CN107144355B - 一种地球静止轨道大面阵相机大动态成像系统 - Google Patents

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Abstract

一种地球静止轨道大面阵相机大动态成像系统，通过积分时间连续可调解决相机大面阵大动态成像问题。该成像系统包括光学系统、可见光大面阵大动态成像模块、可见光积分时间调制模块、红外大面阵大动态成像模块、红外积分时间调制模块。光学系统将地面物体信息汇聚到可见光/红外大面阵大动态成像模块上，可见光/红外大面阵大动态成像模块对地面物体信息进大动态成像，可见光/红外积分时间调制模块对可见光/红外大面阵大动态成像模块的积分时间进行按需调整。

Description

一种地球静止轨道大面阵相机大动态成像系统
技术领域
本发明属于航天光学遥感技术领域，具体地，涉及一种地球静止轨道大面 阵相机大动态成像系统。
背景技术
地球静止轨道大面阵相机因为其轨道特点所带来的监测范围广、时间分辨 率高等特点可以为减灾、气象、地震、林业、海洋、国土、水利等多个行业的 应用提供遥感数据服务，目前已成为国内外未来对地观测技术发展的重要方向。
地球静止轨道相机具有积分时间不受速高比影响、积分时间可调的特点。 在地面景物亮度较小时，相机可以通过延长积分时间获取足够的能量，保证图 像有较高的信噪比。然而传统的选用大面阵CCD器件方案存在不具备抗饱和 溢出功能、需要机械快门配合成像、积分时间不能按需调整的不足。首先不具 备抗饱和溢出功能，为避免饱和溢出现象，积分时间只能按反照率最高的目标 (如云)来设置，使得反射率低的地面目标信噪比偏低，影响成像清晰度。其 次成像时需要高精度的机械快门，机械快门的工作时间长，是单点失效环节， 技术风险较大。再次受机械快门工作方式限制，积分时间只能设置为3档，不 能按成像条件灵活调整积分时间，用户无法获得不同成像条件下的高信噪比图 像。
此外，在相机多谱段成像时为了各谱段使用相同的积分时间，需对各谱段 的能量进行衰减，为保证信噪比延长了成像积分时间，成像时受卫星平台运动 及颤振影响加大。此外，在多谱段成像过程中，由于每个成像谱段的入瞳能量 不同，需要根据成像谱段设置不同的积分时间。成像时间段的不同、区域目标 反射特性的差异也需要采用不同的积分时间，因此相机需要具有每一次成像都 可以单独设置积分时间的能力。
综上，地球静止轨道(GEO)大面阵相机具有较高的时间分辨率和较大的 成像幅宽，但由于积分时间不能按需调整而导致相机成像的动态范围较小，无 法大范围获取不同光照和地物辐射条件下的可见光和红外图像。为同时满足高 时间分辨率、大成像幅宽和大面阵大动态范围的对地观测需求，提供一种切实 可行的地球静止轨道大面阵相机大面阵大动态成像系统成为本领域技术人员亟 待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提出一种地球静止轨 道大面阵相机大动态成像系统，利用光学系统配合积分时间连续可调的大面阵 探测器的技术方案，解决现有相机对高时间分辨率、大成像幅宽和大动态范围 难以兼顾的难题。
本发明的技术方案是：一种地球静止轨道大面阵相机大动态成像系统，包 括光学系统、可见光大面阵大动态成像模块、可见光积分时间调制模块、红外 大面阵大动态成像模块、红外积分时间调制模块；光学系统将来自地面物体信 息会聚在可见光大面阵大动态成像模块和红外大面阵大动态成像模块上可见光 大面阵大动态成像模块对地面物体信息的可见光信号进行大动态成像，由可见 光大面阵探测器及控制电路组成；可见光积分时间调制模块对可见光大面阵大 动态成像模块的积分时间进行按需调整；红外大面阵大动态成像模块对地面物 体信息的红外信号进行大动态成像，由红外大面阵探测器及控制电路组成；红 外积分时间调制模块对红外大面阵大动态成像模块的积分时间进行按需调整。
所述成像系统可见光大面阵探测器和红外大面阵探测器成在同一系统中， 均采用面阵凝视成像方式，探测器的积分时间可实现连续大范围调整，可同时 获得目标可见光和红外谱段大面阵大动态范围图像。
可见光大面阵探测器和红外大面阵探测器由全局电子快门和具有抗饱和溢 出能力的模块实现；所述全局电子快门使用电脉冲的宽度控制积分时间，抗饱 和溢出模块保证过曝光的像素不影响其周边相邻像素。
所述可见光积分时间调制模块对可见光大面阵大动态成像模块的积分时间 进行按需调整的策略为：积分时间设置范围为0.5ms～100ms，1ms以下积分 时间调整步长为0.1ms，1ms以上积分时间调整步长为1ms。
所述红外积分时间调制模块对红外大面阵大动态成像模块的积分时间进行 按需调整的策略为：积分时间设置范围为0.1ms～10ms，1ms以下积分时间调 整步长为0.1ms，1ms以上积分时间调整步长为1ms。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)采用积分时间连续可调的具有电子快门的可见光大面阵大动态成像模 块和红外大面阵大动态成像模块，配合可见光积分时间调制模块、红外积分时 间调制模块，实现了地球静止轨道大面阵相机大动态范围成像。该成像系统具 有在每一次成像时不同谱段都可以单独设置所需积分时间的功能。
(2)采用可见光大面阵大动态成像模块和红外大面阵大动态成像模块共系 统，可同时获取地球静止轨道可见光和红外谱段大动态范围图像。可见光大面 阵大动态成像模块和红外大面阵大动态成像模块分别选用积分时间可按需连续 调整的大面阵探测器。
附图说明
图1为根据本发明的基于积分时间连续可调的地球静止轨道大面阵相机大 动态成像系统组成示意图；
图2为本发明采用的可见光积分时间调制模块工作流程图；
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的基于积分时间连续可调的地 球静止轨道大面阵相机大动态成像系统做进一步详细的说明。
如图1所示，根据本发明的基于积分时间连续可调的地球静止轨道大面阵 相机大动态成像系统包括光学系统1、可见光大面阵大动态成像模块2、可见 光积分时间调制模块3、红外大面阵大动态成像模块4、红外积分时间调制模 块5。光学系统1将来自地面物体信息会聚在可见光大面阵大动态成像模块2 和红外大面阵大动态成像模块4上；可见光大面阵大动态成像模块2对地面物 体信息的可见光信号进行大动态成像；可见光积分时间调制模块3对可见光大 面阵大动态成像模块2的积分时间进行按需调整；红外大面阵大动态成像模块 4对地面物体信息的红外信号进行大动态成像；红外积分时间调制模块5对红 外大面阵大动态成像模块4的积分时间进行按需调整；
成像光学系统1采用可见光和红外谱段共用主光学系统，通过分色片或分 视场成像实现可见和红外谱段分光的方式。
可见光大面阵大动态成像模块2具有抗饱和溢出能力，避免了图像饱和溢 出影响，积分时间可按地面目标反射率设置，能够提高成像清晰度；使用全局 电子快门，不需要机械快门配合成像，所有像元能够同时曝光，可提高图像几 何精度；积分时间和成像周期不受机械快门设计限制，相机可以按照需要调整 成像积分时间，可以针对不同的谱段、不同的太阳高度角和具体应用设置积分 时间，可在不同的条件下获取最佳成像质量；可以通过地面发送指令的方式在 轨动态调整积分时间，使相机成像可以适应较宽的地面目标动态范围变化。积 分时间按需调整，不需要大幅衰减各谱段的能量，可以缩短各谱段的积分时间， 降低卫星平台运动及颤振对相机成像的影响，减小像移量，提高成像质量；抗 辐照能力强，适合高轨辐照环境应用。
可见光积分时间调制模块3向可见光大面阵大动态成像模块2发送指令， 控制其积分时间调整，调整示例如下：积分时间设置范围为0.5ms～100ms，1ms 以下积分时间调整步长为0.1ms，1ms以上积分时间调整步长为1ms。可见光积 分时间设置与信噪比关系如表1。
表1(静止轨道观测条件下可见光不同谱段、不同反射率、不同太阳高度角条 件下能够清晰观测所需积分时间)
谱段0.45μm～0.52μm信噪比分析
谱段0.52μm～0.60μm信噪比分析
谱段0.63μm～0.69μm信噪比分析
谱段0.76μm～0.90μm信噪比分析
谱段0.45μm～0.90μm信噪比分析
红外大面阵大动态成像模块4功能同可见光大面阵大动态成像模块2，对 于多谱段集成的探测器，可以按需调整不同谱段的积分时间来获得较宽的目标 动态范围。
红外积分时间调制模块5向红外大面阵大动态成像模块3发送指令，控制 其积分时间调整，调整示例如下：积分时间设置范围为0.1ms～10ms，1ms以下 积分时间调整步长为0.1ms，1ms以上积分时间调整步长为1ms。红外谱段积分 时间设置与动态范围关系如表2。
表2(静止轨道观测条件下红外谱段不同动态范围能够清晰观测所需积分时间表)
积分时间 动态范围
6ms 239～270K
4ms 269～450K
0.3ms 335～655K
在此需要说明的是，对于本说明书未作详细描述的内容，由于这些内容是 本领域技术人员公知的，或者通过结合本说明书的描述以及现有技术能够容易 地实现，因此，不做赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对 于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出 若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种地球静止轨道大面阵相机大动态成像系统，其特征在于：包括光学系统(1)、可见光大面阵大动态成像模块(2)、可见光积分时间调制模块(3)、红外大面阵大动态成像模块(4)、红外积分时间调制模块(5)；
光学系统(1)将来自地面物体信息会聚在可见光大面阵大动态成像模块(2)和红外大面阵大动态成像模块(4)上；
可见光大面阵大动态成像模块(2)对地面物体信息的可见光信号进行大动态成像，由可见光大面阵探测器及控制电路组成；
可见光积分时间调制模块(3)对可见光大面阵大动态成像模块(2)的积分时间进行按需调整；
红外大面阵大动态成像模块(4)对地面物体信息的红外信号进行大动态成像，由红外大面阵探测器及控制电路组成；
红外积分时间调制模块(5)对红外大面阵大动态成像模块(4)的积分时间进行按需调整；所述成像系统可见光大面阵探测器和红外大面阵探测器成在同一系统中，均采用面阵凝视成像方式，探测器的积分时间可实现连续大范围调整，可同时获得目标可见光和红外谱段大面阵大动态范围图像；
可见光大面阵探测器和红外大面阵探测器由全局电子快门和具有抗饱和溢出能力的模块实现；所述全局电子快门使用电脉冲的宽度控制积分时间，抗饱和溢出模块保证过曝光的像素不影响其周边相邻像素；
所述可见光积分时间调制模块(3)对可见光大面阵大动态成像模块(2)的积分时间进行按需调整的策略为：积分时间设置范围为0.5ms～100ms，1ms以下积分时间调整步长为0.1ms，1ms以上积分时间调整步长为1ms；
所述红外积分时间调制模块(5)对红外大面阵大动态成像模块(4)的积分时间进行按需调整的策略为：积分时间设置范围为0.1ms～10ms，1ms以下积分时间调整步长为0.1ms，1ms以上积分时间调整步长为1ms。
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