СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КМОП И ПЗС МАТРИЦ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ФОТОПРИЕМНОМ УСТРОЙСТВЕ НА КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ

COMPARATIVE ANALYSIS OF CMOS AND CCD MATRIXES FOR USE IN A PHOTO-DETECTION DEVICE ON A SPACE VEHICLE

Denis Aprosin

student, Institute of Instrument Engineering, Automation and Information Technologies Oryol State University named after I.S. Tugrenev,

Russia, Orel

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается возможность использования КМОП-матрицы в составе системы видеоконтроля. Проведён сравнительный анализ характеристик КМОП и ПЗС-матриц, выделены преимущества КМОП-технологии.

ABSTRACT

The article considers the possibility of using a CMOS matrix as part of a visual control system. A comparative analysis of the characteristics of CMOS and CCD matrices in space conditions is carried out, and the advantages of CMOS technology are highlighted.

Ключевые слова: КМОП-матрица, ПЗС-матрица, фотоприемное устройство, солнечные батареи, космический аппарат, визуальный контроль.

Keywords: CMOS matrix, CCD matrix, photodetector, solar batteries, spacecraft, visual control.

Введение

Целью данной статьи является обоснование применения КМОП-матрицы как основы для построения системы визуального контроля раскрытия солнечных батарей. Задачи включают анализ особенностей работы матрицы в условиях космоса, оценку преимуществ КМОП-технологии, а также рассмотрение схемы применения камеры в составе контролирующего узла.

Основная часть

Один из критически важных этапов функционирования космического аппарата (КА) – это успешное развертывание солнечных батарей (СБ) после выхода на орбиту. Солнечные батареи снабжают электроэнергией аппаратуру космических аппаратов, а также обеспечивают зарядку электрохимических аккумуляторов, используемых на теневых участках орбиты [1]. Поскольку СБ являются основным источником питания на протяжении всего времени работы КА, их неполное или некорректное развертывание может привести к частичной или полной потере работоспособности аппарата. В связи с этим, в конструкцию современных космических систем включаются устройства для контроля полноты раскрытия панелей. Надёжным решением в этом направлении является использование фотоприемных устройств на базе КМОП-матриц.

Фотоприемное устройство с КМОП-матрицей представляет собой миниатюрную камеру, размещённую на корпусе КА таким образом, чтобы в поле зрения попадала зона раскрытия панелей. После команды на развертывание, камера фиксирует процесс в виде отдельных кадров или короткой видеопоследовательности. Полученное изображение может быть либо передано на бортовую систему обработки, либо сохранено и отправлено на Землю для последующего анализа операторами.

На изображениях чётко различимы механические элементы, углы наклона панелей и их положение относительно корпуса. При необходимости возможно программное наложение шаблона (эталонного изображения), с которым сравниваются текущие кадры. Такое сравнение позволяет автоматически определить, раскрылись ли батареи полностью, или возникла не штатная ситуация.

Сравнение КМОП и ПЗС матриц

КМОП (комплементарная структура металл – оксид – полупроводник) – это технология изготовления фоточувствительных матриц, отличающаяся низким энергопотреблением, малым весом, высокой скоростью съёмки и возможностью интеграции в микросхемы обработки сигнала. По сравнению с альтернативой - ПЗС (прибор с зарядовой связью) – КМОП-матрицы более устойчивы к радиационному воздействию и лучше адаптируются для миниатюрных систем. Это особенно важно в условиях ограниченного пространства на борту КА и повышенного уровня ионизирующего излучения в космосе.

Кроме того, КМОП-матрицы позволяют реализовать динамическую настройку экспозиции, что критично при переменной освещённости: при выходе аппарата из тени в освещённую зону изображение не теряет информативности. Это делает систему контроля более надёжной при различных ориентациях аппарата на орбите.

Таблица 1

Сравнительная характеристика фотоматриц

КМОП-матрицы отличаются низким энергопотреблением, малым весом, высокой скоростью съёмки и возможностью интеграции в микросхемы обработки сигнала. По сравнению с ПЗС, КМОП-матрицы более устойчивы к радиационному воздействию и лучше адаптируются для миниатюрных систем. Это особенно важно в условиях ограниченного пространства на борту КА и повышенного уровня ионизирующего излучения в космосе [2].

В отличие от ПЗС-матриц, КМОП-матрицы содержат в себе усилители и аналого-цифровые преобразователи, что значительно снижает стоимость конечного продукта, так как он уже содержит все необходимые элементы для получения изображения. Каждый КМОП-пиксель содержит электронные преобразователи. КМОП-матрицы обладают большим функционалом и более широкими возможностями интеграции.

Несмотря на то, что ПЗС-матрицы имеют более высокую характеристику чувствительности, основным фактором, ограничивающим их применение, является низкая скорость считывания заряда и, как следствие, невозможность обеспечения высокой скорости формирования изображения.

Космические условия накладывают ряд ограничений на использование оптических приборов. Прежде всего, это – температурные колебания, при переходе между освещённой и теневой сторонами орбиты температура конструкции может изменяться на сотни градусов Цельсия. Это требует устойчивости материалов к термическому расширению и сжатию, а также сохранения характеристик электроники при экстремальных температурах. Радиационное воздействие в космосе проявляется в форме ионизирующего излучения, способного вызывать деградацию характеристик полупроводников, увеличение шумов и сбои в работе электроники. Это требует использования радиационно-стойких компонентов и защитных конструктивных мер для обеспечения стабильности работы. Вибрации и перегрузки при выведении на орбиту создают значительные механические нагрузки. Для надёжной работы камеры необходима устойчивая к ударам и вибрациям конструкция с жёсткой фиксацией всех компонентов. Изменение освещённости происходит при переходах между освещённой и теневой сторонами орбиты, что может вызывать резкие перепады яркости изображения. Важно учитывать возможность появления бликов, засветки от Солнца и тени от элементов конструкции, что может искажать изображение. Поэтому возможна реализация системы с двумя камерами, размещёнными под разными углами - для повышения надёжности визуального контроля [3].

Для повышения надёжности камеры, внутренняя электроника должна быть защищена от радиационного воздействия, а сама матрица - откалибрована.

Использование камеры на базе КМОП-матрицы даёт ряд преимуществ: высокая информативность, простота интерпретации данных человеком или алгоритмом, малые габариты и масса, низкое энергопотребление, возможность автономной обработки изображений на борту, высокая устойчивость к помехам.

Также этот подход универсален: он может быть адаптирован не только для контроля СБ, но и для отслеживания других подвижных элементов конструкции (антенн, мачт, заслонок и т.д.).

Заключение

Применение КМОП-матрицы в составе фотоприемного устройства на КА является эффективным решением для обеспечения контроля раскрытия панелей солнечных батарей космического аппарата и мониторинга их состояния Такое устройство сочетает в себе простоту, надёжность и высокую точность визуального контроля, что особенно важно при работе в условиях открытого космического пространства.

Список литературы:

1. Казанцев З.А., Ерошенко А.М., Бабкина Л.А., Лопатин А.В. Анализ конструкций солнечных батарей космических аппаратов. Космические аппараты и технологии. 2021. № 3.
2. Сравнение и применение CCD и CMOS | Лазерные Компоненты. Доступно по ссылке: https://lasercomponents.ru/blog/sravnenie-i-primenenie-matricz-ccd-i-cmos/.
3. Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.