CN104729535A - 一种基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法，该方法充分利用了卫星平台姿态机动调整的能力，建立目标辐射特性稳定的恒星源与空间相机输出的灰度值的对应关系，结合对恒星成像和优化的绝对定标算法的优势，实现了空间相机在轨绝对辐射定标；此外本发明采用卫星姿态调整的成像模式，对定标环境要求低，不需增加额外定标设备，且在轨绝对定标不依赖于专用定标场所，从而显著降低定标成本，节省定标时间。

Description

一种基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法

技术领域

本发明涉及一种基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法，特别是涉及一种目标辐射特性稳定的恒星作为光源对空间相机在轨绝对定标的方法，属于在轨辐射定标技术领域。

背景技术

绝对辐射定标是建立遥感器记录的数字信号与对应的辐射能量之间的数量关系。美国国家标准化与技术研究所NIST(National Institute OfStandards and Technology)的联合报告给出辐射定标的定义为：定标是在一系列的测量过程中决定仪器在空间域、时间域、光谱域的辐射性能，它的输出是一个与实际辐射能量测量值相关的数值。

空间相机在卫星发射前会在地面进行辐射定标。空间相机入轨后在轨运行期间由于仪器本身的老化，光学系统和电子学系统的各种辐射性能都会下降，导致图像质量退化，因此空间相机在轨定标显得十分必要。

我国的在轨辐射定标技术经历了星上内定标，星上内定标与在轨场地定标联合，在轨场地定标这三个阶段，目前在轨阶段的辐射定标主要以场地定标为主。我国在轨辐射校正精度一般只能达到7％左右，国际上已实现优于3％。传统定标方法逐渐不能满足于高精度定量化遥感应用的需要，例如星上内定标会受到在轨环境的不确定性以及仪器衰减等方面的影响；而场地定标方法则会受进场次数和天气条件的限制，随着器件的老化，在轨场地定标还需周期性进行，人力物力都要增加，定标间隔周期较长。如何寻求更加经济有效的具备高精度和高频次特性的在轨定标方法，是光学遥感卫星系统一直追求的目标和持续努力的方向。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法，该方法结合卫星姿态调整、对目标辐射特性稳定的恒星成像和优化的绝对定标算法的优势，根据卫星运行和目标恒星的辐亮度，动态获取绝对辐射定标系数，保证在轨绝对定标精度。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法，包括如下步骤：

步骤(一)、在依巴谷星表中选取光谱范围和卫星上的待定标空间相机探测器光谱范围接近的m颗恒星，其中m为正整数，且m≥3；

步骤(二)、待定标空间相机对均匀暗目标成像，所述均匀暗目标包括海洋，平静的湖面和深空，并统计图像灰度值，取平均灰度值作为系统暗信号DN_Sdark；

步骤(三)、在地影区对卫星进行姿态控制，使卫星由对地指向变为指向深空中的一颗恒星，所述恒星为步骤(一)中选取的m颗恒星中的任意一颗，使所述恒星成像于空间相机探测器的四角和中心，完成一圈理想成像，并得到成像像元的矩形灰度图像；所述矩形灰度图像包括L×L个灰度值，选取中心位置的灰度值作为成像像元的灰度值DN_1i，i＝1；重复上述成像过程，实现n圈理想成像，得到n个成像像元的矩形灰度图像，并得到n个成像像元的灰度值DN_1i，i＝1…n，通过如下公式得到空间相机的灰度值DC_j，其中j表示恒星编号，取值为1…m；

${\mathrm{DC}}_j=\frac{1}{n}{\mathrm{\Σ}}_1^n{\mathrm{DN}}_{1i},j=1;$

步骤(四)、根据步骤(三)得到的n个矩形灰度图像，在软件中显示为n个三维图像，所述n个三维图像即为n个点扩散函数PSF，将n个点扩散函数PSF归一化，得到二维图像，取过二维图像中心点且垂直于二维图像边界的任意方向的一组数值，该组数值绘制的曲线的主瓣部分即为环绕能量

步骤(五)、通过如下公式计算所述恒星的光谱校正函数SCF_j：

${\mathrm{SCF}}_j=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}{L}_{\mathrm{star}}\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{RSR}}_j\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}{L}_{\mathrm{star}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}{L}_{\mathrm{gnd}}\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{RSR}}_j\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}{L}_{\mathrm{gnd}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}}},j=1;$

其中：

L_star(λ)为恒星的等效辐亮度；

L_gnd(λ)为地面场景在空间相机入瞳处的等效辐亮度；

RSR_j(λ)为等效光谱响应；

λ_h为空间相机探测器光谱范围的上限波长；

λ_l为空间相机探测器光谱范围的下限波长；

步骤(六)、通过如下公式得到空间相机入瞳处恒星的等效辐亮度L_j：

$L_j={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}\frac{F_i\left(\mathrm{\λ}\right)}{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{do}}}\·{\mathrm{RSR}}_j\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{f_j}\left(A_m\right)\·{\mathrm{SCF}}_j\mathrm{d\λ},j=1;$

其中：

F_i(λ)为空间相机入瞳处恒星的光谱辐射通量；

Ω_do为单一探测器的立体角；

步骤(七)、重复步骤(三)～步骤(六)，得到其余n-1颗恒星对应的灰度值DC_j和等效辐亮度L_j，并根据系统暗信号DN_Sdark，通过最小二乘法建立线性响应关系，得到绝对定标系数CalCoef。

在上述基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法中，步骤(一)中选取的恒星的光谱范围的上限与待定标空间相机探测器光谱范围的上限偏差在10％以内，选取的恒星的光谱范围的下限与待定标空间相机探测器光谱范围的下限偏差在10％以内。

在上述基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法中，步骤(三)中采用matlab软件。

在上述基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法中，步骤(一)中选取恒星7～10颗。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)、本发明充分利用了卫星平台姿态机动调整的能力，建立目标辐射特性稳定的恒星源与空间相机输出的灰度值的对应关系，结合对恒星成像和优化的绝对定标算法的优势，实现了空间相机在轨绝对辐射定标。

(2)、本发明采用卫星姿态调整的成像模式，对定标环境要求低，不需增加额外定标设备，且在轨绝对定标不依赖于专用定标场所，从而显著降低定标成本，节省定标时间。

(3)、本发明采用优化的绝对定标算法，使用成熟的通用最小二乘法建立线性响应关系，兼顾卫星遥感器成像模型与定标算法的可编程性，对卫星遥感器在轨绝对定标具有较强的实用性。

(4)、本发明定标方法过程简单，易于实现；此外该方法处理过程中没有大气干扰，定标任务容易安排和可重复。

附图说明

图1为本发明基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法流程图；

图2为本发明空间相机系统传递函数示意图；

图3为本发明理想空间相机系统传递函数示意图(图2的简化图)；

图4为本发明空间相机对恒星定标示意图；

图5为本发明二维PSF生成示意图；

图6为本发明求解波段环绕能量的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

假设空间相机在其瞬时视场内接收的来自目标景物的辐射亮度为SRF，在所有成像环节都是线性系统的理想情况下，系统能量传递过程示意图如图2所示，图2为本发明空间相机系统传递函数示意图。

SRF＝A₀·Ω_det·τ_ota(λ)·R_det(λ)·R_elec(λ)·R_A/D(λ)·E_NL(λ)·τ_noise(λ)·τ_NL(λ)·Δλ (1-1)

其中：

A₀—空间相机的入瞳孔径的有效面积；

Ω_det—空间相机的入瞳孔径的立体角；

τ_ota(λ)—空间相机包括各种光学元件在内的光学系统的总透过率；

R_det(λ)—空间相机中探测器的响应度；

R_elec(λ—空间相机中成像电子学处理电路的响应度；

R_A/D(λ)—空间相机中成像电路A/D转换电路的响应度；

τ_noise(λ)—空间相机总电路的噪声；

E_NL(λ)—空间相机所拍景物的辐照度；

τ_NL(λ)—空间相机所拍景物到空间相机入瞳处的大气透过率，若空间相机所拍景物为恒星，τ_NL(λ)＝1；

Δλ)—波长间隔。

对应每一个CCD像元，都存在式(1-1)的响应关系。将能量传递中间过程看做系统响应函数可将式(1-1)的模型转化为如图3所示的形式，图3为本发明理想空间相机系统传递函数示意图(图2的简化图)。定标系数表示入瞳辐亮度和图像DN值之间的转换关系：

$\mathrm{Calibration\; Coefficient}=\frac{\mathrm{DC}}{\mathrm{SRF}}---(1-2)$

式(1-2)为空间相机对恒星定标的辐射响应函数，Calibration Coefficient—空间相机的在轨绝对定标系数；DC—空间相机所成目标像的灰度值。

对恒星定标时，需要遥感器变换姿态，由对地观测到对空间中某星观测，一般在进入地影区开始姿态变换，对星成像，在飞出地影区前将姿态变换为对地，保证卫星飞出地影区时可以进行正常任务。在地影区对星成像既避免了太阳光的干扰也能避免干扰卫星正常业务化运行。

如图1所示为本发明基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法流程图，本发明基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法，具体包括如下步骤：

步骤(一)、在依巴谷星表(国外长期观测选出可用于绝对定标基准的星表)中选取光谱范围和卫星上的待定标空间相机探测器光谱范围接近的m颗恒星，恒星辐亮度范围形成梯度便于计算定标系数；其中m为正整数，且m≥3。

选取的恒星的光谱范围的上限波长与待定标空间相机探测器光谱范围的上限波长偏差在10％以内，选取的恒星的光谱范围的下限波长与待定标空间相机探测器光谱范围的下限波长偏差在10％以内。

即

本实施例在标准星表中选取7～10颗辐射标准恒星，对空间相机进行在轨绝对定标，为保证数据处理的准确性采用多点最小二乘拟合处理空间相机灰度值和恒星入瞳辐亮度间的响应关系。

步骤(二)、待定标空间相机对均匀暗目标成像，该均匀暗目标包括海洋，平静的湖面和深空，并统计图像灰度值，取平均灰度值作为系统暗信号DN_Sdark。

步骤(三)、如图4所示为本发明空间相机对恒星定标示意图，在地影区，卫星姿态调整成像，对卫星进行姿态控制，由对地指向变为对应深空中所选恒星，使得卫星在飞行过程中可以对恒星推扫成像，使卫星由对地指向变为指向深空中的一颗恒星，该恒星为步骤(一)中选取的m颗恒星中的任意一颗，使该恒星成像于空间相机探测器的四角和中心，完成一圈理想成像，并得到成像像元的矩形灰度图像，所述矩形灰度图像包括L×L个灰度值，选取中心位置的灰度值作为成像像元的灰度值DN_1i，i＝1。重复上述成像过程，实现n圈理想成像，得到n个成像像元的矩形灰度图像，并得到n个成像像元的灰度值DN_1i，i＝1…n，通过如下公式得到空间相机的灰度值DC_j，其中j表示恒星编号，取值为1…m；

${\mathrm{DC}}_j=\frac{1}{n}{\mathrm{\Σ}}_1^n{\mathrm{DN}}_{1i},j=1.$

步骤(四)、恒星点源图像处理，恒星是理想的点源，因为它的角范围远小于像元的IFOV，通过他的图像可以求得系统的PSF。实际成像的点源图像灰度不对称，随机定位对应像元的网格，提取该恒星点源图像的点扩散函数(PSF)，将二维PSF归一化。

根据步骤(三)得到的n个矩形灰度图像，在软件(本实施例中采用matlab软件)中显示为n个三维图像，该n个三维图像即为n个点扩散函数PSF，将n个点扩散函数PSF归一化，得到二维图像，取过二维图像中心点且垂直于二维图像边界的任意方向的一组数值。如图5所示为本发明二维PSF生成示意图，图中填充色部分即为满足要求的两组数值，任选一组数值绘制曲线，得到如图6所示的求解波段环绕能量示意图，该绘制曲线的主瓣部分即为环绕能量对于第一颗恒星，j＝1。图6中虚线内部分为主瓣部分。

步骤(五)、计算恒星图像的波段光谱校正函数，恒星光谱与空间相机探测器的光谱范围存在差异，通过如下公式计算该第一颗恒星的光谱校正函数SCF_j：

${\mathrm{SCF}}_j=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}{L}_{\mathrm{star}}\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{RSR}}_j\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}{L}_{\mathrm{star}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}{L}_{\mathrm{gnd}}\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{RSR}}_j\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}{L}_{\mathrm{gnd}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}}}j=1;$

其中：

L_star(λ)为恒星的等效辐亮度(W/m²·sr)；

L_gnd(λ)为参考地面场景在空间相机入瞳处的等效辐亮度(W/m²·sr)；

RSR_j(λ)为等效光谱响应；

λ_h为空间相机探测器光谱范围的上限波长；

λ_l为空间相机探测器光谱范围的下限波长。

步骤(六)、通过如下公式得到空间相机入瞳处恒星的等效辐亮度L_j(W/m²·sr)：

$L_j={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}\frac{F_i\left(\mathrm{\λ}\right)}{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{do}}}\·{\mathrm{RSR}}_j\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{f_j}\left(A_m\right)\·{\mathrm{SCF}}_j\mathrm{d\λ};$

其中：

F_i(λ)为空间相机入瞳处恒星的光谱辐射通量(W/m²·μm)；

Ω_do为单一探测器的立体角(sr)；

RSR_j(λ)为等效光谱响应。

步骤(七)、重复步骤(三)～步骤(六)，得到其余n-1颗恒星对应的灰度值DC_j和等效辐亮度L_j，并根据系统暗信号DN_Sdark，通过最小二乘法建立线性响应关系，得到绝对定标系数CalCoef，单位W/m²·sr。

$\mathrm{CalCoef}=\frac{\mathrm{m\Σ}(L_j\×({\mathrm{DC}}_j-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Sdark}}))-\mathrm{\Σ}{L}_j\×\mathrm{\Σ}({\mathrm{DC}}_j-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{Sdark}})}{\mathrm{m\Σ}\left({L_j}^2\right)-{\left(\mathrm{\Σ}\left(L_j\right)\right)}^2};$

本发明方法可在成像型卫星遥感器中推广应用。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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 (4)

1.一种基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(一)、在依巴谷星表中选取光谱范围和卫星上的待定标空间相机探测器光谱范围接近的m颗恒星，其中m为正整数，且m≥3；

步骤(二)、待定标空间相机对均匀暗目标成像，所述均匀暗目标包括海洋，平静的湖面和深空，并统计图像灰度值，取平均灰度值作为系统暗信号DN_Sdark；

步骤(三)、在地影区对卫星进行姿态控制，使卫星由对地指向变为指向深空中的一颗恒星，所述恒星为步骤(一)中选取的m颗恒星中的任意一颗，使所述恒星成像于空间相机探测器的四角和中心，完成一圈理想成像，并得到成像像元的矩形灰度图像；所述矩形灰度图像包括L×L个灰度值，选取中心位置的灰度值作为成像像元的灰度值DN_1i，i＝1；重复上述成像过程，实现n圈理想成像，得到n个成像像元的矩形灰度图像，并得到n个成像像元的灰度值DN_1i，i＝1…n，通过如下公式得到空间相机的灰度值DC_j，其中j表示恒星编号，取值为1…m；

${\mathrm{DC}}_j=\frac{1}{b}{\mathrm{\Σ}}_1^n{\mathrm{ND}}_{1i},j=1;$

步骤(四)、根据步骤(三)得到的n个矩形灰度图像，在软件中显示为n个三维图像，所述n个三维图像即为n个点扩散函数PSF，将n个点扩散函数PSF归一化，得到二维图像，取过二维图像中心点且垂直于二维图像边界的任意方向的一组数值，该组数值绘制的曲线的主瓣部分即为环绕能量

步骤(五)、通过如下公式计算所述恒星的光谱校正函数SCF_j：

${\mathrm{SCF}}_j=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}{L}_{\mathrm{star}}\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{RSR}}_j\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}{L}_{\mathrm{star}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}{L}_{\mathrm{gnd}}\left(\mathrm{\λ}\right){\mathrm{RSR}}_j\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}{L}_{\mathrm{gnd}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}}},j=1;$

其中：

L_star(λ)为恒星的等效辐亮度；

L_gnd(λ)为地面场景在空间相机入瞳处的等效辐亮度；

RSR_j(λ)为等效光谱响应；

λ_h为空间相机探测器光谱范围的上限波长；

λ_l为空间相机探测器光谱范围的下限波长；

步骤(六)、通过如下公式得到空间相机入瞳处恒星的等效辐亮度L_j：

$L_i={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_l}^{{\mathrm{\λ}}_h}\frac{F_i\left(\mathrm{\λ}\right)}{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{do}}}\·{\mathrm{RSR}}_j\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{f_j}\left(A_m\right)\·{\mathrm{SCF}}_j\mathrm{d\λ},j=1;$

其中：

F_i(λ)为空间相机入瞳处恒星的光谱辐射通量；

Ω_do为单一探测器的立体角；

步骤(七)、重复步骤(三)～步骤(六)，得到其余n-1颗恒星对应的灰度值DC_j和等效辐亮度L_j，通过最小二乘法建立线性响应关系，得到绝对定标系数CalCoef。

2.根据权利要求1所述得一种基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法，其特征在于：所述步骤(一)中选取的恒星的光谱范围的上限与待定标空间相机探测器光谱范围的上限偏差在10％以内，选取的恒星的光谱范围的下限与待定标空间相机探测器光谱范围的下限偏差在10％以内。

3.根据权利要求1所述的一种基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法，其特征在于：所述步骤(三)中采用matlab软件。

4.根据权利要求1所述的一种基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法，其特征在于：所述步骤(一)中选取恒星7～10颗。