空间用高可靠微型自动对焦监视相机

摘要

本发明的空间用高可靠微型自动对焦监视相机包括集成自动对焦光学成像系统、数据处理单元、电源模块、特型印制电路板和外壳；特型印制电路板设有第一窗口，在第一窗口的一侧设有第一连接器，集成自动对焦光学成像系统置于第一窗口位置，并连接第一连接器；数据处理单元和电源模块均设置在特型印制电路板上，数据处理单元和电源模块通过第一连接器与集成自动对焦光学成像系统连接，特型印制电路板上还设有第二连接器；集成自动对焦光学成像系统、数据处理单元、电源模块和特型印制电路板置于外壳内，外壳内部设测温电路、外表面粘贴加热片、加热片外包覆热控多层。本自动对焦监视相机体积小、质量轻、功耗低，满足微纳卫星使用要求。

说明书

技术领域

本发明涉及微纳卫星用监视相机，具体涉及一种空间用高可靠微型自动对焦监视相机。

背景技术

随着军、民及科研领域对低成本微纳卫星的需求日益加剧，微纳卫星空间任务数量成倍增加，为了直观获取微纳卫星周围环境图像和卫星平台动作的细节图像，必须采用能够取得高清图像的微型监视相机。监视相机是目前空间应用中最常使用的对自身和环境成像的设备，但大型卫星平台使用的监视相机质量大、功耗大、成本高，不适用于微纳卫星平台。现有技术中，微纳卫星平台的监视相机多采用定焦相机或变焦相机，定焦相机成像质量差，而变焦相机需要设计复杂光学系统，无法满足微纳卫星平台研制周期短的要求，同时复杂的光路和处理电路也无法保证质量、功耗和体积上的严格要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间用高可靠微型自动对焦监视相机，结构简单、体积小，成像质量高。

为了达到上述的目的，本发明提供一种空间用高可靠微型自动对焦监视相机，包括集成自动对焦光学成像系统、数据处理单元、电源模块、特型印制电路板和外壳；所述特型印制电路板设有第一窗口，在所述第一窗口的一侧设有第一连接器，所述集成自动对焦光学成像系统置于该第一窗口位置，并连接所述第一连接器；所述数据处理单元和电源模块均设置在所述特型印制电路板上，所述数据处理单元和电源模块均通过所述第一连接器与所述集成自动对焦光学成像系统连接，所述特型印制电路板上还设有第二连接器，所述数据处理单元通过该第二连接器与外部设备连接，所述电源模块通过该第二连接器与外部电源连接；所述电源模块为所述数据处理单元供电；所述集成自动对焦光学成像系统、载有数据处理单元和电源模块的特型印制电路板置于所述外壳内。

上述空间用高可靠微型自动对焦监视相机，其中，所述数据处理单元包括ARM芯片、存储器SRAM、通信芯片和双向电平转换芯片Trans；所述存储器SRAM和通信芯片分别与所述ARM芯片连接；所述通信芯片与所述第二连接器相连；所述双向电平转换芯片Trans分别连接所述第一连接器和ARM芯片，用于匹配所述ARM芯片与所述集成自动对焦光学成像系统之间的电平。

上述空间用高可靠微型自动对焦监视相机，其中，所述电源模块包括三片开关稳压芯片DCDC_A、DCDC_B、DCDC_C，所述三片开关稳压芯片采用二级级联方式连接，开关稳压芯片DCDC_A为第一级，开关稳压芯片DCDC_B和开关稳压芯片DCDC_C为第二级；开关稳压芯片DCDC_A通过所述第二连接器与外部电源连接，用于降低外部电压；开关稳压芯片DCDC_B和开关稳压芯片DCDC_C分别将开关稳压芯片DCDC_A输出电压转换成比开关稳压芯片DCDC_A输出电压低的电压。

上述空间用高可靠微型自动对焦监视相机，其中，所述外壳包括承载框架和端盖，所述端盖与所述承载框架连接形成一个容纳腔，所述集成自动对焦光学成像系统、载有数据处理单元和电源模块的特型印制电路板置于该容纳腔内；所述端盖上设有第二窗口，所述第二窗口的尺寸与所述集成自动对焦光学成像系统的镜头的尺寸相匹配；所述承载框架的内壁上设有凸台，用于固定所述集成自动对焦光学成像系统；所述承载框架还设有第三窗口，该第三窗口的尺寸与所述第二连接器的尺寸相匹配。

上述空间用高可靠微型自动对焦监视相机，其中，所述外壳内部设置测温电路、在外壳外表面粘贴加热片、并于加热片外包覆热控多层，所述测温电路将温度信息发送给外部热控系统，外部热控系统通过控制加热片对所述监视相机加热。

上述空间用高可靠微型自动对焦监视相机，其中，所述特型印制电路板采用多层印制板设计，将所有元器件紧密地布局在顶层和底层，中间层则用于进行元器件之间的数据走线、供电走线、接地走线的物理连接；所述特型印制电路板上各元器件采用BGA封装；所述元器件包括ARM芯片、存储器SRAM、通信芯片、双向电平转换芯片和电源模块。

本发明的空间用高可靠微型自动对焦监视相机，创新采用集成自动对焦光学成像系统对空间任务进行大范围全过程高清晰度监视，满足微纳卫星对体积和图像质量的要求；使用开窗方式设计特型印制电路板，能够保证整机体积不因为“集成自动对焦光学成像系统”而扩大，同时也可减轻产品重量；

本发明的空间用高可靠微型自动对焦监视相机，特型印制电路板采用多层印制板设计，将所有元器件紧密地布局在顶层和底层，中间层则用于进行元器件之间的数据走线、供电走线、接地走线等密集的物理连接，最大程度缩小产品尺寸；特型印制电路板上各元器件采用BGA封装，与引脚封装相比，BGA封装尺寸缩小约20%，同时也节省出元器件周围的空间，能极大地提高元器件在印制板上的布局密度，从而保证整机尺寸减小；

本发明的空间用高可靠微型自动对焦监视相机，在外壳设置凸台，将集成自动对焦光学成像系统固定在凸台上，可以应对微纳卫星发射过程中的高强度震动；在外壳内部设置测温电路、在外壳外表面粘贴加热片、并于加热片外包覆热控多层，使得相机能够耐受空间环境的温度范围和温度变化。

本发明的空间用高可靠微型自动对焦监视相机，数据处理单元采用ARM芯片，电源模块采用开关稳压电源，极大地降低了功耗；

本发明的空间用高可靠微型自动对焦监视相机，电源模块采用二级压降的方式进行稳压，大大节省了体积。

附图说明

本发明的空间用高可靠微型自动对焦监视相机由以下的实施例及附图给出。

图1是本发明较佳实施例中特型印制电路板的示意图。

图2是本发明较佳实施例中外壳的示意图。

图3是本发明较佳实施例中承载框架的示意图。

图4是本发明较佳实施例中数据处理单元的示意图。

图5是本发明较佳实施例中电源模块的示意图。

图6是本发明较佳实施例中集成自动对焦光学成像系统的示意图。

具体实施方式

以下将结合图1～图6对本发明的空间用高可靠微型自动对焦监视相机作进一步的详细描述。

用于微纳卫星的监视相机除了应当具备对细节高清成像的功能外，还需满足微纳卫星对有效载荷轻小型、低功耗的要求。

本发明的空间用高可靠微型自动对焦监视相机包括集成自动对焦光学成像系统、数据处理单元、电源模块、特型印制电路板和外壳。

图1所示为本发明较佳实施例中特型印制电路板的示意图。如图1，所述特型印制电路板设有第一窗口11，该第一窗口11的尺寸与所述集成自动对焦光学成像系统的尺寸相匹配，在所述第一窗口11的一侧设有第一连接器12，该第一通用连接器12用于连接所述集成自动对焦光学成像系统。

连接所述集成自动对焦光学成像系统与所述特型印制电路板时，所述集成自动对焦光学成像系统置于所述特型印制电路板的第一窗口11位置，所述集成自动对焦光学成像系统的输出连接件与所述第一连接器12连接。使用开窗方式设计特型印制电路板，能够保证整机体积不因为“集成自动对焦光学成像系统”而扩大，同时也可减轻产品重量。

与传统卫星不同，微纳卫星任务繁多、功能复杂，传统空间用的定焦监视相机不能对“由远及近”的动作过程进行全程高清成像，传统空间用变焦相机的体积结构又过于庞大，不适用于微纳卫星。因此，为了对空间任务进行高清晰度成像，本发明创新采用集成自动对焦光学成像系统对空间任务进行大范围全过程高清晰度监视。

所述数据处理单元和电源模块均设置在所述特型印制电路板上（图1中未示），所述电源模块为所述集成自动对焦光学成像系统和数据处理单元供电，所述数据处理单元和电源模块均通过所述第一连接器12与所述集成自动对焦光学成像系统连接，所述特型印制电路板上还设有第二连接器13，所述数据处理单元通过该第二连接器13与外部设备（例如上位机）连接，所述电源模块通过该第二连接器13与外部电源连接。

本实施例中，所述特型印制电路板采用6层印制板设计，将所有元器件紧密地布局在顶层和底层，中间4层则用于进行元器件之间的数据走线、供电走线、接地走线等密集的物理连接，最大程度缩小产品尺寸。本实施例中，所述特型印制电路板上各元器件采用BGA封装，与引脚封装相比，BGA封装尺寸会缩小约20%，同时也节省出元器件周围的空间，能极大地提高元器件在印制板上的布局密度，从而保证整机尺寸减小。

图2所示为本发明较佳实施例中外壳的示意图。如图2，所述外壳包括承载框架21和端盖22，所述端盖22与所述承载框架21连接形成一个容纳腔，所述集成自动对焦光学成像系统、载有数据处理单元和电源模块的特型印制电路板置于该容纳腔内，该容纳腔的尺寸与所述集成自动对焦光学成像系统及载有数据处理单元和电源模块的特型印制电路板的组合的尺寸相匹配。所述集成自动对焦光学成像系统、载有数据处理单元和电源模块的特型印制电路板置于所述容纳腔内，对所述集成自动对焦光学成像系统、载有数据处理单元和电源模块的特型印制电路板形成保护。所述端盖22上设有第二窗口23，所述第二窗口23的尺寸与所述集成自动对焦光学成像系统的镜头的尺寸相匹配，所述集成自动对焦光学成像系统置于所述外壳内后，所述集成自动对焦光学成像系统的镜头通过该第二窗口23露出。图3所示为本发明较佳实施例中承载框架的示意图。如图3，所述承载框架21的内壁上设有凸台24，将所述集成自动对焦光学成像系统通过涂胶方式固定在所述凸台24上，可以应对微纳卫星发射过程中的高强度震动。所述承载框架21还设有第三窗口25，该第三窗口25的尺寸与所述第二连接器13的尺寸相匹配，当所述特型印制电路板置于所述外壳内时，所述特型印制电路板的第二连接器13通过该第三窗口25露出。

图4所示为本发明较佳实施例中数据处理单元的示意图。如图4，所述数据处理单元包括ARM芯片31、存储器SRAM32、通信芯片33和双向电平转换芯片Trans34。所述存储器SRAM32和通信芯片33分别与所述ARM芯片31连接；所述通信芯片33与所述第二连接器13相连，所述第二连接器13连接外部设备（例如上位机）；所述双向电平转换芯片Trans34分别连接所述第一连接器12和ARM芯片31，所述第一连接器12连接所述集成自动对焦光学成像系统，所述双向电平转换芯片Trans34用于匹配所述ARM芯片31与所述集成自动对焦光学成像系统之间的电平。

本发明数据处理单元采用ARM芯片，使得每个功能模块都可以做到“用到再开启，不用不开启”，以此降低不必要的功耗。因此，采用ARM进行产品体系架构，能够将功耗极大地降低，满足微纳卫星使用需求。

为适应空间复杂环境，可在所述外壳内部设置测温电路、在外壳外表面粘贴加热片、并于加热片外包覆热控多层。所述测温电路，是指在电路设计中加入热敏电阻，ARM将模拟量转换为数字量后，将温度信息发送给外部热控系统。所述加热片，贴附在外壳外表面上，便于在轨温度较低时，外部热控系统通过控制加热片对本监视相机加热。本发明的监视相机已通过极限温度环境试验，能够耐受空间环境的温度范围和温度变化。

图5所示为本发明较佳实施例中电源模块的示意图。如图5，所述电源模块包括三片开关稳压芯片DCDC_A、DCDC_B、DCDC_C，所述三片开关稳压芯片采用二级级联方式连接，开关稳压芯片DCDC_A为第一级，开关稳压芯片DCDC_B和开关稳压芯片DCDC_C为第二级，开关稳压芯片DCDC_A通过所述第二连接器13与外部电源连接，将外部电压转换成3.3V电压，开关稳压芯片DCDC_B和开关稳压芯片DCDC_C分别将开关稳压芯片DCDC_A输出的3.3V电压转换成2.8V电压和1.8V电压，开关稳压芯片DCDC_A输出的3.3V电压供所述ARM芯片31、存储器SRAM32和通信芯片33使用，开关稳压芯片DCDC_B输出的2.8V电压供所述集成自动对焦光学成像系统的模拟电路使用，开关稳压芯片DCDC_C输出的1.8V电压供所述集成自动对焦光学成像系统的数字电路使用。

本发明中，电源模块采用开关稳压电源，避免了线性稳压电源较大的集电极损耗，只有在开关状态转换过程中发生较小的管耗，与采用线性稳压电源相比，整机功耗下降约20%；且开关稳压电源的电源效率高，本实施例选择的芯片转换效率可达90%~95%，体积小、重量轻，符合微纳卫星任务需求。

在稳压模块的选型中，压差越高芯片体积越大，采用二级压降的方式进行稳压，可保证3.3V至2.8V、3.3V至1.8V两个二级压降的电压差较小，二级降压就可选择高度集成的体积极小的开关稳压芯片DCDC_B和DCDC_C。二级降压模式比直接降压模式，节省体积约70%，且所产生的纹波电压经测试可被微纳卫星平台接受。

图6所示为本发明较佳实施例中集成自动对焦光学成像系统，体积小、质量轻。

现介绍本发明较佳实施例中空间用高可靠微型自动对焦监视相机的工作流程：上电后，所述ARM芯片31对所述集成自动对焦光学成像系统、存储器SRAM32和通信芯片33进行初始化设置；所述集成自动对焦光学成像系统开始采集图像，并将图像通过所述第一连接器12、双向电平转换芯片Trans34传输给所述ARM芯片31，所述ARM芯片31将图像暂存至所述存储器SRAM32，并等待上位机的图像采集指令；上位机通过所述第二连接器13、通信芯片33向所述ARM芯片31发送图像采集指令后，所述ARM芯片31根据图像采集指令内容从所述存储器SRAM32中读取出图像，并使用JPEG图像压缩算法对读取出的图像进行压缩，得到JPEG格式的图像，所述ARM芯片31再将JPEG格式的图像通过所述通信芯片33、第二连接器13传给上位机。

本发明较佳实施例中，所述监视相机整机体积＜37.5cm³，功耗＜1W，重量＜30克。