航天508所CMOS相机在多型号产品广泛应用

文章来源:中国航天报 发布时间:2014-01-15

“CMOS相机目前已形成多个功能模块,这些模块都经过了验证,可以直接应用,通过模块组合快速形成新的产品。”中国航天科技集团公司五院508所CMOS相机组负责人介绍说。

去年,该所CMOS相机在产品化和模块化方面取得显著成效,未来型号上可以直接继承已获成功应用的产品。因此,在保证产品质量的同时,CMOS相机的研制进度也显著加快。

越走越宽的型号应用道路

CMOS图像传感器具有集成度高、功耗低、成本低等特点,随着技术发展,很多指标已赶上或超过CCD探测器,在民用领域获得广泛应用,且在部分航天项目中得以应用。

采用CMOS图像传感器的相机具有体积小、重量轻、耗费星(船)资源少等特点,在航天器可视化遥测、深空探测成像、关键部件监视、星船交会对接测量等方面具有广泛的应用前景。

从最初的蜂鸟相机开始,该所逐渐在轻小型低功耗CMOS相机领域形成了系列化产品,积累了高帧频大压缩比图像压缩、快速自动曝光、小批量柔性装配调试工艺等诸多关键技术。

2009年12月16日,搭载在希望一号卫星上的CMOS相机传回了中国人的第一张地球全景彩色图像。这个“小家伙”总重363克,集成了光、机、电、热等先进技术,能够实现自动拍摄、实时压缩等智能操作,其所采用的超广角镜头拍回了1200千米外太空鸟瞰蔚蓝色地球家园的图片。通过央视新闻频道,CMOS相机第一次走入公众视野。

如果说希望一号是CMOS相机的“试镜”,那么在嫦娥二号上的应用则可用“大放异彩”来形容——3台监视相机和1台降落相机均为辅助嫦娥“二姑娘”走稳飞天路的全新装备。

2012年底,嫦娥二号超期服役的监视相机还成功获取了小行星“图塔蒂斯”与地球擦肩而过的瞬间图片,这是我国首次实现深空探测领域对小行星的精确捕获、高分辨率成像。

在去年12月底刚刚发射的嫦娥三号上,人们也能找到CMOS相机的身影。3台监视相机分别安装在着陆器的两端和巡视器上,它们像是尽职的“摄影记者”,在38万公里之外为地球的观众们“直播”嫦娥三号着陆器和巡视器解锁、脐带电缆脱离、巡视器驶离连接支架等关键过程,使整个探月过程更加具有视觉冲击力。降落相机则是在卫星降落过程中,获取月球表面的光学图像,用于分析着陆区月表的地形地貌和区域地质情况,帮助“三姑娘”找到最稳妥的立足之处。

近年来,空间与深空探测活动日益频繁,像CMOS相机这样以工程任务为主的微小相机已经成为确保飞行器活动安全的必备仪器。同时,CMOS相机为空间目标遥感探测提供了新的技术手段,它在体积、重量、功耗、集成度、数据率、智能化等方面的优势,必将使其在航天领域发挥越来越重要的作用。

像“搭积木”似的模块化集成

在研制人员口中,CMOS相机还有一个亲切的名字:微小相机。因为每台CMOS相机都只有手掌大小,重量仅三四百克。麻雀虽小五脏俱全,相机集成了光、机、电、热等多项先进技术和自动拍摄、实时图像压缩等智能化功能,能应付恶劣的太空辐射、温度环境,能承受发射时的强烈冲击和振动。

从2006年开始,508所CMOS相机走过了“技术攻关、工程化、产品化”的三部曲。团队成立之初仅有4个人,没有相关技术基础可供参考,研制队伍通过自主攻关完成了原理样机研制。

与该所研制的其他遥感相机相比,CMOS相机在产品化的道路上有着得天独厚的优势。研制组一名“元老”级成员说,遥感相机的市场竞争非常激烈,用户对每个型号都有不同的技术要求,因此相机面貌各异、功能各异,“走的是‘私人订制’的路线。”小相机则完全不同,体型大小和功能需求基本一致,这就为产品化提供了足够的空间。

2011年,CMOS相机任务呈倍增态势,研制资源冲突明显,同时考虑到要“缩短研制周期,提高产品质量”,因此,508所开始按照产品化的思路将CMOS相机按照专业进行划分,形成了光学、电子学、FPGA等部组件设计模块库;按照部组件进行细分,形成了镜头、硬件电路、FPGA软件、结构组件等产品模块库。

“各模块接口标准的确定要慎之又慎,标准不合理就会限制未来模块库的发展,出现不兼容等严重问题。”一名小组成员如是说。

经过研制团队的充分调研和讨论,对各模块接口进行标准化设计,保证了各模块的通用性及良好的移植性。近3年的摸索使该所CMOS相机产品化工作初具规模,形成了包含全色、彩色相机的系列货架产品,建成了设计模块库及产品模块库。

实际应用中,在保证质量和可靠性的前提下,研制人员可以直接把技术指标与产品底层功能模块相对应,形成可以组合成多系列产品的产品模块库和设计模块库,以提高CMOS相机的设计速度、简化设计过程,最大程度利用已有设计,实现产品化。

研制人员介绍说,以目前正在研制的新一代CMOS相机将带来全面的革新,在视频压缩、主动照明、轻小型化等方面都将有更优异的表现,并已经确定应用在3个在研型号和多个预研和论证项目中。

随着CMOS相机产品种类不断增加,如何通过组合不同种类的产品和功能模块快速形成最优化的产品解决方案,将是508所CMOS相机产品化之路今后努力的方向,也是对其它专业产品化工作的一次有益摸索和尝试。(杨艳 胡永富)