CN107101807A - 一种空间光学相机光谱辐射响应函数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学遥感技术领域，具体涉及一种空间光学相机光谱辐射响应函数测量装置及方法，测量装置包括大动态范围辐亮度可调积分球光源、标准滤光辐亮度计、电控三维位移台和处理计算机，通过改变卫星球的光阑孔径实现对输入到积分球内的光通量的精确控制，采用多个卫星球与主积分球级联技术，可大大增加亮度的调节范围，利用溯源于低温辐射计的标准滤光辐亮度计，实现大动态范围辐亮度可调积分球光源辐亮度准确标定，利用比对法实现空间相机光谱辐射响应函数的高精度测量。

Description

一种空间光学相机光谱辐射响应函数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学遥感技术领域，具体涉及一种空间光学相机光谱辐射响应函数测量装置及方法。

背景技术

空间光学相机是空间光学遥感技术领域重要的光电载荷之一，它可以搭载在各种飞行器上，在可见光到短波红外不受疆域的限制从空中对军事设施、战略武器的发展、冲突和危机地区的军事态势变化进行拍照监测。空间光学相机也可广泛应用于精确制图、城市规划、土地利用、资源管理、环境监测和地理信息服务等民用领域，促进国民经济的发展。

空间光学相机光谱辐射响应函数是指相机记录的信号输出与入瞳处辐亮度的比值。通过光谱辐射响应函数可分析计算得到空间光学相机的动态范围和线性，因此空间光学相机的光谱响应函数是光学遥感图像融合方法的基础。

目前，空间光学相机的光谱辐射响应函数测试定标用光源通常是积分球光源，通过计算机控制卤钨灯点亮的个数实现光辐射亮度由小到大逐级发生变化，先用校准过的光谱辐射计测出积分球输出口每一级的光辐射亮度值，再由空间光学相机测出每一级的光辐射亮度值，然后通过与标准光谱辐射计的比较计算出被定标相机的光谱辐射响应函数。而目前国内对定标装置中的光谱辐射计定标普遍采用辐照度标准灯和漫反射白板的方法。这种方法传递链长，测量不确定度较大，同时由于动态范围小而无法满足空间光学相机光谱辐射响应函数高精度校准的需求。另外，国外一些公司的亮度可调积分球光源，由于采用手动调节狭缝的宽度实现对亮度的调节，通过监视探测器的光电流输出监测积分球的输出光谱辐亮度的变化，监视探测器电流变化难以准确反映被测空间光学相机入瞳面处光谱辐亮度变化情况，同时难以保证多次测量的重复性。

发明内容

本发明提出一种空间光学相机光谱辐射响应函数测量装置和方法，解决空间相机光谱辐射响应函数测量时存在动态范围小、测量精度较低的问题；采用积分球级联技术和精密孔径变换技术，建立了高重复性、大动态范围亮度可调积分球光源，实现一种测量简单、方便的空间相机光谱辐射响应函数测量方法。

本发明的一种空间光学相机光谱辐射响应函数测量装置，包括大动态范围辐亮度可调积分球光源、标准滤光辐亮度计、电控三维位移台和处理计算机；

所述大动态范围辐亮度可调积分球光源产生测试所需的不同辐亮度条件下均匀漫射光束，沿所述大动态范围辐亮度可调积分球光源输出光束的方向一定距离处放置所述标准滤光辐亮度计，所述电控三维位移台用于保证所述标准滤光辐亮度计与被测空间光学相机在测量时的位置保持一致，所述标准滤光辐亮度计、电控位移台的信号输出端与所述处理计算机的信号输入端连接。

作为优选，所述大动态范围辐亮度可调积分球光源包括主积分球、卫星球、卤钨灯光源、精密可调光阑、高稳程控电源及控制系统；所述卤钨灯光源、卫星球和精密可调光阑包括多组，每组所述卤钨灯光源输出的光束经卫星球匀光后通过所述卫星球与所述主积分球之间的精密可调光阑，入射到所述主积分球。主积分球的辐亮度变化通过改变卫星球的光阑孔径实现对输入到积分球内的光通量的精确控制，为满足绝对辐亮度的要求，采用多个卫星球与主积分球级联技术，大大增加亮度的调节范围。

作为优选，所述精密可调光阑为设置有多个通光孔的金属转盘，所述金属转盘可精确定位，所述多个通光孔的大小成一定比例。这些按一定大小比例排列的通光孔的直径可精确测出，另一方面由于这些圆孔刻在金属上，性能非常稳定。

作为优选，所述卤钨灯光源、卫星球和精密可调光阑的组数为3组，所述每个精密可调光阑上设置有6个不同孔径大小的通光孔。

作为优选，所述精密可调光阑通过伺服电机精确驱动。所述伺服电机连接有编码器，调节精度高，提高了积分球光源亮度测试的重复性和精度，积分球输出口的亮度具有非常好的重复性。

作为优选，所述标准滤光辐亮度计为多通道滤光片式。

空间相机光谱辐射响应函数测量的原理如下：

空间光学相机的每个像元输出S与其接收的光亮度L之间的关系可以用泰勒级数公式描述为

S＝S₀+R₁·L+R₂·L²+R₃·L³+…R_n·Lⁿ

其中，S₀是空间光学相机在输入光束为零的条件下的信号输出(即暗信号输出)，R₁是空间光学相机的线性响应系数，通常称为辐亮度响应度，R₂，R₃，……，R_n为二次以上的高次响应系数。

空间光学相机通常采用面阵探测器，设其面阵探测器像元数为m×n，每个像元的输出信号值可以认为是矩阵上对应的一个元素，因此空间光学相机输出的信号值可以用一个m×n的矩阵来表述，空间光学相机的暗信号、线性响应系数、高次响应系数同样可以用m×n的矩阵来表述，因此空间光学相机的光谱辐射响应函数，即可以用“辐亮度响应函数矩阵”来表示：

其中，各矩阵定义如下：

为空间光学相机输出信号矩阵，S_i,j为空间光学相机探测器第i行第j列像元的输出信号值；

为空间光学相机输出暗信号矩阵，为空间光学相机探测器第i行第j列像元的背景噪声输出值；

为空间光学相机线性响应系数矩阵，为空间光学相机探测器第i行第j列像元的线性响应系数；

为空间光学相机非线性响应系数矩阵，其中n≥2，为空间光学相机探测器第i行第j列像元的非线性响应系数；

一种空间相机光谱辐射响应函数测量方法，包括如下步骤：

步骤一：设定大动态范围辐亮度可调积分球光源出射辐亮度；

打开卤钨灯光源电源，设置一组主积分球与卫星球之间固定光阑盘，通过主积分球壳体上的监测探测器输出光电流变化对积分球出射辐亮度进行监测，直到稳定不变；

步骤二：标准滤光辐亮度计进行积分球光源出射信号测量；

通过电控三维位移台把标准滤光辐亮度计移入测试位置，使其光轴对准积分球开口中心，并且充满视场，记录标准滤光辐亮度计不同通道的输出信号S₀(λ)；

步骤三：计算得到积分球光源出射辐亮度大小；

标准滤光辐亮度计的辐亮度响应度R₀(λ)通过标准探测器法量传得到，作为已知标准，因此可以计算得到此种条件下积分球光源出射光谱辐亮度为

步骤四：被测空间光学相机输出信号测量；

通过电控三维位移台把被测空间光学相机移入测试位置，使其光轴对准积分球开口中心，并且充满视场，记录被测空间光学相机的输出信号S(λ)；

步骤五：不同辐亮度条件下的空间光学相机信号测量；

重新设置积分球与卫星球之间固定光阑的大小，改变积分球开口处的光辐亮度，重复步骤二、三、四，得到一组不同积分球光亮度条件的测试数据

步骤六：被测空间相机光谱辐射响应函数的计算；

采用多项式回归分析方法对步骤五中测试数据进行处理，可以计算得到空间相机光谱辐射响应函数，即：

暗信号矩阵：

线性响应系数矩阵：

非线性响应系数矩阵：

本发明的空间光学相机光谱辐射响应函数测量装置和方法，通过改变卫星球的光阑孔径实现对输入到积分球内的光通量的精确控制，采用多个卫星球与主积分球级联技术，可大大增加亮度的调节范围，利用溯源于低温辐射计的标准滤光辐亮度计，实现大动态范围辐亮度可调积分球光源辐亮度准确标定，利用比对法实现空间相机光谱辐射响应函数的高精度测量。与现有技术相比，本发明可以实现大范围、高重复性的光辐亮度的调节，同时基于建立的标准滤光辐亮度计，利用比对法实现被测空间相机光谱辐射响应函数的测量，大大提高测量精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明进行空间相机光谱辐射响应函数测试时的使用状态示意图；

图3为本发明的大动态范围幅亮度可调积分球光源结构示意图；

图4为本发明的精密可调光阑结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：

如图1、2所示，本实施例的空间光学相机光谱辐射响应函数测量装置，包括大动态范围辐亮度可调积分球光源1、标准滤光辐亮度计2、电控三维位移台3和处理计算机4；

所述大动态范围辐亮度可调积分球光源1产生测试所需的不同辐亮度条件下均匀漫射光束，沿所述大动态范围辐亮度可调积分球光源1输出光束的方向一定距离处放置所述标准滤光辐亮度计2，所述电控三维位移台3用于保证所述标准滤光辐亮度计2与被测空间光学相机5在测量时的位置保持一致，所述标准滤光辐亮度计2、电控位移台3的信号输出端与所述处理计算机4的信号输入端连接。

具体实施方式二：

如图3所示，本实施例中的大动态范围辐亮度可调积分球光源1包括主积分球11、卫星球12、卤钨灯光源13、精密可调光阑14、高稳程控电源及控制系统15；所述卤钨灯光源13、卫星球12和精密可调光阑14包括多组，每组所述卤钨灯光源13输出的光束经卫星球12匀光后通过所述卫星球12与所述主积分球11之间的精密可调光阑14，入射到所述主积分球11。

其中，主积分球11直径为500mm，外壳材料为铝合金设计，具有3个进光口，一个出光口直径为50mm，光谱范围为380nm-1000nm，主积分球11壁上有三个卫星球12，内置有卤钨灯光源13，功率大小为150W，均由高稳程控电源及控制系统15控制，在主积分球11和卫星球12之间有精密可调光阑14，可以控制积分球出射辐亮度。其它组成和步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

如图4所示，本实施例中的精密可调光阑14上不同位置处的通光孔16口径为固定大小设计，每个转盘上有6个不同孔径大小的通光孔，3个转盘上的孔径大小都不重复，可实现1-216级光辐亮度的调节。其它组成和步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：

如图4所示，本实施例中的标准滤光辐亮度计为多通道滤光片式，滤光片波长点位405nm、488nm、514.5nm、532nm、632.8nm、785nm、808nm、830nm、905nm、980nm，光谱带宽小于10nm，溯源于低温辐射计，降低测量不确定度。其它组成和步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：

本实施例公开了一种空间相机光谱辐射响应函数测量方法，包括如下步骤：

步骤一：设定大动态范围辐亮度可调积分球光源出射辐亮度；

打开卤钨灯光源电源13，设置一组主积分球11与卫星球12之间精密可调光阑14的固定光阑盘，通过主积分球11壳体上的监测探测器输出光电流变化对积分球出射辐亮度进行监测，直到稳定不变；

步骤二：标准滤光辐亮度计2进行积分球光源出射信号测量；

通过电控三维位移台3把标准滤光辐亮度计2移入测试位置，使其光轴对准主积分球11开口中心，并且充满视场，记录标准滤光辐亮度计2不同通道的输出信号S₀(λ)；

步骤三：计算得到积分球光源出射辐亮度大小；

标准滤光辐亮度计2的辐亮度响应度R₀(λ)通过标准探测器法量传得到，作为已知标准，因此可以计算得到此种条件下积分球光源出射光谱辐亮度为

步骤四：被测空间光学相机5输出信号测量；

通过电控三维位移台3把被测空间光学相机5移入测试位置，使其光轴对准主积分球11开口中心，并且充满视场，记录被测空间光学相机的输出信号S(λ)；

步骤五：不同辐亮度条件下的空间光学相机信号测量；

重新设置主积分球11与卫星球12之间精密可调光阑14的大小，改变主积分球11开口处的光辐亮度，重复步骤二、三、四，得到一组不同积分球光亮度条件的测试数据

步骤六：被测空间光学相机5光谱辐射响应函数的计算；

采用多项式回归分析方法对步骤五中测试数据进行处理，可以计算得到空间光学相机5光谱辐射响应函数，即：

暗信号矩阵：

线性响应系数矩阵：

非线性响应系数矩阵：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应视为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种空间光学相机光谱辐射响应函数测量装置，其特征在于：包括大动态范围辐亮度可调积分球光源、标准滤光辐亮度计、电控三维位移台和处理计算机；

所述大动态范围辐亮度可调积分球光源产生测试所需的不同辐亮度条件下均匀漫射光束，沿所述大动态范围辐亮度可调积分球光源输出光束的方向一定距离处放置所述标准滤光辐亮度计，所述电控三维位移台用于保证所述标准滤光辐亮度计与被测空间光学相机在测量时的位置保持一致，所述标准滤光辐亮度计、电控位移台的信号输出端与所述处理计算机的信号输入端连接。

2.如权利要求1所述的一种空间光学相机光谱辐射响应函数测量装置，其特征在于：所述大动态范围辐亮度可调积分球光源包括主积分球、卫星球、卤钨灯光源、精密可调光阑、高稳程控电源及控制系统；所述卤钨灯光源、卫星球和精密可调光阑包括多组，每组所述卤钨灯光源输出的光束经卫星球匀光后通过所述卫星球与所述主积分球之间的精密可调光阑，入射到所述主积分球。

3.如权利要求1或2所述的一种空间光学相机光谱辐射响应函数测量装置，其特征在于：所述精密可调光阑为设置有多个通光孔的金属转盘，所述金属转盘可精确定位，所述多个通光孔的大小成一定比例。

4.如权利要求1-3中任一项所述的一种空间光学相机光谱辐射响应函数测量装置，其特征在于：所述卤钨灯光源、卫星球和精密可调光阑的组数为3组，所述每个精密可调光阑上设置有6个不同孔径大小的通光孔。

5.如权利要求1-4中任一项所述的一种空间光学相机光谱辐射响应函数测量装置，其特征在于：所述精密可调光阑通过伺服电机精确驱动。

6.如权利要求1-5中任一项所述的一种空间光学相机光谱辐射响应函数测量装置，其特征在于：所述标准滤光辐亮度计为多通道滤光片式。

7.一种空间相机光谱辐射响应函数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：设定大动态范围辐亮度可调积分球光源出射辐亮度；

打开卤钨灯光源电源，设置一组主积分球与卫星球之间固定光阑盘，通过主积分球壳体上的监测探测器输出光电流变化对积分球出射辐亮度进行监测，直到稳定不变；

步骤二：标准滤光辐亮度计进行积分球光源出射信号测量；

通过电控三维位移台把标准滤光辐亮度计移入测试位置，使其光轴对准主积分球开口中心，并且充满视场，记录标准滤光辐亮度计不同通道的输出信号S₀(λ)；

步骤三：计算得到积分球光源出射辐亮度大小；

标准滤光辐亮度计的辐亮度响应度R₀(λ)通过标准探测器法量传得到，作为已知标准，因此可以计算得到此种条件下积分球光源出射光谱辐亮度为

步骤四：被测空间光学相机输出信号测量；

通过电控三维位移台把被测空间光学相机移入测试位置，使其光轴对准主积分球开口中心，并且充满视场，记录被测空间光学相机的输出信号S(λ)；

步骤五：不同辐亮度条件下的空间光学相机信号测量；

重新设置主积分球与卫星球之间固定光阑的大小，改变主积分球开口处的光辐亮度，重复步骤二、三、四，得到一组不同积分球光亮度条件的测试数据

步骤六：被测空间相机光谱辐射响应函数的计算；

采用多项式回归分析方法对步骤五中测试数据进行处理，可以计算得到空间光学相机光谱辐射响应函数，即：

暗信号矩阵：

线性响应系数矩阵：

非线性响应系数矩阵：。