CN102685546A - 红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置及定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置及定标方法，属于遥感定量化应用技术领域。该定标装置固定在所需定标的相机光学系统中；卫星给控温电路供电；该定标装置包括控温电路、定标光源、定标光学组件、温度传感器和封装外壳；控温电路、定标光源和定标光学组件用封装外壳进行封装；控温电路包括可编程逻辑器件、模拟/数字转换器、数字/模拟转换器和运算放大器。本发明中的控温电路能不同的辐照度值提供给焦平面，定标光源采用镍铬合金以及对定标光源进行组合设计，使得在不同等级大小电流加热下具有更好的稳定性和散热能力，可以产生覆盖全动态范围的辐照度等级，直接提高星上定标精度。

Description

红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置及定标方法

技术领域

本发明涉及红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置及定标方法，属于遥感定量化应用技术领域。

背景技术

空间遥感相机的辐射定标是实现空间遥感器数据定量化应用、保证空间遥感器在轨运行性能良好的必备技术手段。空间遥感相机的辐射定标按定标任务时间轴划分大致可分为发射前定标和发射后在轨定标。发射前定标主要是指实验室定标或者飞行定标，发射后定标主要是指利用事先安装在空间相机中的定标装置进行星上定标、利用地面定标场进行场地定标、同类似的已定标卫星进行交叉定标或者是利用空间自然光源进行定标。发射前定标由于地面设备及条件都很齐全，可以对相机进行全面的辐射定标，原始定标精度也很高。而卫星发射后相机在轨运行后，由于遥感器系统本身器件老化、空间环境干扰等因素造成辐射定标系数产生变化，这就需要通过在轨辐射定标对其进一步修正。

不同的在轨辐射定标方法有着各自不同的侧重点。对于空间红外谱段相机而言，很多时候由于系统本身热辐射对焦平面探测器的性能影响很大，造成焦平面上各个探测器像元响应的非一致性。这样，进行在轨相对辐射定标，对像元进行非均匀性校正，对空间红外相机来说就显得尤为重要。而一般针对探测像元的非均匀性校正大都是通过能产生均匀照射到焦面的辐射的星上定标装置来完成的。但这些装置大多只能提供几个特定温度点下所对应的辐照度值，定标点选取间隔较大，并且经常不能覆盖整个探测器的动态范围。这对于在整个动态范围内响应曲线经常难以通过较少的数据点达到精确插值拟合的红外谱段探测像元来说，其相对辐射定标的精度就难以提高。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置及定标方法，该装置能在星上辐射定标中完成对空间红外相机全动态范围进行多点超高精度辐射定标的装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置，该定标装置固定在所需定标的相机光学系统中；卫星给控温电路供电；

该定标装置包括控温电路、定标光源、定标光学组件、温度传感器和封装外壳；控温电路、定标光源和定标光学组件用封装外壳进行封装；温度传感器安装在封装外壳上；其中，控温电路包括可编程逻辑器件(FPGA)、模拟/数字转换器、数字/模拟转换器和运算放大器；

温度传感器与模拟/数字转换器相连，模拟/数字转换器与FPGA相连，FPGA与数字/模拟转换器相连，数字/模拟转换器与运算放大器相连，运算放大器与定标光源相连，定标光学组件正对定标光源辐射出射方向；

当给定标光源通入不同等级的电流后，可以产生星上辐射定标所需的不同等级辐照度；定标光学组件正对定标光源辐射出射方向，用以对定标光源所产生辐射进行匀场后出射到相机的焦面探测器上或者辐射会再经过相机本身焦面前的部分光学组件后到达焦面探测器上；封装外壳由热膨胀系数低的钛材料构成，以使定标装置受温度变化影响较小；温度传感器安装在封装外壳上，用以监测封装外壳的温度值，并将结果传输至控温电路，由于该装置在轨工作温度通常在10～260K之间，故温度传感器可选用掺锰的InSb半导体电阻温度计。

上述定标光源根据需要也可以是定标光源的组合；

红外谱段星上全动态范围多点辐射定标方法：温度传感器测量封装外壳的温度后，将封装外壳的温度信号传给模拟/数字转换器，模拟/数字转换器将接收到的温度信号进行模数转换后传至FPGA，FPGA根据温度信号判断封装外壳的温度，FPGA同时会接收通过遥测遥控接口传送的串行遥控指令；FPGA先判断封装外壳的温度是否在预先设定的温度范围内，如果不在，停止定标工作；如果在，卫星开始对数字/模拟转换器进行供电，FPGA通过串行遥控指令的解译输出相应的串行控制指令，该串行控制指令控制数字/模拟转换器的输出电压值大小；用运算放大器将数字/模拟转换器的输出电压值转换为电流形式并输出给选定的定标光源或定标光源组合；定标光源或定标光源组合通电后温度发生变化，达到不同的温度值；在特定的红外谱段不同温度下的定标光源或定标光源组合辐射不同能量等级的红外辐射；红外辐射通过定标光学组件后均匀的投射到相机的焦面探测器上，供相机进行星上辐射定标工作。

上述的特定的红外谱段为波长2～8μm的红外谱段；

上述的FPGA通过串行遥控指令的解译输出相应的串行控制指令中的串行控制指令包括定标光源的选择、给定标光源通电时间长短及给定标光源通电电流大小。

控温电路的功能为：(1)判定定标装置所处空间环境温度是否允许进行定标：控温电路通过接受安装在封装外壳上的温度传感器所测得的温度同定标装置事先经过环境温度试验所标定的工作温度范围相比较，在此范围之内，可以进行定标工作，反之，则不能进行定标工作；(2)设定定标装置的工作计划及参数：根据具体空间红外相机的技术参数及定标要求，通过编程设定在轨进行星上定标的时刻、周期、次数以及选取定标点数量及范围等；(3)传递定标装置工作状态信息，供定标数据处理使用：定标器依照计划及所设定参数进行定标工作后，通过遥测遥控接口将定标装置的工作状态信息传递到星上定标数据单元，以供数据后续处理使用。

将定标装置安装到空间红外相机系统中，待相机发射在轨运行后，通过遥测遥控接口接收到的指令控制定标装置工作，实时采集定标数据并进行定标数据处理，完成星上覆盖相机全动态范围的多点超高精度辐射定标。

本发明的工作原理为：首先根据所需定标空间红外相机的工作谱段、动态范围、焦面探测器规格等参数，对定标装置进行相应调整使其集成与整个相机系统之中，并结合相机自身的光学系统设计特点，对定标装置的定标光学组件进行设计，使得定标光源所发出辐射能均匀照射并覆盖到所有焦面红外探测器。对控温电路进行指令编程使其通过串行控制指令精确控制输出到定标光源的电流大小，而电流大小的范围及划分间隔大小还需结合对定标精度的要求提出：选择出若干个覆盖探测器动态范围的辐照度值，并由它们反推出所需电流的大小。由于该定标装置工作时受周围环境影响较大，所以工作时安装于封装外壳上的温度传感器会实时监测封装外壳的温度变化并反馈给控温电路，由控温电路判断此时定标装置是否在允许的温度范围内工作，若反馈显示定标装置工作在设定的工作温度范围之内，则定标装置按电流输入从最小等级到最大等级的顺序安排，依次进行不同辐照度值下的辐射定标。定标工作所采集到的数据实时传输到星上数据处理单元进行定标数据处理，修正定标参数。如若反馈超出了设定的工作温度范围，控温电路则将发出指令使得定标装置停止工作，等待下一个定标周期或者新的遥控指令。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明中的控温电路理论上能通过12bit的数字编程指令产生4096个均匀大小间隔的电流值用来加热定标光源，由此在特定的红外谱段内产生4096级不同的辐照度值提供给焦平面；所能提供的辐照度等级远超过其他星上定标装置；

2)本发明中的定标光源采用镍铬合金以及对定标光源进行组合设计，使得在不同等级大小电流加热下具有更好的稳定性和散热能力，在不破坏相机光学系统工作温度环境的前提条件下，还可以产生覆盖全动态范围的辐照度等级，直接提高星上定标精度。

附图说明

图1为实施例中定标装置的组成示意图；

图2为实施例中定标光源结构的前视图；

图3为实施例中定标光源结构的后视图；

图4为实施例中定标光源辐射至相机的焦面探测器上的光路示意图；

图5为实施例中定标光路的焦面照度曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置，如图1所示，该定标装置固定在空间红外相机光学系统中；卫星给控温电路供电；

该定标装置包括控温电路、定标光源A和定标光源B、定标光学组件、温度传感器和封装外壳；控温电路、定标光源A、定标光源B和定标光学组件用封装外壳进行封装；温度传感器安装在封装外壳上；其中，控温电路包括可编程逻辑器件(FPGA)、模拟/数字转换器(A/D)、数字/模拟转换器(D/A)和运算放大器；定标光学组件正对定标光源辐射出射方向，并将定标光源所产生辐射进行匀场后经过相机焦面前的负透镜A与双凸正透镜B组件后到达焦面探测器上；封装外壳由钛材料构成；温度传感器选用掺锰的InSb半导体电阻温度计；定标光源A和定标光源B组合的结构示意图如图2和图3所示，定标光源A为四根并均匀分布在圆环上；定标光源B为两根并均匀分布在长板上；圆环和长板固定在一起，且圆环和长板的质心重合；图2为定标光源A和定标光源B组合的前视图，图3为定标光源A和定标光源B组合的后视图；

工作过程：如图1所示，封装外壳的工作温度为230～250K；温度传感器测量封装外壳的温度为240K，将封装外壳的温度信号传给模拟/数字转换器，模拟/数字转换器将接收到的温度信号进行模数转换后传至FPGA，FPGA根据温度信号判断封装外壳的温度，FPGA同时会接收通过遥测遥控接口传送的串行遥控指令；FPGA判断封装外壳的温度240K在工作的温度范围230～250K内，控温电路FPGA根据串行遥控指令对数字/模拟转换器的输出电压值大小进行控制；运算放大器将数字/模拟转换器的输出电压值转换为电流形式并输出给选定的定标光源A和定标光源B组合；定标光源A和定标光源B组合通电后温度发生变化，达到300～500K；在波长范围为3～5μm的红外谱段下的定标光源A和定标光源B辐射不同能量等级的红外辐射；红外辐射通过定标光学组件后经过透镜A和透镜B组件后均匀的投射到相机的焦面探测器上，供相机进行星上辐射定标工作，如图4所示。

上述的FPGA通过串行遥控指令的解译输出相应的串行控制指令中的串行控制指令包括定标光源的选择、给定标光源通电时间长短及给定标光源通电电流大小；定标光源A的电阻为200Ω，定标光源B的电阻为100Ω；

定标光源A和定标光源B是镍铬合金条带制成的红外光源，镍铬合金具有电阻率高(室温下电阻率约为1.0×10^-6Ω·m)，电阻温度系数小(约为1ppm/℃～5ppm/℃)，比热容小(约为460.6J/(kg.K))的特点，在红外谱段的发射率最高可达0.95，十分适用于作为空间低温环境下的红外辐射源。由于定标装置是安装在空间相机光学系统中，所处环境相对封闭，故不考虑对流换热的影响；而由于加热时间为2min，较短，估算中也不考虑传导换热的影响，则定标光源加热后发散的能量都通过辐射的形式发散出去；故在加热过程中的有下式成立：

Q＝I²Rt＝CmΔT

其中Q为镍铬合金条带的散热量，单位为J；I为通过定标光源或定标光源组合的电流，单位为A；R为定标光源或定标光源组合的电阻，单位为Ω；t为电流通过定标光源或定标光源组合时间，单位为s；C为镍铬合金的比热容，单位为J/(kg.K)；m为镍铬合金条的质量，单位为kg，ΔT为镍铬合金条加热前后的温差，单位为K。通过控制电流I的大小与通电时间t的长短来控制ΔT，以获得所需要的辐射源温度。由于对镍铬合金进行大于2min时间加热的话，会对定标主要产生两个方面的影响：一就是长时间加热的话辐射散热的影响变大，所建立的定标模型(模型中忽略了辐射散热)误差将会增大；二就是在全功率的工作条件(用于产生高等级辐照度)下长时间加热的话，可能会造成镍铬合金条自身属性的变化，给定标带来不可预知的误差。

为了降低这两方面的影响，对定标光源在设计上采取了定标光源A和定标光源B的组合，定标光源A由四根镍铬合金条带组成，其电阻为200Ω，光源B由两根镍铬合金条带组成，其电阻为100Ω，这样实际上定标光源的电阻就可以设为100Ω，200Ω与300Ω三个大小等级。这样在定标光源要获得不同的加热温度时除了改变电流I之外，还可以通过选用不同等级的电阻大小，两者综合调节，从而降低要改变加热时间t的需求，即不用为了得到大的加热温度而大大延长加热时间，从而提高定标装置的精确性及可靠性。

定标光源由控温电路供电，加热定标光源输出辐亮度，电流大小由控温电路控制。控温电路中FPGA输出用于控制定标光源供电电流大小的指令为12bit的二进制数字指令，理论上可产生212个不同指令。按指令可划分为4096个等级的电流使得定标光源在3～5μm红外谱段内对应所产生辐照度等级理论上也分为4096级(实际定标中远不需要用到这么多级，根据实际情况选取30级)。

通过试验建立起输入功率、时间与输出温度大小的对应关系，然后光源温度及自身发射率，参照普朗克黑体辐射定律，由下式得出光源发射的辐亮度：

$L=(\mathrm{\λ},T)=\frac{c_1}{{\mathrm{\π\λ}}^5}\×\frac{\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)}{\exp \left(\frac{c_2}{\mathrm{\λT}}\right)-1}$

其中λ为工作波长，单位为μm；L(λ，T)为所求定标光源输出辐亮度，单位为W/(m²·sr·μm)；ε(λ)为定标光源的光谱发射率；T为定标光源温度，单位为K；c₁为第一辐射常数，c₂为第二辐射常数，c₁＝3.742×10⁸W·μm⁴·m^-2，c₂＝1.4388×10⁴μm·K。

而通过定标光路到达焦面探测器的光源辐照度由下式计算：

$E_d=\frac{\mathrm{\π}}{4}\·\frac{1}{{(F\#)}^2}{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_2}^{{\mathrm{\λ}}_1}L(\mathrm{\λ},T)\·\mathrm{\τ}{\left(\mathrm{\λ}\right)}_o\mathrm{d\λ}$

其中E_d为所求焦面探测器获得的辐照度，单位为W/m²；F#为定标光路所经过的光学元件所组成光学系统的F数；τ(λ)。为该光学系统与波长相关的光学透过率；λ₁与λ₂分别为所定标相机某一工作谱段的上下限，单位为μm。

例如，当已知光源温度为300K，ε(λ)视为不随波长改变的常数0.95时，定标光学系统的F#＝2，τ(λ)。视为不随波长改变的常数0.98，λ₁与λ₂分别为5μm和3μm时，则有：

$E_d=\frac{\mathrm{\π}}{4}\·\frac{1}{2^2}{\∫}_3^5\frac{3.742\×{10}^8}{{\mathrm{\π\λ}}^5}\×\frac{0.95}{\exp \left(\frac{1.4388\×{10}^4}{300\mathrm{\λ}}\right)}\×0.98\mathrm{d\λ}\≈0.34W\·m^{-2}$

定标光源发出的辐射经过定标装置中向视场光阑弯曲的弯月正透镜1后，在视场光阑处汇聚成一次像，再经过视场光阑右侧的双凸正透镜2形成存在一定视场角的平行光，平行光再经过向视场光阑弯曲的负透镜A和双凸正透镜B，负透镜A与双凸正透镜B为被定标相机光学系统自身组件，形成无视场角的平行光均匀照在焦面探测器上。整个定标光学系统由定标光源、定标光学组件(包括透镜1、视场光阑、透镜2与孔径光阑)、负透镜A和双凸正透镜B共同组成，如图4所示。而定标光学系统出射的红外辐射在焦面探测器的照度曲线如图5所示，图5横坐标为按照图4定标光路所定义的Y轴方向视场角，纵坐标为归一化的焦面辐照度。在图5Y轴方向视场内的焦面辐照度相对标准差值为0.2％，由此得到经由定标光学系统出射到焦面探测器的红外辐射其辐照度分布不均匀度仅为0.2％。定标光学组件中的透镜1与透镜2采用ZnSe材料。ZnSe是一种黄色多晶材料，在0.9～15μm的红外谱段具有的低的能量吸收率，高的能量透过率。

温度传感器采取冗余设计，定标时，两个相同的温度传感器一个工作，一个处于备份状态。当工作的温度传感器出现故障或者失效时，备份的温度传感器立即启用。

具体的定标工作流程：按上述要求设计出的星上定标装置，根据卫星运行状态及定标计划，进入定标任务时刻后，控温电路首先对温度传感器所测温度信号进行判定，不在工作温度范围之内，中断定标工作并报错，反之，则继续定标工作。定标工作进行时，控温电路控制卫星向定标光源的供电过程，控温电路通过串行控制指令选择定标光源组合并控制加热电流时间、大小，定标光源输出功率从小到大逐级增加，定标光源在一定谱段内产生的辐亮度也逐级增加。定标光源所产生的红外辐射通过定标光路被均匀投射到整个被定标相机焦面探测器上，焦面探测器对此产生响应信号。这些信号被传输到星上定标数据处理单元。同时通过遥测遥控接口控温电路将本次定标的具体参数设定也传输到星上定标数据处理单元。处理单元将这些数据进行处理来及时修正各类定标系数，完成定标工作。

该定标装置对于待定标空间红外相机进行星上辐射定标时，1、通过温度传感器对封装外壳温度的监测保证定标装置工作环境的有效性；2、通过串行控制指令控制产生密集间隔大小的电流值，并配合不同电阻值定标光源组合的选用来加热定标光源，由此在一定红外谱段内产生不同级别的辐照度值提供给焦平面；3、定标光学组件设计使得定标光源的红外辐射能被均匀地投射并覆盖整个焦面探测器区域。

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 (9)

1.红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置，该定标装置固定在所需定标的相机光学系统中；卫星给控温电路供电；其特征在于：

该定标装置包括控温电路、定标光源、定标光学组件、温度传感器和封装外壳；控温电路包括可编程逻辑器件、模拟/数字转换器、数字/模拟转换器和运算放大器；控温电路、定标光源和定标光学组件用封装外壳进行封装；温度传感器安装在封装外壳上；温度传感器与模拟/数字转换器相连，模拟/数字转换器与FPGA相连，FPGA与数字/模拟转换器相连，数字/模拟转换器与运算放大器相连，运算放大器与定标光源相连，定标光学组件正对定标光源辐射出射方向。

2.根据权利要求1所述的红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置，其特征在于：封装外壳由钛材料构成。

3.根据权利要求1所述的红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置，其特征在于：温度传感器为掺锰的InSb半导体电阻温度计。

4.根据权利要求1所述的红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置，其特征在于：定标光源采用镍铬合金材料。

5.根据权利要求1所述的红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置，其特征在于：定标光源包括定标光源A和定标光源B。

6.根据权利要求5所述的红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置，其特征在于：定标光源A为四根并均匀分布在圆环上；定标光源B为两根并均匀分布在长板上；圆环和长板固定在一起，且圆环和长板的质心重合。

7.一种权利要求1中所述的红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置的定标方法，其特征在于：温度传感器测量封装外壳的温度后，将封装外壳的温度信号传给模拟/数字转换器，模拟/数字转换器将接收到的温度信号进行模数转换后传至可编程逻辑器件，可编程逻辑器件根据温度信号判断封装外壳的温度，可编程逻辑器件同时会接收通过遥测遥控接口传送的串行遥控指令；可编程逻辑器件先判断封装外壳的温度是否在预先设定的温度范围内，如果不在，停止定标工作；如果在，卫星开始对数字/模拟转换器进行供电，可编程逻辑器件通过串行遥控指令的解译输出相应的串行控制指令，该串行控制指令控制数字/模拟转换器的输出电压值大小；用运算放大器将数字/模拟转换器的输出电压值转换为电流形式并输出给选定的定标光源；定标光源通电后温度发生变化，达到不同的温度值；在特定的红外谱段不同温度下的定标光源辐射不同能量等级的红外辐射；红外辐射通过定标光学组件后均匀的投射到相机的焦面探测器上，供相机进行星上辐射定标工作。

8.根据权利要求7所述的红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置的定标方法，其特征在于：可编程逻辑器件通过串行遥控指令的解译输出相应的串行控制指令中的串行控制指令包括定标光源的选择、给定标光源通电时间长短及给定标光源通电电流大小。

9.根据权利要求7所述的红外谱段星上全动态范围多点辐射定标装置的定标方法，其特征在于：特定的红外谱段为波长在2～8μm的红外谱段。

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