CN103322982A - 一种空间相机增益在轨调整方法 - Google Patents

Abstract

一种空间相机增益在轨调整方法，涉及对地观测空间相机的增益在轨调整方法。解决了目前空间相机采用固定增益导致部分图像整体偏暗、图像层次不丰富且信噪比低等问题。航天器发射前，通过实验室辐射定标获得最大辐亮度下图像的最大数字量化输出值对应的增益倍数;航天器发射后，对航天器轨道进行高精度仿真，输出不同摄影时刻星下点的太阳高度角;将太阳高度角转换为太阳天顶角，使用MODTRAN大气辐射传输工具，得到不同摄影时刻当空间相机对目标最大反射率对应的地物成像时，入瞳处的辐亮度；计算空间相机在不同摄影时刻的增益倍数;将计算得到的增益倍数对应的码值和摄影时刻结合成程控指令，由地面测控站经测控天线发送给航天器执行。

Description

一种空间相机增益在轨调整方法

技术领域

本发明涉及以遥感卫星或空间站为平台对地球进行观测的空间相机，具体涉及空间相机增益的在轨调整方法。

背景技术

在空间相机对地摄影时，地物目标的反射率存在显著的差别，如海水的反射率约为0.05，而冰雪的反射率最高可达0.8。同时不同季节和纬度的光照条件不同，导致空间相机入瞳处的辐亮度存在较大的变化。为了避免空间相机获取的遥感图像中感兴趣的目标处出现饱和现象而无法分辨，用户要求空间相机满足最大辐亮度要求，即在最大辐亮度条件下输出的图像接近饱和或不饱和。其中最大辐亮度和用户要求的目标最大反射率相对应。

为了满足这一要求，目前在空间相机的设计过程中，主要通过调整空间相机成像电路的元器件参数和视频处理器的增益，使相机输出的图像在最大辐亮度条件下接近饱和。确定后的成像电路参数在元器件焊接后即固定，而在空间相机的在轨摄影过程也一般不调整增益。从获取的遥感图像看，存在部分图像整体偏暗、图像层次不丰富且信噪比低的现象，而且在不同时间拍摄的同一地物目标的图像灰度差别大。

针对这一问题，目前已提出的增益调整方法主要通过在摄影过程中，对获取的图像数据或成像传感器输出的模拟电压进行统计分析而后对增益进行调整(彭妮娜，陈大羽，王琨等.采用线阵TDICCD相机的实时自动增益控制算法.红外与激光工程,2011,40(7):1370-1375;颜伟彬,赵斌.基于数字信号处理器的CCD自动增益调整,传感器技术,2004,23(3):74-80；薛旭成，石俊霞，吕恒毅等.空间遥感相机TDICCD积分级数和增益的优化设置，光学精密工程，2011，19(4):857-862)。这些方法的主要问题在于，由于空间相机采用推扫摄影方式，单次摄影过程中每个时刻拍摄的地物目标各不相同，通常在单次十几分钟左右的摄影过程覆盖的地物目标相距上千公里。由于横跨较大的纬度，导致每个时刻的光照条件也不同。而下一时刻要拍摄的地物目标的类型和反射率是未知的，因此对前一时刻获取的图像数据或成像传感器输出的模拟电压进行统计分析得到的增益很可能并不适用下一时刻的地物目标，而出现本应减小增益却增大增益的现象，导致图像出现饱和或达不到调整目的。

发明内容

本发明为了解决现有空间相机在轨采用固定增益，导致部分图像整体偏暗、图像层次不丰富且信噪比低，而且在不同时间拍摄的同一地物目标的图像灰度差别大的问题提供一种空间相机增益在轨调整方法。

一种空间相机增益在轨调整方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、航天器发射前，在空间相机的实验室辐射定标时，在用户要求的最大辐亮度L_max下调整空间相机的增益，使图像的数字量化输出值从小增加至最大值，获得图像的最大数字量化输出值对应的增益倍数G_max；

步骤二、航天器发射后，对搭载空间相机的卫星或空间站的航天器平台的轨道进行高精度仿真，输出各个摄影时刻星下点的太阳高度角；所述仿真采用STK仿真工具，仿真步骤为：

步骤二一、添加卫星，输入轨道参数、初始卫星位置和仿真的起止时间；所述输入的轨道参数包括轨道倾角、半长轴、偏心率、升交点赤经和近地点幅角；初始卫星位置包括历元时刻和真近点角；

步骤二二、选择轨道外推模型；

步骤二三、在步骤二一所述的卫星下选择太阳光照区域输出项，得到各个摄影时刻星下点的太阳高度角；

步骤三、将步骤二获得的各个摄影时刻星下点的太阳高度角转换为太阳天顶角，根据空间相机的波段范围、用户要求的目标最大反射率和各个摄影时刻星下点的太阳天顶角，使用MODTRAN大气辐射传输工具，获得各个摄影时刻当空间相机对目标最大反射率对应的地物成像时，入瞳处的辐亮度L_t；

步骤四、根据步骤一获得的最大数字量化输出值对应的增益倍数G_max，以及步骤三获得的各个摄影时刻当空间相机对目标最大反射率对应的地物成像时，入瞳处的辐亮度L_t，计算空间相机在各个摄影时刻的增益倍数G_t；

具体过程为：设定空间相机设置的最小和最大增益倍数分别为G_DOWN和G_UP，则所述各个摄影时刻的增益倍数G_t的计算公式为：

$G_t=\left\{\begin{array}{cc}{G}_{\mathrm{UP}}& \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}>G_{\mathrm{UP}}\\ \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}& G_{\mathrm{DOWN}}\&le;\frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}{\&le;G}_{\mathrm{UP}}\\ G_{\mathrm{DOWN}}& \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}<G_{\mathrm{DOWN}}\end{array}\right.;$

步骤五、将步骤四获得各个摄影时刻的增益倍数G_t对应的码值和时间结合成程控指令，由地面测控站经测控天线发送给航天器执行，实现对空间相机增益的在轨调整。

本发明的有益效果：

一、在计算增益时考虑光照条件的变化和最大辐射亮度约束，既解决了部分图像整体偏暗、图像层次不丰富且信噪比低等问题，又满足最大辐亮度的要求。不同时间拍摄的同一地物目标的图像灰度接近，便于后续应用。

二、在通过高精度轨道仿真得到摄影过程中星下点太阳高度角的变化时，轨道参数可以由精密定轨得到并采用高精度轨道外推模型，能够提高的太阳高度角的准确性。

三、在通过高精度轨道仿真得到摄影过程中星下点太阳高度角的变化时，轨道参数可以采用航天器入轨后的初始值并采用长期轨道外推模型，能提高处理效率。

四、相机入瞳处辐亮度通过MODTRAN大气辐射传输工具得到，具有较高的准确性，因此增益调整的精度较高；

附图说明

图1为本发明所述的空间相机增益在轨调整方法的流程图；

图2为本发明所述的空间相机增益在轨调整方法中步骤二的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，一种空间相机增益在轨调整方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、航天器发射前，在空间相机的实验室辐射定标时，在用户要求的最大辐亮度L_max下调整空间相机的增益，使图像的数字量化输出值从小增加至最大值，得到图像的最大数字量化输出值对应的增益倍数G_max；

步骤二、航天器发射后，对搭载空间相机的卫星或空间站等航天器平台的轨道进行高精度仿真，输出不同摄影时刻星下点的太阳高度角；所述仿真采用STK仿真工具，仿真步骤如下：

a、添加卫星，输入轨道参数、初始卫星位置和仿真的起止时间；轨道参数包括轨道倾角、半长轴、偏心率、升交点赤经和近地点幅角；初始卫星位置包括历元时刻和真近点角；

b、选择轨道外推模型；

c、在卫星下选择太阳光照区域输出项，得到各个摄影时刻星下点的太阳高度角；

步骤三、将步骤二得到的各个摄影时刻星下点的太阳高度角转换为太阳天顶角；根据空间相机的波段范围、用户要求的目标最大反射率和各个摄影时刻星下点的太阳天顶角，使用MODTRAN大气辐射传输工具，得到不同摄影时刻当空间相机对目标最大反射率对应的地物成像时，入瞳处的辐亮度L_t；

步骤四、根据步骤一得到的最大数字量化输出值对应的增益倍数G_max，以及步骤三得到的不同摄影时刻当空间相机对目标最大反射率对应的地物成像时，入瞳处的辐亮度L_t计算空间相机在不同摄影时刻的增益倍数G_t；设空间相机能够设置的最小和最大增益倍数分别为G_DOWN和G_UP，所述不同摄影时刻的增益倍数G_t的计算公式为：

$G_t=\left\{\begin{array}{cc}{G}_{\mathrm{UP}}& \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}>G_{\mathrm{UP}}\\ \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}& G_{\mathrm{DOWN}}\&le;\frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}{\&le;G}_{\mathrm{UP}}\\ G_{\mathrm{DOWN}}& \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}<G_{\mathrm{DOWN}}\end{array}\right.;$

步骤五、将步骤四得到的增益倍数G_t对应的码值和摄影时刻结合成程控指令，由地面测控站经测控天线发送给航天器执行。

本实施方式所述的步骤二中进行轨道仿真时，轨道参数由精密定轨得到，轨道外推模型采用高精度轨道外推模型HPOP或者采用长期轨道外推模型LOP。

本实施方式所述的步骤三中将太阳高度角转换为太阳天顶角时，当转换后的太阳天顶角大于110°时，可以取太阳天顶角为110°。因为当太阳天顶角大于110°，说明对于地物目标来说已经进入黑夜，相机增益即使调至最大也难以满足图像质量要求，而且由于参数超过正常使用范围，MODTRAN大气辐射传输工具可能无法正确输出，进而无法得到正确的增益。

具体实施方式二、结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的空间相机增益在轨调整方法的实施例，通过此实施例详细说明空间相机增益在轨调整方法的具体实现过程。在本实施例中，该空间相机的波段范围为510-690nm，用户要求的最大辐亮度L_max为42.236W/m²·sr，用户要求的目标最大反射率为0.5。

步骤110，航天器发射前，在空间相机的实验室辐射定标时，设置积分球输出的辐亮度与用户要求的最大辐亮度L_max相同，即42.236W/m²·sr。调整空间相机的增益，使图像的数字量化输出值从小增加至最大值，得到图像的最大数字量化输出值对应的增益倍数G_max为1.2589倍；

步骤120，航天器发射后，对搭载该空间相机的卫星的轨道进行高精度仿真，输出不同摄影时刻星下点的太阳高度角；具体可以分为121、122和123共三个步骤。

步骤121，根据精密定轨得到卫星当前的轨道参数，添加卫星，输入轨道参数、初始卫星位置和仿真的起止时间如下表1所示：

表1

轨道倾角	97.34°
		半长轴	6878.64km
偏心率	0.000779587
		升交点赤经	354.75°
近地点幅角	12.9°
		历元时刻(UTC时间)	2010年8月24日7时21分17秒
真近点角	151.912°

仿真开始时刻(UTC时间)	2010年8月26日3时13分0秒
		仿真结束时刻(UTC时间)	2010年8月26日6时16分0秒

步骤122，选择轨道外推模型。在本实施例中，由于轨道参数通过事先的精密定轨得到，轨道外推模型采用高精度轨道外推模型HPOP；

步骤123，在卫星下选择太阳光照区域输出项，得到各个摄影时刻星下点的太阳高度角。以UTC时间2010年8月26日3时13分0秒为例，输出的星下点的太阳高度角为18.409°。

步骤130，将步骤120得到的各个摄影时刻星下点的太阳高度角转换为太阳天顶角；根据空间相机的波段范围、用户要求的目标最大反射率和各个摄影时刻星下点的太阳天顶角，使用MODTRAN大气辐射传输工具，得到不同摄影时刻当空间相机对目标最大反射率对应的地物成像时，入瞳处的辐亮度L_t。在本实施例中，摄影时刻UTC时间2010年8月26日3时13分0秒对应的星下点的太阳高度角为18.409°，空间相机的波段范围为510-690nm，用户要求的目标最大反射率为0.5，使用MODTRAN大气辐射传输工具得到该摄影时刻当空间相机对目标最大反射率对应的地物成像时，入瞳处的辐亮度L_t为11.842W/m²·sr。

步骤140，根据步骤110得到的最大数字量化输出值对应的增益倍数G_max为42.236W/m²·sr，，以及步骤130得到的不同摄影时刻当空间相机对目标最大反射率对应的地物成像时，入瞳处的辐亮度L_t计算空间相机在不同摄影时刻的增益倍数G_t；所述不同摄影时刻的增益倍数G_t的计算公式为：

$G_t=\left\{\begin{array}{cc}{G}_{\mathrm{UP}}& \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}>G_{\mathrm{UP}}\\ \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}& G_{\mathrm{DOWN}}\&le;\frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}{\&le;G}_{\mathrm{UP}}\\ G_{\mathrm{DOWN}}& \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}<G_{\mathrm{DOWN}}\end{array}\right.;$

在本实施例中，空间相机所用视频处理器为OM7560A，增益的调整范围为0-36db，对应能够设置的最小增益倍数G_DOWN为1，能够设置的最大增益倍数G_UP为63.0957，摄影时刻UTC时间2010年8月26日3时13分0秒对应的L_t为11.842W/m²·sr，则可以计算得到该时刻的增益倍数G_t为4.49。

步骤150，将步骤140得到的增益倍数G_t对应的码值和摄影时刻结合成程控指令，由地面测控站经测控天线发送给航天器执行。在本实施例中，所用视频处理器OM7560A的增益倍数G_t与对应的增益设置码值N_t的关系如下式表示：

N_t＝400·log₁₀G_t

将G_t=4.49代入该式，可以得到UTC时间2010年8月26日3时13分0秒对应的增益设置码值N_t为0x0105(十六进制)。该卫星的计时时间基准为UTC时间2006年1月1日0时0分0秒，程控指令的时间码值为当前UTC时间相对于计时时间基准经历的秒值数，UTC时间2010年8月26日3时13分0秒相对于计时时间基准经历的秒值数为146718780，对应十六进制码值为0x8BEC03C。程控指令的格式为时间码+指令代码+指令参数，而设置增益的指令代码为0x1307，因此最终形成的程控指令为0x8BEC03C13070105。由本实施方式得到的摄影过程中部分增益调整程控指令如下表2所示：

表2

同样的方法生成多条程控指令后，通过测控天线发送给航天器执行，完成空间相机增益的在轨调整。

如上所述，对本领域的技术人员来说，在本质上不脱离本发明原理的基础上，可以对该实施例进行形式和细节上的各种改变和修改，这些改变和修改都确定为包含在本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种空间相机增益在轨调整方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、航天器发射前，在空间相机的实验室辐射定标时，在用户要求的最大辐亮度L_max下调整空间相机的增益，使图像的数字量化输出值从小增加至最大值，获得图像的最大数字量化输出值对应的增益倍数G_max；

步骤二、航天器发射后，对搭载空间相机的卫星或空间站的航天器平台的轨道进行高精度仿真，输出各个摄影时刻星下点的太阳高度角；所述仿真采用STK仿真工具，仿真步骤为：

步骤二一、添加卫星，输入轨道参数、初始卫星位置和仿真的起止时间；所述输入的轨道参数包括轨道倾角、半长轴、偏心率、升交点赤经和近地点幅角；初始卫星位置包括历元时刻和真近点角；

步骤二二、选择轨道外推模型；

步骤二三、在步骤二一所述的卫星下选择太阳光照区域输出项，得到各个摄影时刻星下点的太阳高度角；

步骤三、将步骤二获得的各个摄影时刻星下点的太阳高度角转换为太阳天顶角，根据空间相机的波段范围、用户要求的目标最大反射率和各个摄影时刻星下点的太阳天顶角，使用MODTRAN大气辐射传输工具，获得各个摄影时刻当空间相机对目标最大反射率对应的地物成像时，入瞳处的辐亮度L_t；

步骤四、根据步骤一获得的最大数字量化输出值对应的增益倍数G_max，以及步骤三获得的各个摄影时刻当空间相机对目标最大反射率对应的地物成像时，入瞳处的辐亮度L_t，计算空间相机在各个摄影时刻的增益倍数G_t；

具体过程为：设定空间相机设置的最小和最大增益倍数分别为G_DOWN和G_UP，则所述各个摄影时刻的增益倍数G_t的计算公式为：

$G_t=\left\{\begin{array}{cc}{G}_{\mathrm{UP}}& \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}>G_{\mathrm{UP}}\\ \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}& G_{\mathrm{DOWN}}\&le;\frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}{\&le;G}_{\mathrm{UP}}\\ G_{\mathrm{DOWN}}& \frac{G_{\max }\&CenterDot;L_{\max }}{L_t}<G_{\mathrm{DOWN}}\end{array}\right.;$

步骤五、将步骤四获得的各个摄影时刻的增益倍数G_t对应的码值和时间结合成程控指令，由地面测控站经测控天线发送给航天器执行，实现对空间相机增益的在轨调整。

2.根据权利要求1所述的空间相机增益在轨调整方法，其特征在于，在步骤二一输入的轨道参数由精密定轨得到，步骤二二中选择轨道外推模型为采用高精度轨道外推模型HPOP。

3.根据权利要求1所述的空间相机增益在轨调整方法，其特征在于，在步骤二一中的轨道参数为航天器入轨后的初始值，步骤二二中的轨道外推模型为采用长期轨道外推模型LOP。

4.根据权利要求1所述的空间相机增益在轨调整方法，其特征在于，在步骤三中将太阳高度角转换为太阳天顶角时，当转换后的太阳天顶角大于110°时，取太阳天顶角为110°。

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