CN102073069B - 全天时云覆盖图连续成像仪 - Google Patents

Abstract

全天时云覆盖图连续成像仪包括八个组成部分。望远镜用于收集目标辐射，并将目标像汇聚在焦平面上。焦平面部件包括全帧型面阵CCD、供电电路和驱动电路，驱动电路经数据接口接收外部提供的帧同步信号和位同步信号，产生CCD器件的工作时钟。信号处理单元对视频信号进行模拟处理和模数转换。累加控制器将信号处理单元输出的数字视频信号向图像存储单元累加并记录图像存储单元中饱和像素的数量。输出控制器根据曝光像素比例决定是否终止累加过程，控制图像输出的次序。图像存储器受累加控制器和输出控制器管理，供图像累加使用。格式编排单元对输出数据做统一的格式编排后经数据接口输出。本仪器可靠性高，可以对云覆盖情况进行实时的动态监视。

Description

全天时云覆盖图连续成像仪

技术领域

本发明涉及一种光学成像仪，可应用在静止轨道卫星上获取夜间任一时间段的可见光云图，监测大气动态变化。

背景技术

云覆盖图是有重要价值的环境信息。由云覆盖图可以判断天气系统的演变，推测多种重要的环境要素，如大气稳定度、大气垂直运动、对流层风速/风向和降雨区域的分布信息等。卫星云覆盖图分为可见光云覆盖图(即可见光云图)和红外云覆盖图(红外云图)。夜间获取的可见光云图又称微光云图。

由于业务关系，气象、导航和军事部门对微光云图都有迫切需求。目前，静止轨道卫星上装载的仪器获取的都是白昼期间的红外云图和可见光云图，微光云图成像仪只在美国国防气象卫星计划(简称DMSP)和极轨业务环境卫星系统(简称NPOESS)上有采用，分别是业务线扫描仪(简称OLS)和可见光/红外成像辐射计套件(简称VIIRS)。

OLS面向太阳同步近极地轨道卫星，每天可以获取两幅感兴趣区域的云图。OLS选择了摆扫方式，在它的内部有一个扫描镜，观测刈幅2960km。OLS的可见光焦平面上有两组探测器，硅光电二极管在白天工作，光电倍增管在夜间工作。OLS的缺点是结构复杂，整个望远镜在不停地正扫和回扫，对星体控制是一个相当大的扰动，另外，受光电倍增管影响，夜间云图的辐射质量不高。

VIIRS有22个通道，三个焦平面，使用了四种焦平面阵列，结构比OLS更复杂。VII RS日夜云图焦平面上使用了延时积分CCD器件(即TDICCD)，并且为辐射定标配置了参考黑体和太阳漫反射器，提高了云图的辐射质量。但是，同OLS一样，VIIRS面向的也是太阳同步近极地轨道卫星，每天只能获取两幅感兴趣区域云图，不能实现动态监视。虽然VIIRS没有扫描镜，但有一个辐射定标使用的望远镜旋转机构，同样对整星控制和动力学特性有影响。

因此，现有的微光云图成像仪都面向的是太阳同步近极地轨道卫星，均不支持天气系统演变的分析，且结构复杂程度高，在静止轨道气象卫星上尚无全天时云图成像仪器出现。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、输出图像质量高的全天时云覆盖图连续成像仪。

本发明的技术解决方案是：全天时云覆盖图连续成像仪，包括望远镜、焦平面部件、信号处理单元、累加控制器、输出控制器、图像存储器、格式编排单元和数据接口，其中：

望远镜：用于收集目标辐射，并将目标的像汇聚在焦平面上；

焦平面部件：包括全帧型面阵CCD以及供电电路和驱动电路；全帧型面阵CCD作为图像传感器将光信号转换为电信号；供电电路为CCD提供各种电压和电流输出的偏置与供电；驱动电路经数据接口接收外部提供的帧同步信号和位同步信号，产生工作时钟并分别送至全帧型面阵CCD、累加控制器和输出控制器；

信号处理单元：有N个信号处理通道，每一个通道对应一路CCD器件的图像输出，每一个信号处理通道包括有相关双采样电路、低噪声放大器电路、钳位电路和模数转换电路；

累加控制器：每一个信号处理通道连接一个累加控制器，累加控制器根据驱动电路传来的工作时钟，将信号处理通道输出的数字信号向图像存储器中对应的图像存储单元累加存储，并记录对应图像存储单元中饱和像素的数量；

输出控制器：根据驱动电路传来的工作时钟，统计各累加控制器记录的图像存储器中的饱和像素数量总和，若饱和像素数量总和超出预设值，则将图像存储器中的内容全部读出并送至格式编排单元；

图像存储器：有N个存储单元，每一个存储单元存储CCD器件一个端口的输出数据，在累加控制器和输出控制器的控制下进行数据存取；

格式编排单元：依据传输通道的数量、传输速率和星地传输的约定数据格式，对传来的输出数据做统一编排后送数据接口输出；

数据接口：接收外部提供的帧同步信号和位同步信号并送至驱动电路，向外部输出图像数据。

本发明与现有技术相比的优点在于：

第一，本发明成像仪可以对云覆盖情况进行实时的动态监视，从黄昏一直到黎明。在图像存储器、累加控制器和输出控制器的配合下，每秒曝光一次，自动调整累加的曝光次数，所以，仪器能够自动适应云体辐亮度的大范围变化，辐射响应灵敏度高，即使在最微弱的月光下也可以保证不超过两分钟就输出一幅质量满足使用要求的图像；

第二，本发明成像仪无机械快门，无活动部件，可靠性高。因为仪器位置高(36000公里)，一台仪器即可实现全中国境内云覆盖情况的监视，既不需要扫描镜也不需要摆动望远镜。虽然使用的是全帧型CCD器件，但是，由于云体辐亮度低，在信号电荷转移期间无需关闭入射光路，故无需机械快门的配合；

第三，本发明成像仪图像质量好，在四分之一月光下信噪比可以达10dB以上，且辐射响应的线性度优于7％。本仪器集成了累加控制器、输出控制器和图像存储器，在输出控制器控制下对曝光结果进行累加，根据饱和像素所占比例自动调节累加的曝光次数，因为噪声在累积过程中的增长速度没有信号的增长速度快，这种结构设计既适应了云体辐射的动态变化，又兼顾了输出辐射响应的高线性度和高信号噪声比。

附图说明

图1为本发明成像仪的组成结构图；

图2为本发明累加控制器的工作流程图；

图3为本发明输出控制器的工作流程图；

图4为本发明累加控制器、输出控制器和图像存储器关系图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括望远镜、焦平面部件、信号处理单元、累加控制器、输出控制器、图像存储单元、格式编排单元和数据接口。

一、望远镜

望远镜主要用于收集目标辐射，并将目标的像汇聚在焦平面上。本发明的望远镜选用折射光学望远镜。折射光学望远镜的主要性能参数选取原则有四项。

(1)焦距设计应结合CCD器件的像素尺寸、卫星飞行高度和云图分辨率要求，满足关系式：

如果CCD像素尺寸为9μm，轨道高度36000公里，以中心区域空间分辨率1公里考虑，焦距可以设计在420mm。

(2)光学系统的视场角应不小于国土东西向张角，12.2°即可覆盖我国全部国土；

(3)在技术和成本允许情况下，光学系统的孔径和透过率应尽可能大，提高焦平面照度，建议F数(光学系统焦距与孔径的比值)选1.4；

(4)光学系统的调制传递函数应当适中，从成本上考虑，可以设定在0.7左右。

二、焦平面部件

焦平面部件包括CCD器件以及相应的供电电路和驱动电路。

CCD器件选择全帧型CCD器件，如加拿大Dalsa公司的GALT。GALT的主要性能指标如下：像素尺寸：9μm×9μm；像素数量：10240×10240；饱和电子数：7×10⁴；平均量子效率(0.4～1.0μm)：0.26；辐射灵敏度：4.0V/μJ/cm²；器件帧频率1Hz；曝光时间300ms；转移时间700ms；噪声(rms值)350μV(22℃条件下)；调制传递函数(MTF)＞0.5(水平方向和垂直方向)；输出端口20个。

除CCD器件外，焦平面上还需要配置供电电路和驱动电路。供电电路根据CCD器件各供电端口对电平和电流的要求，用DC-DC变换器件提供供电。驱动电路包括一个可编程逻辑器件和若干专用驱动器件。可编程逻辑器件从数据接口接收位同步时钟和帧同步时钟，成像的帧周期设定在1Hz，曝光时间设定在0.3s，转移时间设定在0.7s，经分频和逻辑运算，生成CCD工作需要的各种时钟信号，如转移时钟、移位时钟、曝光有效时钟、门控时钟和信号处理单元的采样时钟，将转移时钟、移位时钟、曝光有效时钟和门控时钟送专用驱动电路放大后送CCD器件，将采样时钟送信号处理单元，将转移时钟和曝光有效时钟送累加控制器和输出控制器。

三、信号处理单元

有N个信号处理通道，CCD器件每一个视频输出端口对应一个信号处理通道。例如，当采用上述加拿大Dalsa公司的GALT作为CCD器件时，信号处理通道有20组，分别对应CCD器件的20个图像信号输出端口。每一个信号处理通道包括相关双采样电路、低噪声放大器电路、钳位电路和模数转换换电路。

相关双采样的作用是抑制复位噪声，CCD器件在输出信号电荷时，在复位时钟的作用下，先将输出电平恢复到一个设定值上，再在像元转移时钟的作用下，将一个信号电荷包转换为电压信号叠加在设定值上，故复位值和信号输出受同样的噪声过程影响，因此，如果在每一个像素周期先采样复位电平，再采样信号输出，两个采样结果相减即可大大抑制复位噪声的影响。Dalsa公司可以提供专用器件，其它半导体公司也可以提供相关双采样器件，具体选用时需考虑与CCD器件的接口、输出阻抗、时钟频率、CCD输出信号上升时间等因素。

因为CCD器件输出视频信号的频率通常在10MHz以上，里面包含大量的热噪声，幅度和模数转换器件的需求不一致，为了使其与模数转换器输入相匹配并抑制热噪声的影响，需要对相关双采样输出的信号做低噪声放大。低噪声放大电路可以选择美国AD公司通用宽带低噪声模拟信号放大器。根据奈奎斯特采样定理，模拟信号放大器的带宽应设定在时钟频率的二倍左右，这样既不影响基带内的视频信号，又能获得比较理想的滤波效果。

钳位电路的作用是抑制暗信号噪声的影响。在此可以采用一般的钳位电路，如二极管钳位电路，将输出的模拟信号钳位到该端口内置的暗像元电平上。

模数转换电路的作用是将模拟视频信号转换成方便传输的数字信号，一是因为数字信号方便计算机处理，二是数字信号传输通道的保真度远高于模拟信号传输通道。模数转换电路可以选择通用的ADC器件，如AD公司的ADC器件。要求数字信号位数14位，器件最高采样频率超过像素频率二倍以上。之所以选择14位量化器件，主要是为了降低量化噪声的幅度，方便弱信号提取，器件最高采样频率选择在像素频率二倍以上，为的是不影响视频信号的频率特性。

四、累加控制器

每一个信号处理通道后面连接一个累加控制器。累加控制器并行工作，将信号处理单元输出的数字信号向图像存储器累加。

累加控制器可以由数字信号处理(DSP)芯片完成。在DSP芯片内部，设置有一个加法器、一个比较器和两个计数器(饱和像素数量计数器和输出像素计数器)。

加法器对模数转换器件的输出和读取的图像存储器的内容做加法运算，运算结果送比较器并向图像存储器存储。

比较器将加法器的累加结果和设定的饱和值比较，如果超过了设定饱和值，则向饱和像素数量计数器发信号，饱和像素数量计数器内容加一，否则不执行任何操作。

输出像素计数器记录CCD器件端口已输出的像素数量，形成图像存储器读写的地址。在一个像素转移时钟作用下，读取一个像素信号，做完累加并写入图像存储单元后，输出像素计数器加一。

饱和像素计数器记录图像存储单元中饱和像素的数量。累加器每输出一个超过饱和值的信号，饱和像素计数器加一。

在驱动电路指示曝光结束后，在像素时钟的控制下，每输入一个模数转换器的数据，读取一个图像存储单元的数据，加法器运算一次，将结果送图像存储单元保存，同时，比较器将它和饱和阈值比较，如果大于饱和阈值，饱和像素计数器加一，然后，对输出像素计数器加一，指向下一存储字节。

累加控制器的逻辑流程如图2所示。

五、输出控制器

输出控制器用于监视图像存储器中数据的状态，决定是否终止曝光信号的累加过程，控制图像输出的次序。输出控制器接收驱动电路送来的像素时钟、位同步时钟和曝光有效时钟，读取各图像存储单元的数据；为图像存储单元提供地址信号的选通信号，为格式编排单元输出图像数据。

输出控制器也DSP芯片实现。在其内部，设置有一个加法器、一个比较器、三个计数器和一个译码器。加法器对各累加控制器中饱和像素数量计数器的内容相加，统计总饱和像素数量。比较器将总饱和像素数量同设定值比较，当总饱和像素数量超过设定值时启动输出过程。三个计数器中，一个计数器记录曝光次数；一个计数器记录输出像素数量；一个计数器存储图像存储单元编号，在输出过程中做图像存储单元选择用。译码器对存储单元编号计数器的内容译码，输出图像存储单元的选通信号。

每一次转移过程结束，曝光次数计数器加一，读取各累加控制器中饱和像素计数器的内容，经加法器累加后与设定值比较，若没有超过设定值，对各累加控制器中输出像素的内容清零，等待下一帧数据。若超过了设定值，将输出像素数量计数器和存储单元编号计数器清零，随后，每输入一个像素时钟，输出像素内容加一，由输出像素内容作为地址，由存储单元编号计数器和译码器输出图像存储单元选通信号，读取对应存储单元一个字节的内容到数据总线，送往格式编排单元。一旦输出像素到达图像存储单元的容量，输出像素计数器溢出，对存储单元编号计数器计数值加一，开始输出下一个图像存储单元的内容，所有存储单元数据输出结束，输出曝光次数计数器的内容，最后，清除所有图像存储单元内容和计数器的内容，进入下一帧图像的累积。

输出控制器的逻辑流程如图3所示。

六、图像存储器

包括N个图像存储单元，每一个图像输出端口均配置一个图像存储单元。每一个图像存储单元的容量大于其对应CCD器件端口输出的像素数量，图像存储器的数据宽度不低于模数转换(ADC)器件输出的数据宽度。

当采用上述加拿大Dalsa公司的GALT作为CCD器件时，图像存储单元也包括20个存储器，分别对应20路信号处理电路，每个存储器的容量为5Mbytes，字节宽度16bits，可以选择数据读写速度不低于20MBytes/s的通用抗辐照Flash器件。

图像存储单元与地址总线和数据总线相连，读写控制信号和清零信号来自监测控制单元中的累加控制器和输出控制器。

累加控制器、输出控制器和图像存储单元的关系如图4所示。

七、格式编排单元

格式编排单元依据传输的通道数量、传输速率和星地传输约定好的数据格式，对图像存储器输出的图像做统一的编排，如嵌入辅助数据、并行到串行的转换、数据分路以及加扰等，编排后送数据接口输出。

八、数据接口

接收外部提供的的帧同步信号和位同步信号并送至焦平面部件中的驱动电路，同时将格式编排单元产生的图像数据向外部输出。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.全天时云覆盖图连续成像仪，其特征在于包括：望远镜、焦平面部件、信号处理单元、累加控制器、输出控制器、图像存储器、格式编排单元和数据接口，其中：

望远镜：用于收集目标辐射，并将目标的像汇聚在焦平面上；

焦平面部件：包括全帧型面阵CCD以及供电电路和驱动电路；全帧型面阵CCD作为图像传感器将光信号转换为电信号；供电电路为全帧型面阵CCD提供各种电压和电流输出的偏置与供电；驱动电路经数据接口接收外部提供的帧同步信号和位同步信号，产生工作时钟并分别送至全帧型面阵CCD、累加控制器和输出控制器；

信号处理单元：有N个信号处理通道，每一个通道对应一路全帧型面阵CCD的图像输出，每一个信号处理通道包括有相关双采样电路、低噪声放大器电路、钳位电路和模数转换电路；

累加控制器：每一个信号处理通道连接一个累加控制器，累加控制器根据驱动电路传来的工作时钟，将信号处理通道输出的数字信号向图像存储器中对应的图像存储单元累加存储，并记录对应图像存储单元中饱和像素的数量；

输出控制器：根据驱动电路传来的工作时钟，统计各累加控制器记录的图像存储器中的饱和像素数量总和，若饱和像素数量总和超出预设值，则将图像存储器中的内容全部读出并送至格式编排单元；

图像存储器：有N个存储单元，每一个存储单元存储全帧型面阵CCD一个端口的输出数据，在累加控制器和输出控制器的控制下进行数据存取；

格式编排单元：依据传输通道的数量、传输速率和星地传输的约定数据格式，对传来的输出数据做统一编排后送数据接口输出；

数据接口：接收外部提供的帧同步信号和位同步信号并送至驱动电路，向外部输出图像数据。

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