电路和模仿电路规划在不同的电路板上，经过排针直接相连。它们之间只需数字信号的交互，这样既能够减小数模混合电路的彼此搅扰性，也能够下降信号在传输线上的噪声影响。模仿电路部分首要选用各类电压转化芯片完结对CCD勘探器基准电压的设置。模数转化芯片完结对勘探器输出模仿图画信号的转化以及处理后模仿图画信号的输出。数字电路部分以内嵌MicroBlaze 32位微处理器软核的FPGA为主处理器[2]，完结的功用首要包含CCD勘探器时序生成、图画处理算法、处理后的数字图画信号输出以及整个体系的归纳办理等[3]。
2 各模块的规划与完结
2.1 CCD勘探器电路规划与完结
依据内编队重力场卫星规划的红外成像环境温度(300 K)和黑体维恩位移规律，可得到红外光谱辐照度的峰值波长为9.66 μm，处于长波红外波段，因而能够选用典型波长为8 μm~14 μm的红外焦平面阵列勘探器。在波长规模确认的情况下，归纳考虑航天运用上高可靠性、低功耗、低噪声和小型化等方面的要求，选取了ULIS公司出产的UL 03 16 2非制冷型长红外微型测辐射热仪[4]。与之相匹配的红外镜头托付相关公司规划了视场角120°、焦距3 mm、光圈F数为1的广角镜头。UL 03 16 2微型测辐射热仪焦平面阵列包含两部分：由384×288个单元组成，选用多晶硅工艺制造的电阻型两维勘探阵列；衔接到勘探器阵列的硅工艺读出%&&&&&%(ROIC)。
依据勘探器芯片材料，勘探器正常作业所需的电源和各项偏置电压参数要求如表1所示。
由表1可知，VDDA和VDDL为供电电源，选用了转化效率高、安稳性好的LT1086-5.0和LT1086-3.3电源芯片，它可供给1.5 A的最大电流。4个精细基准电压源需求为勘探器供给低噪声的偏置电压(VBUS、GFID、VSK和GSK)，比较此类芯片的特性，选用AD584合作精细可调电阻发生VBUS、GFID和VSK三种电压，选用LM4041合作精细可调电阻发生GSK电压。为了使电源噪声到达上述要求，规划了放大器去噪电路，选用低噪声精细放大器OP270，它在1 kHz下能到达5 nV的电压安稳精度，温度漂移为1 ?滋V/K。图2以VSK(5.475 V)电压为例给出了详细电路原理图，其他电压的电路原理根本相似。
勘探器凭借不同的外部时钟和偏置电压，内部时序器为彻底同步的RO%&&&&&%操作供给一切必要的内部信号，一切内部脉冲都是经过主时钟的整数倍频得到的。内部时序器的操作仅需求以下时钟[4]：(1)主时钟（MC）；(2)复位信号；(3)积分信号。VIDEO信号在每行积分完结的18.5个时钟周期后开端输出，与之相应的AD采样时钟可设置为积分完结后的19个周期开端，与主时钟同步。上述信号的时序联系可在FPGA内部编程完结。
2.2 模仿采样电路规划
为了确保图画的高质量，需求确保高精度、低噪声的A/D转化。CCD勘探器为串行输出，最高主频为6 MHz，图画收集的数据量较大。输出的Video信号在1 V~4.2 V内动态改变，它对应了-10 ℃~80 ℃的温度规模，因为体系环境温度是27 ℃，Video信号的输出规模很小，给电路的规划带来了较大的困难。为了尽可能进步输出速度和采样精度，选用了14位高速高精度集成转化芯片AD9240[5]，其电路衔接图如图3(a)所示。
本体系规划中考虑到图画方针比较均匀单一，选用了核算量偏小的A3×3中值滤波窗口。
上述图画处理模块的完结都由FPGA完结，关于非均匀性校对，预先将高低温下的勘探器像元呼应存入外部SRAM中，直接调用FPGA中的乘法和加法模块经过上述公式核算各像元系数并存储到Flash中，在实时校对过程中由MircoBlaze将系数调入到外部SRAM中供校对模块运用[5]。关于线性灰度改变，可先求取图画的最大和最小灰度值，然后将校对后的像素值代入式(6)即可求得。关于3×3中值滤波，可将图画数据推迟得到3行并行数据[7](不推迟行数据、推迟1行数据和推迟2行数据)，运用这3行并行数据完结3×3窗口内推迟1行数据的中值滤波核算。
2.4 图画输出模块规划与完结
经过预处理后的图画经过两种方法输出：(1)经过LVDS接口信号方法输出，供后续处理；(2)实时显现在电视屏幕上。
LVDS信号选用低压差分信号传输方法，可完结信号的高速低噪声传输[8]。电路规划较为简略，只需在数据的收发两头规划LVDS信号转化芯片即可，本体系发送端选用了信号发送转化芯片DS90CR215，接纳端选用了与之相对应的信号接纳转化芯片DS90CR216。
将红外勘探器收集到的图画实时显现在电视屏幕上，需求将预处理后的数字图画信号转化为PAL制式的模仿电视信号。体系选用AD公司的DAV7123视频转化芯片，视频码流在芯片内部进行D/A转化，再进行视频编码，然后生成复合同步信号、消隐信号和模仿视频信号，这三路信号共用一路信号输出[9]。因为PAL625行制的电视信号选用13.5 MHz的抽样规范，而勘探器输出5 MHz，因而在输出端选用了双口RAM对图画数据进行了缓存，再依据现有PAL制式电视规范[10]对双口RAM中的像素灰度值进行读取。
3 体系测验成果与剖析
经过上述硬件电路的规划和图画预处理算法的完结，得到不同预处理阶段的图画和PC机上完结的边际提取成果如图4所示。
经过图4图画能够得出，两点校对后的图画成像作用较好，伴有随机散粒噪声搅扰，经过中值滤波后，根本上消除了噪声的影响。预处理后的图画边际概括明晰，经过边际提取成果剖析得知，图画质量根本上能确保表里卫星相对方位解算的精度。
本项目规划的终究意图是要经过外卫星腔体表里表的三台红外相机对内卫星进行照相，最终经过双目或三目交汇解算出表里卫星的相对方位。本文的内容归于前期红外相机原理样机的研发，包含红外CCD勘探器的选取，硬件电路的规划与软件体系的完结，但其功用只限于红外图画信号的获取和图画预处理，FPGA完结的算法没有涉及到后续的图画处理，包含图画的边际提取、中心拟合以及三目交汇的解算。经过对预处理后的图画边际提取成果剖析可知，该原理样机的图画输出质量杰出，根本到达体系要求，霸占了内编队重力场卫星有效载荷丈量的关键技术，为后续实验样机和工程样机的研发奠定了坚实的根底。
