CN105067115B - 利用狭缝型成像光谱仪进行地基对月观测的方法 - Google Patents

Abstract

利用狭缝型成像光谱仪进行地基对月观测的方法，属于地基对月观测领域，解决了现有地基对月观测方法存在的对跟踪定位精度要求极高且无法获得高光谱分辨率的月球连续光谱图像的问题。该方法为：根据月球运动轨迹模拟软件得到月球的运动轨迹和运动角速度，将狭缝型成像光谱仪指向月球边缘后固定不动并连续采集月球光谱图像，由于月球的相对运动，整个月球依次进入狭缝型成像光谱仪的视场后进行月球光谱图像探测，将得到的一系列月球长条形光谱图像进行拼接得到整个月球光谱图像信息。本发明采用低精度的跟踪定位二维转台将狭缝型成像光谱仪固定指向某一位置，克服了对现有方法跟踪精度要求极高的难题，最终可以获得高光谱分辨率的月球连续光谱图像。

Description

利用狭缝型成像光谱仪进行地基对月观测的方法

技术领域

本发明属于地基对月观测技术领域，具体涉及一种利用狭缝型成像光谱仪进行地基对月观测的方法。

背景技术

定量的空间遥感绝对测量(被测的量可以从仪器上直接读出数值)的挑战之一就是长期监测仪器响应变化，与标准源比较是一种监测变化的方法。如果可以利用一个合适的辐射特性已知的天然星体，则是一个非常有价值的定标源。月球是唯一一个包含在地球轨道上绝大多数成像光谱仪动态范围内的天然星体，被称作“solar diffuser”，非常稳定，月球表面有极好的辐射稳定性，一旦准确地确定出月球光谱辐射亮度随相位角和天平动角的变化关系，就可以将月球用作仪器的长期定标源。

目前国内外都开展了大量的地基对月观测，大多采用滤光片型成像光谱仪进行地基对月观测。由于滤光片型成像光谱仪工作原理所致，其观测视场受到狭缝限制，通常狭缝长度方向的视场角为几度，狭缝宽度方向的视场角为几十角秒甚至十几角秒，而整个月球对地球上观测点的视场角约为0.5°，每次利用滤光片型成像光谱仪对月球进行观测时均为月亮圆盘中的一个长条，因此，采用滤光片型成像光谱仪的地基对月观测方法只能得到离散的月球光谱图像数据，不能得到月球的高光谱分辨率的连续光谱图像数据，也就不能通过计算获得月球的连续光谱辐射亮度信息，必须通过对月球多次跟踪扫描观测才能拼接得到完整的月球光谱图像。为了保证拼接的月球光谱图像的准确性和精度，对跟踪精度提出了更高的要求，因此，一系列月球的长条形光谱图像数据的定位误差必须比滤光片型成像光谱仪狭缝宽度方向视场角小1～2个数量级，因而要求滤光片型成像光谱仪测量时的对月跟踪和定位精度要求优于1角秒，这对跟踪转台的设计和加工以及算法开发都提出了极为苛刻的条件，即使能开发出这种跟踪转台也需要极大的物力、人力和时间等研制成本。

发明内容

为了解决现有地基对月观测方法存在的对跟踪定位精度要求极高且无法获得高光谱分辨率的月球连续光谱图像的问题，本发明提供一种利用狭缝型成像光谱仪进行地基对月观测的方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的利用狭缝型成像光谱仪进行地基对月观测的方法，通过地基对月观测装置实现，包括以下步骤：

步骤Ⅰ：利用月球运动轨迹模拟软件计算出月球相对于地球某点在某一观测时间段内的运动轨迹及运动角速度；

步骤Ⅱ：根据步骤Ⅰ中计算得到的月球运动轨迹，在观测开始时刻，利用跟踪定位二维转台控制狭缝型成像光谱仪的观测视场指向月球右边缘区域后驻留；

步骤Ⅲ：根据步骤Ⅰ中计算得到的月球运动角速度、狭缝型成像光谱仪狭缝宽度方向的视场角、狭缝型成像光谱仪的信噪比以及月球光谱图像无缝拼接要求，利用月球运动轨迹模拟软件计算狭缝型成像光谱仪的积分时间，设定积分时间，狭缝型成像光谱仪开始连续探测月球光谱图像，利用月球的相对运动，整个月球的右边缘区域至左边缘区域依次进入狭缝型成像光谱仪的观测视场，得到一系列月球各区域的长条形光谱图像数据；

步骤Ⅳ：在狭缝型成像光谱仪对月球进行连续探测的同时，利用与狭缝型成像光谱仪共光轴安装的月球成像仪同步记录月球运动轨迹；

步骤Ⅴ：利用计算机控制及采集系统对得到的一系列月球各区域的长条形光谱图像进行拼接和重采样处理，获得整个月球的高光谱分辨率的连续光谱图像数据，进而根据狭缝型成像光谱仪的光谱辐亮度响应度计算得到整个月球在各空间位置的连续光谱辐射亮度信息。

进一步的，所述地基对月观测装置包括：

跟踪定位二维转台，计算机控制及采集系统，安装在计算机控制及采集系统中的月球运动轨迹模拟软件，安装在跟踪定位二维转台上且与计算机控制及采集系统电连接的狭缝型成像光谱仪，安装在跟踪定位二维转台上且与计算机控制及采集系统电连接的月球成像仪；所述狭缝型成像光谱仪和月球成像仪共光轴。

进一步的，所述跟踪定位二维转台的俯仰运动范围为±50°，方位运动范围为360°，最大载重为50kg，通过程控自动跟踪星体，定位精度优于30角秒。

进一步的，所述狭缝型成像光谱仪工作波段覆盖400nm～1000nm，积分时间根据月球运动角速度、狭缝型成像光谱仪狭缝宽度方向的视场角、狭缝型成像光谱仪的信噪比以及月球光谱图像无缝拼接要求进行确定，保证狭缝型成像光谱仪的信噪比大于100。

进一步的，所述月球成像仪由望远镜和CCD探测器组成，所述CCD探测器像元尺寸为5.2μm×5.2μm，有效像元数为1280×1024。

进一步的，所述月球成像仪的焦距为218mm，视场角为1.75°×1.4°，月亮直径对应图像中的像元数为366。

进一步的，所述月球运动轨迹模拟软件采用SAMPA。

本发明的有益效果是：

1、本发明的地基对月观测的方法中利用月球运动轨迹模拟软件计算得到月球的运动轨迹和运动角速度，将狭缝型成像光谱仪指向月球右边缘区域后固定不动并连续采集月球光谱图像，由于月球的相对运动，整个月球依次进入狭缝型成像光谱仪的观测视场后进行月球光谱图像探测；采用狭缝型成像光谱仪，可同时获得月球的空间信息和光谱信息，通过拼接可以获得高光谱分辨率的月球连续光谱图像，根据狭缝型成像光谱仪的辐亮度响应度计算得到整个月球各空间位置的连续光谱辐射亮度信息，并且各光谱辐射信息同时完成探测，有效提高了观测效率和观测数据的质量。

2、本发明的地基对月观测的方法回避了跟踪扫描方法对跟踪精度要求极高、转台难以实现或即便能够实现转台研制成本极高等难题，只需要低精度的跟踪定位二维转台将狭缝型成像光谱仪固定指向某一位置，克服了跟踪扫描方法的跟踪精度要求极高的难题。

3、本发明的地基对月观测的方法中，通过获得的月球的连续光谱辐射亮度信息就可以准确地确定出月球光谱辐射亮度随相位角和天平动角的变化关系，就可以将月球作为仪器的长期定标源。

附图说明

图1为本发明所采用的利用狭缝型成像光谱仪进行地基对月观测的装置的结构示意图。

图2为本发明的利用狭缝型成像光谱仪进行地基对月观测的方法的原理示意图。

图中：1、跟踪定位二维转台，2、狭缝型成像光谱仪，3、月球成像仪，4、计算机控制及采集系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本发明的利用狭缝型成像光谱仪进行地基对月观测的方法，主要是通过以下步骤实现的：

步骤Ⅰ：本发明的方法中，所采用的地基对月观测装置如图1所示，主要由跟踪定位二维转台1、狭缝型成像光谱仪2、月球成像仪3、计算机控制及采集系统4组成。狭缝型成像光谱仪2和月球成像仪3都安装在跟踪定位二维转台1上，并且狭缝型成像光谱仪2和月球成像仪3共光轴安装；狭缝型成像光谱仪2和月球成像仪3都与计算机控制及采集系统4电连接，计算机控制及采集系统4中安装有月球运动轨迹模拟软件。

步骤Ⅱ：启动计算机控制及采集系统4中的月球运动轨迹模拟软件，利用月球运动轨迹模拟软件精确地计算出月球相对于地球某点(根据观测需要自行设定即可)在某一观测时间段内(根据观测需要自行设定即可)的运动轨迹及运动角速度。

由于月球运动轨迹模拟算法已经非常成熟，很容易通过相关月球运动轨迹模拟软件(例如SAMPA)精确地计算出月球相对于地球某点在某一观测时间段内的运动轨迹及运动角速度。

步骤Ⅲ：根据步骤Ⅱ中计算得到的月球运动轨迹，在观测开始时刻，利用低精度的跟踪定位二维转台1控制狭缝型成像光谱仪2的观测视场指向月球右边缘区域后驻留，然后固定狭缝型成像光谱仪2。

步骤Ⅳ：根据步骤Ⅱ中计算得到的月球运动角速度、狭缝型成像光谱仪2狭缝宽度方向的视场角、狭缝型成像光谱仪2的信噪比以及月球光谱图像无缝拼接要求，利用计算机控制及采集系统4中的月球运动轨迹模拟软件计算狭缝型成像光谱仪2的积分时间，设定积分时间，同时通过计算机控制及采集系统4控制狭缝型成像光谱仪2开始连续进行月球光谱图像探测，由于月球的相对运动，整个月球的右边缘区域至左边缘区域依次进入狭缝型成像光谱仪2的观测视场，实现对整个月球各区域的推扫，得到一系列月球各区域的长条形光谱图像数据，并回传给计算机控制及采集系统4。

步骤Ⅴ：在狭缝型成像光谱仪2对月球进行连续探测时，通过计算机控制及采集系统4控制月球成像仪3同步记录月球运动轨迹，实现在对月球的实时跟踪监测。在该过程中，首先要保证成像光谱仪和月球成像仪共光轴，利用月球成像仪3同步记录的月球运动轨迹可有效降低狭缝型成像光谱仪2狭缝视场拼接的误差，进而获得较高精度的月球光谱图像。

步骤Ⅵ：利用计算机控制及采集系统4对得到的一系列月球各区域的长条形光谱图像进行拼接和重采样处理，最终获得整个月球的高光谱分辨率的连续光谱图像数据，进而根据狭缝型成像光谱仪2的光谱辐亮度响应度计算得到整个月球在各空间位置的连续光谱辐射亮度信息。通过上述获得的月球的连续光谱辐射亮度信息就可以准确地确定出月球光谱辐射亮度随相位角和天平动角的变化关系，就可以将月球作为仪器的长期定标源。

本实施方式中，所说的跟踪定位二维转台1的俯仰运动范围为±50°，方位运动范围为360°，最大载重为50kg，可以通过程控自动跟踪星体，定位精度优于30角秒。

本实施方式中，为获得高精度的地基对月观测数据，应确保整个装置工作期间远离震动源，狭缝型成像光谱仪2工作波段覆盖400nm～1000nm，积分时间根据月球运动角速度、狭缝型成像光谱仪2狭缝宽度方向的视场角、狭缝型成像光谱仪2的信噪比以及月球光谱图像无缝拼接要求进行确定，应保证狭缝型成像光谱仪2的信噪比大于100。

本实施方式中，为了跟踪监测月球在狭缝型成像光谱仪2测量过程中的运动轨迹，本发明利用月球成像仪3同步记录月球运动轨迹。月球成像仪3由望远镜和CCD探测器构成，CCD探测器像元尺寸为5.2μm×5.2μm，有效像元数为1280×1024。月球成像仪3的焦距为218mm，视场角为1.75°×1.4°，月亮直径对应图像中的像元数为366。

本发明中，由于狭缝型成像光谱仪2的观测视场是由其狭缝决定，通常狭缝长度方向的视场角为几度，狭缝宽度方向的视场角仅为几十角秒甚至十几角秒，而月球对地张角约0.5°，为获得月球光谱图像，必须依赖跟踪定位二维转台1对月球推扫，通过图像拼接的方式合成月球光谱图像；同时，又由于月球在观测期间处于运动状态，跟踪定位二维转台1需要同步对月球进行跟踪和定位。为了保证多幅拼接的月球光谱图像的准确性和精度，要求跟踪定位二维转台1对月球跟踪和定位的精度优于1角秒。经实验验证，本发明的利用狭缝型成像光谱仪进行地基对月观测的装置能够满足地基对月观测需求，可获得高分辨率月球连续光谱图像以及通过计算得到整个月球的连续光谱辐射亮度信息。

Claims (6)

1.利用狭缝型成像光谱仪进行地基对月观测的方法，通过地基对月观测装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤Ⅰ：利用月球运动轨迹模拟软件计算出月球相对于地球某点在某一观测时间段内的运动轨迹及运动角速度；

步骤Ⅱ：根据步骤Ⅰ中计算得到的月球运动轨迹，在观测开始时刻，利用跟踪定位二维转台(1)控制狭缝型成像光谱仪(2)的观测视场指向月球右边缘区域后驻留；

步骤Ⅲ：根据步骤Ⅰ中计算得到的月球运动角速度、狭缝型成像光谱仪(2)狭缝宽度方向的视场角、狭缝型成像光谱仪(2)的信噪比以及月球光谱图像无缝拼接要求，利用月球运动轨迹模拟软件计算狭缝型成像光谱仪(2)的积分时间，设定积分时间，狭缝型成像光谱仪(2)开始连续探测月球光谱图像，利用月球的相对运动，整个月球的右边缘区域至左边缘区域依次进入狭缝型成像光谱仪(2)的观测视场，得到一系列月球各区域的长条形光谱图像数据；

步骤Ⅳ：在狭缝型成像光谱仪(2)对月球进行连续探测的同时，利用与狭缝型成像光谱仪(2)共光轴安装的月球成像仪(3)同步记录月球运动轨迹；

步骤Ⅴ：利用计算机控制及采集系统(4)对得到的一系列月球各区域的长条形光谱图像进行拼接和重采样处理，获得整个月球的高光谱分辨率的连续光谱图像数据，进而根据狭缝型成像光谱仪(2)的光谱辐亮度响应度计算得到整个月球在各空间位置的连续光谱辐射亮度信息；

所述地基对月观测装置包括：

跟踪定位二维转台(1)，计算机控制及采集系统(4)，安装在计算机控制及采集系统(4)中的月球运动轨迹模拟软件，安装在跟踪定位二维转台(1)上且与计算机控制及采集系统(4)电连接的狭缝型成像光谱仪(2)，安装在跟踪定位二维转台(1)上且与计算机控制及采集系统(4)电连接的月球成像仪(3)；所述狭缝型成像光谱仪(2)和月球成像仪(3)共光轴。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述跟踪定位二维转台(1)的俯仰运动范围为±50°，方位运动范围为360°，最大载重为50kg，通过程控自动跟踪星体，定位精度优于30角秒。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述狭缝型成像光谱仪(2)工作波段覆盖400nm～1000nm，积分时间根据月球运动角速度、狭缝型成像光谱仪(2)狭缝宽度方向的视场角、狭缝型成像光谱仪(2)的信噪比以及月球光谱图像无缝拼接要求进行确定，保证狭缝型成像光谱仪(2)的信噪比大于100。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述月球成像仪(3)由望远镜和CCD探测器组成，所述CCD探测器像元尺寸为5.2μm×5.2μm，有效像元数为1280×1024。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述月球成像仪(3)的焦距为218mm，视场角为1.75°×1.4°，月亮直径对应图像中的像元数为366。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述月球运动轨迹模拟软件采用SAMPA。