自准直仪,是一种利用光学自准直成像原理,实现将小角度或者可以转换为小角度的测量转换为线性测量的一种精密测量仪器。在船舶、航天航空和军工等对测角精度要求较高的行业中都有应用。本文设计的二维自准直仪是以单片FPGA作为硬件平台,采用高性能LED作为准直光源,CMOS图像传感器CMV4000作为光电转换器件,使用了FPGA的片上集成系统(SOPC)完成了光电自准直仪的信号处理部分功能,通过串口将测量结果传送给上位机,并利用上位机对测量结果进行实时显示。同时,通过扩展的TFT显示屏驱动接口将星点成像情况实时显示出来。本文所做的具体工作主要有以下6个方面:1、选用高亮度LED作为二维自准直仪的准直光源,采用稳恒功率控制技术,解决了LED长时间工作的光功率漂移问题;2、选用型号为CMV4000的CMOS图像传感器作为二维自准直仪的光电转换器件,采用FPGA技术完成了CMV4000的驱动;3、采用FPGA技术完成了CMV4000图像传感器串行输出的LVDS数据到并行数据的正确转换,同时,采用乒乓缓存技术完成了CMV4000图像传感器16个数据通道并行输出的图像数据的完整拼接;4、采用FIFO先进先出技术,基于分片捕获方法,使用5×5窗口对一帧图像进行逐点扫描,实现了二维失准角的实时测量;5、采用一种带有加权指数和阈值的像点细分定位方法,使得二维自准直仪的测角分辨率可以达到0.24″;6、采用对一帧图像进行9×9网格取样的方法,计算得到三次曲面拟合系数,实现了二维自准直仪的标定。经实验验证,二维自准直仪在–30′~+30′范围内测角精度为2.5″。