CN103873856A - 一种空间遥感器在轨红外焦平面自反射定标方法 - Google Patents

Abstract

一种空间遥感器在轨红外焦平面自反射定标方法，首先根据空间遥感器光学系统确定自反射角镜阵列各项参数并完成自反射角镜阵列的加工；其次将黑体和自反射角镜阵列安装在定标切换机构上，并利用定标切换机构使空间遥感器在三种工作模式之间切换得到辐射响应数据和输入输出数据；最后将得到的数据带入辐射响应方程，计算系统线性定标因子，完成定标。通过在轨红外焦平面自反射定标，实现了冷焦面自反射作为高稳定性定标源，无需使用反射镜引入冷空间，同时可消除探测器自身暗电流等噪声的影响，从而保证空间遥感光谱仪在轨探测数据的可靠性和精度。

Description

一种空间遥感器在轨红外焦平面自反射定标方法

技术领域

本发明涉及一种空间遥感器在轨红外焦平面自反射定标方法，主要应用于红外遥感器多光谱成像及定量化应用领域，尤其适用于遥感器无法利用冷空间实现探测器在轨辐射定标的情况。

背景技术

航天遥感器的热红外探测通道，除用于对地面目标进行红外成像外，还具有由图像资料反演出多种定量化地面目标特征物体的能力。实现定量化处理的关键环节是进行航天遥感器的辐射定标，即进行遥感器输出量到绝对辐射量的转换，基本原理是：以均匀而稳定的定标辐射源作为基准源，空间遥感器接受来自在轨定标辐射源的辐射，从而建立航天光学遥感器输出与入射定标辐射之间的关系，实现在轨辐射定标。同时考虑到遥感器在轨运行时的环境、状态不断改变，探测器性能也在发生变化，为满足长寿命及高精度的需求，因此在轨辐射定标是不可或缺的技术之一。

目前国内外常用的在轨红外辐射定标源有星上定标黑体和冷空间。空间遥感器探测深冷空间时，得到的是近零光子输入，因此，深冷空间提供了另一个高稳定性定标参考点，用于对红外谱段进行辐射定标。但深冷空间定标存在一定的缺陷：约束条件多，受限于卫星平台、相机安装方式、工作模式等，要求卫星平台在安装方式上为空间遥感器载荷提供冷空间接口，在轨定标模式工作时需使空间遥感器指向冷空间。同时由于空间遥感器需要留出冷空间接口，不能形成相对密封的温控系统，影响系统温度稳定性和均匀性的控制，进而导致光机结构变形，影响成像质量，因此严重限制了其应用范围。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间遥感器在轨红外焦平面自反射定标方法，实现了冷焦面自反射作为高稳定性定标源，无需使用反射镜引入冷空间，满足了空间遥感器在轨运行时高精度辐射定标的需求。

本发明的技术解决方案是：

一种空间遥感器在轨红外焦平面自反射定标方法，步骤如下：

（1）根据空间遥感器光学系统确定自反射角镜阵列各项参数，包括自反射角镜单元大小、阵列规模和反射谱段范围；所述自反射角镜单元为空心角锥棱镜，由三个反射面向内的等腰直角三角形金属自反射角镜组成；

（2）根据步骤（1）中的自反射角镜阵列各项参数加工自反射角镜阵列；

（3）将黑体和自反射角镜阵列安装在定标切换机构上；所述黑体为空间遥感器的定标源，定标切换机构使空间遥感器在三种工作模式之间的切换，所述三种工作模式指成像模式、黑体定标模式和焦平面自反射定标模式；

（4）空间遥感器在成像模式下对地物进行探测，获取辐射响应数据；在黑体定标模式下对黑体进行探测，获取一组输入输出定标数据；在焦平面自反射定标模式下定标切换机构切换至自反射角镜阵列，焦平面对其自反射辐射进行探测响应，获取第二组输入输出定标数据；所述输入定标数据为空间遥感器接收的辐亮度，输出定标数据为空间遥感器的输出信号电子数；

（5）将两组输入输出定标数据代入辐射响应方程，计算系统线性定标因子。

所述自反射角镜采用真空镀制高反射率金膜，反射率大于90%，自反射角镜的谱段范围为3μm～13μm。

所述定标切换机构包括基座、自反射角镜阵列、黑体辐射源、转盘、电机、齿轮和主轴；

基座安装在空间遥感器光学系统内部，电机、齿轮和主轴均固定在基座上，转盘与主轴连接，自反射角镜阵列和黑体辐射源安装于转盘上，转盘均分为个区域，每个区域均为120度扇形，其中自反射角镜阵列安装在第一个扇形区域，黑体辐射源安装在第二个扇形区域，第三个扇形区域为缺口；电机通过齿轮带动主轴转动，从而带动转盘转动。

所述将黑体和自反射角镜阵列安装在定标切换机构上具体为：定标切换机构安装位置在系统一次像面处；所述空间遥感器是二次成像离轴光学系统，一次像面位于次镜后方。

所述遥感器的辐射响应方程为：S=RL+I，其中S为遥感器的输出信号电子数，L为遥感器接收的辐亮度，R，I为系统的线性定标因子。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）与现有技术中采用冷空间作为辐射定标源相比，本发明无需卫星提供冷空间接口，在轨时对卫星平台也没有冷空间指向的要求，从而大大降低了卫星平台对空间遥感器辐射定标的制约，更好地满足定量化遥感的需求。

（2）本发明采用冷焦面自反射作为辐射定标源，由于空间遥感器无需在冷空间方向开口，不需引入冷空间，因此可以形成相对密封的温控系统，系统温度稳定性和均匀性得到更好地控制，光机结构变形小，成像质量有所改善。

（3）与现有技术中空间遥感器采用的太阳或月亮作为定标源的定标方法相比，本发明是针对热红外定量化遥感应用提出的辐射定标方法，为今后涵盖可见及红外的全谱段遥感器的辐射定标提供了良好的应用基础。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为自反射角镜阵列光路及自反射角镜单元光路图，其中（a）为自反射角镜阵列光路图，（b）为自反射角镜单元光路图；

图3为自反射角镜阵列模型图；

图4为自反射角镜阵列局部放大三维视图；

图5为自反射角镜阵列局部放大二维视图；

图6为定标切换机构系统结构主视图;

图7为定标切换机构系统结构俯视图;

图8为定标切换机构三种工作模式区域图;

图9为定标切换机构在光路中位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明中所指空间红外遥感器采用制冷机和辐射制冷相结合的方式制冷探测器焦面组件，制冷温度在60K～80K，成为冷焦面；对于二次成像离轴光学系统，将定标切换机构放置在一次像面位置处，在轨时通过控制电路进行工作模式的切换，实现对成像系统的辐射定标，去除暗电流噪声及局部光路背景辐射影响，实现流程如附图1所示，步骤如下：

（1）根据空间遥感器光学系统光路布局及口径确定自反射角镜阵列各项参数，包括自反射角镜单元大小、阵列规模、反射谱段范围；自反射角镜阵列需满足光学系统有效口径的要求，同时考虑自反射角镜具有杂光抑制的效果，阵列规模应覆盖焦平面自反射定标区域，各种工作模式下的工作区域如图8所示，图中A为焦平面自反射定标区域，B为黑体定标区域，C为成像模式区域。如图2所示为自反射角镜阵列结构形式及工作原理：入射光在三个内垂直面上依次经历了多次反射后沿原路返回，平行出射。自反射角镜尺寸大小要综合考虑光学系统谱段范围内的衍射效应及杂光抑制能力。

（2）制作一个有效口径及接口满足系统要求的自反射角镜阵列，如附图3所示为自反射角镜阵列模型，阵列规模为480个自反射角镜单元。如附图4所示为自反射角镜阵列局部放大三维图，自反射角镜阵列总高度为4mm。如附图5所示为自反射角镜阵列局部放大二维图，设定自反射角镜单元底面三角形边长为1mm，空心角锥棱镜底面为等边三角形。内表面镀制高反射率高稳定性金膜，反射率要求大于90%，自反射角镜的谱段范围为3μm～13μm。入射光线和反射光线角偏差小于25″；表面粗糙度Ra＜15nm；工作温度为18℃±2℃。

（3）本实施例中，自反射角镜阵列重量小于1Kg，基频≥150Hz。图6和图7分别为定标切换机构的主视图和俯视图，由图中我们可以看到定标切换机构包括基座1、自反射角镜阵列2、黑体辐射源3、转盘4、电机5、齿轮6和主轴7。

基座1安装在空间遥感器光学系统内部，电机5、齿轮6和主轴7均固定在基座1上，转盘4与主轴7连接，自反射角镜阵列2和黑体辐射源3安装于转盘4上，转盘4均分为3个区域，每个区域均为120度扇形，其中自反射角镜阵列2安装在第一个扇形区域，黑体辐射源3安装在第二个扇形区域，第三个扇形区域为缺口；电机5通过齿轮6带动主轴7转动，从而带动转盘4转动。

转盘4转动到缺口扇形区域时，地物目标的辐射信号从缺口扇形区域穿过进入光学系统，空间遥感器处于成像模式，光学系统接收地物目标的辐射信号；转盘4转动到自反射角镜阵列2所在的扇形区域时，外部光线完全被自反射角镜阵列2所在的扇形区域遮挡，空间遥感器处于焦平面自反射定标模式，光学系统接收自反射角镜阵列2反射的冷焦面辐射信号；转盘4转动到黑体辐射源3所在的扇形区域时，外部光线完全被黑体辐射源3所在的扇形区域遮挡，空间遥感器处于黑体定标模式，光学系统接收黑体辐射源辐射信号。

根据卫星及相机工作模式，定标切换机构可实现三种工作模式之间切换的功能。三种工作模式指成像模式、黑体定标模式和焦平面自反射定标模式。在黑体定标模式和焦平面自反射定标模式时，定标切换机构需遮挡全部成像光路入射光线，避免杂散光、辐射对定标精度的影响。

（4）如图9所示为定标切换机构在光路中位置示意图，将定标切换机构置于红外遥感器一次像面位置处。所述空间遥感器是二次成像离轴光学系统，主镜和次镜能够成一次像，一次像面位于次镜后方。

（5）成像模式如图8所示区域，定标切换机构的电机5带动齿轮6使转盘4绕主轴7旋转至成像模式区域C，保证所有成像光束进入探测器，实现对地物目标进行探测，获取辐射响应数据；黑体辐射源为相机真空辐射定标的基准源，黑体定标模式下转盘4旋转至黑体辐射源，空间探测器对高稳定性黑体进行探测，获取一组输入输出定标数据；由于焦平面制冷在60K～80K，将该冷焦面作为相机真空辐射定标的另一基准源，焦平面自反射定标模式下定标切换机构切换至自反射角镜阵列，利用其原路返回原理，焦平面对其自反射辐射进行探测响应，获取第二组输入输出定标数据。

（6）通过处理两组定标数据，完成空间遥感器的辐射定标，实现对红外探测器的暗电流噪声和局部光路背景辐射噪声影响的去除。

遥感器的辐射响应方程可表示为：

S=RL+I  （1）

其中S为遥感器的输出信号电子数;L为遥感器接收的辐亮度;R,I为系统的线性定标因子。

根据不同的工作模式的不同，遥感器的辐射响应方程可以具体分为：

S_CV=RL_CV+I,S_BB=RL_BB+I  （2）

其中S_CV为遥感器观测冷空间时遥感器的输出信号电子数，L_CV为遥感器观测冷空间时接收的辐亮度，S_BB为遥感器观测星上定标黑体时遥感器的输出信号电子数，L_BB为遥感器观测星上定标黑体时接收的辐亮度。

由（2）式可得到系统的辐射定标因子为

$R=\frac{S_{\mathrm{BB}}-S_{\mathrm{CV}}}{L_{\mathrm{BB}}-L_{\mathrm{CV}}}$ $I=\frac{S_{\mathrm{CV}}{L}_{\mathrm{BB}}-S_{\mathrm{BB}}{L}_{\mathrm{CV}}}{L_{\mathrm{BB}}-L_{\mathrm{CV}}}---\left(33\right)$

利用求得的线性定标因子校准系统成像模式下的地物目标响应，即可实现空间遥感器在轨运行时进行高精度辐射定标。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种空间遥感器在轨红外焦平面自反射定标方法，其特征在于步骤如下：

（1）根据空间遥感器光学系统确定自反射角镜阵列各项参数，包括自反射角镜单元大小、阵列规模和反射谱段范围；所述自反射角镜单元为空心角锥棱镜，由三个反射面向内的等腰直角三角形金属自反射角镜组成；

（2）根据步骤（1）中的自反射角镜阵列各项参数加工自反射角镜阵列；

（3）将黑体和自反射角镜阵列安装在定标切换机构上；所述黑体为空间遥感器的定标源，定标切换机构使空间遥感器在三种工作模式之间的切换，所述三种工作模式指成像模式、黑体定标模式和焦平面自反射定标模式；

（4）空间遥感器在成像模式下对地物进行探测，获取辐射响应数据；在黑体定标模式下对黑体进行探测，获取一组输入输出定标数据；在焦平面自反射定标模式下定标切换机构切换至自反射角镜阵列，焦平面对其自反射辐射进行探测响应，获取第二组输入输出定标数据；所述输入定标数据为空间遥感器接收的辐亮度，输出定标数据为空间遥感器的输出信号电子数；

（5）将两组输入输出定标数据代入辐射响应方程，计算系统线性定标因子。

2.根据权利要求1所述的一种空间遥感器在轨红外焦平面自反射定标方法，其特征在于：所述自反射角镜采用真空镀制高反射率金膜，反射率大于90%，自反射角镜的谱段范围为3μm～13μm。

3.根据权利要求1所述的一种空间遥感器在轨红外焦平面自反射定标方法，其特征在于：所述定标切换机构包括基座（1）、自反射角镜阵列（2）、黑体辐射源（3）、转盘（4）、电机（5）、齿轮（6）和主轴（7）；

基座（1）安装在空间遥感器光学系统内部，电机（5）、齿轮（6）和主轴（7）均固定在基座（1）上，转盘（4）与主轴（7）连接，自反射角镜阵列（2）和黑体辐射源（3）安装于转盘（4）上，转盘（4）均分为3个区域，每个区域均为120度扇形，其中自反射角镜阵列（2）安装在第一个扇形区域，黑体辐射源（3）安装在第二个扇形区域，第三个扇形区域为缺口；电机（5）通过齿轮（6）带动主轴（7）转动，从而带动转盘（4）转动。

4.根据权利要求1所述的一种空间遥感器在轨红外焦平面自反射定标方法，其特征在于：所述将黑体和自反射角镜阵列安装在定标切换机构上具体为：定标切换机构安装位置在系统一次像面处；所述空间遥感器是二次成像离轴光学系统，一次像面位于次镜后方。

5.根据权利要求1所述的一种空间遥感器在轨红外焦平面自反射定标方法，其特征在于：所述遥感器的辐射响应方程为：S=RL+I，其中S为遥感器的输出信号电子数，L为遥感器接收的辐亮度，R，I为系统的线性定标因子。

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