CN104833371A - 用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器，该用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器包括固定支架以及设置在固定支架上的发光面；发光面由多个发光单元沿经纬方向拼接形成；拼接形成的发光面是球面半径为R的1/4内球面。本发明提供了一种为星敏感器地面实验过程提供背景光，提高星敏感器地面实验的真实度和可信度的用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器及图像变换方法。

Description

用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器

技术领域

本发明属于星敏感器地面标定与测试实验领域，涉及一种可见光地球辐亮度模拟器，尤其涉及一种用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器。

背景技术

在星敏感器地面标定与测试实验过程中，其测试实验方法越来越成熟。然而，目前星敏感器的实验室测试与标定都是单依靠星模拟器，缺少地球轨道卫星的重要背景光即地球本身，这与真实的太空环境存在差别，使得星敏感器的地面实验不够充分。同时，国内外现有的地球模拟器都是用于地球敏感器的测试目标，用于星敏感器实验环境的地球模拟器未见报道。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种为星敏感器地面实验过程提供背景光，提高星敏感器地面实验的真实度和可信度的用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器及图像变换方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器，其特殊之处在于：所述用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器包括固定支架以及设置在固定支架上的发光面；所述发光面由多个发光单元沿经纬方向拼接形成；拼接形成的发光面是球面半径为R的1/4内球面。

上述发光单元包括发光单元底座、PCB印制电路板、发光单元前壳体以及LED灯珠；所述发光单元前壳体是中空的椎体；所述发光单元底座插入固定支架上并与固定支架固定连接；所述LED灯珠通过PCB印制电路板插入发光单元底座中；所述发光单元前壳体套装在LED灯珠并与发光单元底座固定连接；所述发光单元前壳体的内壁上设置有防反光层。

上述发光单元还包括设置在发光单元底座上的带槽圆螺母M6；所述发光单元底座插入固定支架上后，所述带槽圆螺母M6与发光单元底座螺纹连接。

上述LED灯珠是暖白色LED灯珠。

上述发光面的球面半径为R是1300mm。

上述用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器的外表面涂覆有用于减小表面反光率的黑色膜；所述用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器的外表面的反光率不高于10％。

一种基于如前所述的用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器在地球同步卫星图像中截取目标范围且进行图像变换的方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1)根据观测高度计算用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器的发光面中的每个发光单元的经纬度覆盖范围；

2)根据用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器的发光面中的每个发光单元的经纬度覆盖范围，确定每个发光单元的辐亮度值；

3)根据每个发光单元的辐亮度值生成图像。

上述步骤1)的具体实现方式是：

根据地球模拟器发光面和测试点之间的位置关系确定每个发光单元相对于测试点的张角；所述测试点位于发光面的球心位置；所述每个发光单元相对于测试点的张角θ_n是：

θ_n＝l_n/R；

其中：

R是球面半径；

ln是每个发光单元的尺寸。

上述步骤2)的具体实现方式是：在已有的卫星图像库文件中读取该经纬度范围内所有像素的辐亮度值，计算所有像素辐亮度值的平均值，将所有像素辐亮度值的平均值作为该发光单元的辐亮度值；重复以上过程，计算出地球模拟器发光中每个发光单元的辐亮度值。

上述步骤3)的具体实现方式是：

根据每个发光单元的辐亮度值计算每个发光单元的灰度值，公式如下：

$\mathrm{Gr}=\mathrm{Round}(R_n\×\frac{\mathrm{Gm}}{\mathrm{Rm}})$

其中：每个发光单元的灰度值取值范围为0～Gm，每个发光单元的辐射亮度取值范围是0～Rm(W/m²·sr)；

Rn是地球模拟器发光中每个发光单元的辐亮度值。

本发明的优点是：

本发明中提供地球辐亮度模拟器，利用较准确的图像变化过程和实验标定过程，最终实现了模拟器辐射亮度误差小于10％，试验区域内发光面的均匀性大于90％。另外，采用发光单元的遮光装置，使模拟器有效实验区域在发光面球心位置半径为300mm范围球体内，同时整体外观全部采用黑色有效控制了杂散光。模拟轨道高度范围为80km～500km。星敏感器地面标定实验用的地球辐亮度模拟器及其实现方法，其特征是模拟地球在太空中的可见光范围辐射亮度，为星敏感器地面实验提供可见光范围的背景光。

附图说明

图1是本发明的结构及发光面分割方式示意图；

图2是本发明的发光单元的结构示意图；

图3是实验过程地球模拟器发光面和测试点位置关系赤道面示意图；

图4是实际观测过程卫星观测点和地球位置关系赤道面示意图；

图5是θ′₁和θ′₂的计算过程示意图；

附图标号说明：

1-带槽圆螺母M6；2-发光单元底座；3-PCB印制电路板；4-发光单元前壳体；5-固定支架；6-发光面。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器，用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器包括固定支架以及设置在固定支架5上的发光面；发光面6由多个发光单元沿经纬方向拼接形成；拼接形成的发光面是球面半径为R的1/4内球面。

参见图2，本发明所采用的发光单元包括发光单元底座2、PCB印制电路板3、发光单元前壳体4以及LED灯珠；发光单元前壳体是中空的椎体；发光单元底座插入固定支架上并与固定支架固定连接；LED灯珠通过PCB印制电路板插入发光单元底座中；发光单元前壳体套装在LED灯珠并与发光单元底座固定连接；发光单元前壳体的内壁上设置有防反光层。

发光单元还包括设置在发光单元底座上的带槽圆螺母M61；发光单元底座插入固定支架上后，带槽圆螺母M6与发光单元底座螺纹连接。

LED灯珠是暖白色LED灯珠。

发光面的球面半径为R是1300mm。

用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器的外表面涂覆有用于减小表面反光率的黑色膜；用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器的外表面的反光率不高于10％。

一种基于如前所述的用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器在地球同步卫星图像中截取目标范围且进行图像变换的方法，方法包括以下步骤：

1)根据观测高度计算用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器的发光面中的每个发光单元的经纬度覆盖范围；

2)根据用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器的发光面中的每个发光单元的经纬度覆盖范围，确定每个发光单元的辐亮度值；

3)根据每个发光单元的辐亮度值生成图像。

步骤1)的具体实现方式是：

根据地球模拟器发光面和测试点之间的位置关系确定每个发光单元相对于测试点的张角；测试点位于发光面的球心位置；每个发光单元相对于测试点的张角θ_n是：

θ_n＝l_n/R；

其中：

R是球面半径；

ln是每个发光单元的尺寸。

步骤2)的具体实现方式是：在已有的卫星图像库文件中读取该经纬度范围内所有像素的辐亮度值，计算所有像素辐亮度值的平均值，将所有像素辐亮度值的平均值作为该发光单元的辐亮度值；重复以上过程，计算出地球模拟器发光中每个发光单元的辐亮度值。

步骤3)的具体实现方式是：

根据每个发光单元的辐亮度值计算每个发光单元的灰度值，公式如下：

$\mathrm{Gr}=\mathrm{Round}(R_n\×\frac{\mathrm{Gm}}{\mathrm{Rm}})$

其中：每个发光单元的灰度值取值范围为0～Gm，每个发光单元的辐射亮度取值范围是0～Rm(W/m²·sr)；

Rn是地球模拟器发光中每个发光单元的辐亮度值。

一种用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器，其发光面实现步骤如下：

1)在1/4内球面上确定每个LED像素的位置，LED像素间距在安装允许的情况下做到最小。

2)按附图1所示将1/4球面分割成小球面，每个小球面采用铝型材冲压而成，其半径均为1300mm；

3)在每个小球面上按步骤1)中确定的像素位置，加工LED安装孔；

4)附图2)所示的LED遮光装置，通过特制的模具，采用塑料材质制成；

5)由LED遮光装置、LED安装印制板和LED共同组成发光单元，并固定在小球面上；

6)将小球面安装到有钢架结构和铝型材组成的固定支架上，重新拼接成1/4球面。

一种用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器，其模拟过程实现步骤如下：

1)模拟器中的发光面的控制系统采用户外LED显示屏的控制方案，并采用独立的控制计算机。

2)地球模拟器控制计算机用具有两个以上视频接口的独立显卡，同时连接模拟器发光面控制系统和计算机显示器；

3)地球模拟器控制计算机中具有控制软件，软件功能包括：根据输入参数(包括：在轨经度、在轨纬度、轨道高度、星敏感器光轴方位角和俯仰角)在地球同步卫星图像中截取目标范围，进行图像变换，最终在地球模拟器发光面和计算机显示器中同时显示。

4)标定地球模拟器发光面的驱动电流，使地球模拟器发光面的辐亮度和预设辐亮度一致。

5)模拟器发光面显示的图像和控制计算机显示器上一部分区域内容同步；

其中在模拟过程实现步骤3)中涉及的图像变换方法如下：

第一，根据观测高度，计算地球模拟器发光面中的每个发光单元的经纬度覆盖范围，计算过程如下：

如图3是地球模拟器发光面和测试点之间的位置关系。测试点位于球面的球心位置，球面半径为R，而地球模拟器发光面中每个发光单元的尺寸是已知的。所以根据图中的几何关系，每个发光单元相对于测试点的张角θ_n为θ_n＝l_n/R。

如图4所示是卫星观测点和地球之间在赤道面上的位置关系。在真实太空环境中，当观测点距地高度(即在轨高度)为h₁，且观察张角为θ₁时，在观测点正下方对应的地面观测目标尺寸为L₁(如图5所示)，根据几何关系地面尺寸L₁的经纬度张角θ′₁和θ₁的关系如下：

${\mathrm{\θ}}_1^{\′}=\frac{h_1}{R}\×{\mathrm{\θ}}_1---\left(1\right)$

对于下一个相邻观察目标，当观察张角为θ₂时，对应的地面观察目标尺寸为L₂，根据图5中的几何关系，利用△OMB可以计算观测距离h₂，计算公式如下：

$h_2=\left|\mathrm{MO}\right|\cos \mathrm{\θ}-\sqrt{R^2-{\left|\mathrm{MO}\right|}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

其中：|MO|＝R+h₂，θ＝(θ1+θ2)/2

再利用△MAB，可以计算弦|AB|长度，公式如下：

$\left|\mathrm{AB}\right|=\sqrt{h_1^2+h_2^2-{2h}_1{h}_2\cos \mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

再利用△OAB，可以计算θ′，公式如下：

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\arccos \frac{{2R}^2-{\left|\mathrm{AB}\right|}^2}{{2R}^2}---\left(4\right)$

将(3)式代入(4)式，如下：

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\mathrm{arc}\cos \frac{{2R}^2-h_1^2-h_2^2+{2h}_1{h}_2\cos \mathrm{\θ}}{{2R}^2}---\left(5\right)$

根据几何关系得出θ′₂的值如下式：

${\mathrm{\θ}}_2^{\′}=2(\mathrm{\θ}-\frac{{\mathrm{\θ}}_1^{\′}}{2})---\left(6\right)$

迭代(1)～(6)式的计算过程，可以计算出地球模拟器发光面中的每个发

光单元的经纬度覆盖范围。

第二，根据地球模拟器发光面中的每个发光单元的经纬度覆盖范围，确定每个发光单元的辐亮度值。过程如下：

计算得出某个发光单元所覆盖的纬度范围后，在已有的卫星图像库文件中读取该经纬度范围内所有像素的辐亮度值，计算所有像素辐亮度值的平均值，将其作为该发光单元的辐亮度值。重复以上过程，计算出地球模拟器发光中每个发光单元的辐亮度值。

最后，根据每个发光单元的辐亮度计算器灰度值并生成图像。过程如下：

地球模拟器每个发光单元的灰度值取值范围为0～Gm，而其辐射亮度取值范围是0～Rm(W/m²·sr)。根据每个发光单元的辐亮度计算其灰度值，公式如下：

$\mathrm{Gr}=\mathrm{Round}(R_n\×\frac{\mathrm{Gm}}{\mathrm{Rm}})---\left(1\right)$

Claims (10)

1.一种用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器，其特征在于：所述用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器包括固定支架以及设置在固定支架上的发光面；所述发光面由多个发光单元沿经纬方向拼接形成；拼接形成的发光面是球面半径为R的1/4内球面。

2.根据权利要求1所述的用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器，其特征在于：所述发光单元包括发光单元底座、PCB印制电路板、发光单元前壳体以及LED灯珠；所述发光单元前壳体是中空的椎体；所述发光单元底座插入固定支架上并与固定支架固定连接；所述LED灯珠通过PCB印制电路板插入发光单元底座中；所述发光单元前壳体套装在LED灯珠并与发光单元底座固定连接；所述发光单元前壳体的内壁上设置有防反光层。

3.根据权利要求2所述的用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器，其特征在于：所述发光单元还包括设置在发光单元底座上的带槽圆螺母M6；所述发光单元底座插入固定支架上后，所述带槽圆螺母M6与发光单元底座螺纹连接。

4.根据权利要求3所述的用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器，其特征在于：所述LED灯珠是暖白色LED灯珠。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器，其特征在于：所述发光面的球面半径为R是1300mm。

6.根据权利要求5所述的用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器，其特征在于：所述用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器的外表面涂覆有用于减小表面反光率的黑色膜s；所述用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器的外表面的反光率不高于10％。

7.一种基于如权利要求6所述的用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器在地球同步卫星图像中截取目标范围且进行图像变换的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)根据观测高度计算用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器的发光面中的每个发光单元的经纬度覆盖范围；

2)根据用于星敏感器地面实验的可见光地球辐亮度模拟器的发光面中的每个发光单元的经纬度覆盖范围，确定每个发光单元的辐亮度值；

3)根据每个发光单元的辐亮度值生成图像。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤1)的具体实现方式是：

根据地球模拟器发光面和测试点之间的位置关系确定每个发光单元相对于测试点的张角；所述测试点位于发光面的球心位置；所述每个发光单元相对于测试点的张角θ_n是：

θ_n＝l_n/R；

其中：

R是球面半径；

ln是每个发光单元的尺寸。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤2)的具体实现方式是：在已有的卫星图像库文件中读取该经纬度范围内所有像素的辐亮度值，计算所有像素辐亮度值的平均值，将所有像素辐亮度值的平均值作为该发光单元的辐亮度值；重复以上过程，计算出地球模拟器发光中每个发光单元的辐亮度值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤3)的具体实现方式是：

根据每个发光单元的辐亮度值计算每个发光单元的灰度值，公式如下：

$\mathrm{Gr}=\mathrm{Round}(R_n\×\frac{\mathrm{Gm}}{\mathrm{Rm}})$

其中：每个发光单元的灰度值取值范围为0～Gm，每个发光单元的辐射亮度取值范围是0～Rm(W/m²·sr)；

Rn是地球模拟器发光中每个发光单元的辐亮度值。