CN107192451A - 一种地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统 - Google Patents

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练敏隆
董杰
王跃
石志城
王戬
许云飞
晋利兵
赵佳
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Abstract

本发明公开了一种地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统，包括：主光学系统、分光元件、分时滤光装置、可见光近红外焦平面组件和中波红外焦平面组件；其中，主光学系统收集目标辐射信息；分光元件将可见光近红外谱段与中波红外谱段分离出，可见光近红外谱段传输至分时滤光装置，中波红外谱段汇聚到中波红外焦平面组件；中波红外焦平面组件将中波红外谱段光信号转换为第一电信号；分时滤光装置过滤出可见光近红外谱段中的指定谱段得到可见光近红外指定谱段，可见光近红外指定谱段汇聚到可见光近红外焦平面组件；可见光近红外焦平面组件将可见光近红外指定谱段光信号转换为第二电信号。本发明达到了静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像的效果。

Description

一种地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统
技术领域
本发明属于遥感成像技术领域，尤其涉及一种地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统。
背景技术
静止轨道卫星监视范围广、时间分辨率高，具备极高的响应能力。在日间无云的理想情况下，可对拍摄区域内目标进行持续观测，甚至视频观测，还具备动态目标探测能力和动态目标指示的潜力。卫星可通过快速指向控制，能进行大范围实时、连续机动成像和高时间分辨率成像相结合的综合观测，进而可以获取较高空间分辨率和多谱段地面图像信息；同时还可以对重点区域进行连续观测、凝视观测、区域成像及机动成像等，在满足减灾、气象、地震、林业等多个业务系统的应用需求上，发挥重要的作用。目前地球静止轨道卫星具有较高的时间分辨率和较大的成像幅宽，但缺少红外与可见光谱段同时成像、可见光多光谱分时成像等成像方式，难以满足越来越多样化的应用需求，因此，提供一种切实可行的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像方法成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统，解决了目前缺少红外与可见光谱段同时成像方式、可见光多光谱分时成像方式的问题，达到了静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像的效果。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统，包括：主光学系统、分光元件、分时滤光装置、可见光近红外焦平面组件和中波红外焦平面组件；其中，所述主光学系统收集目标辐射信息并将其传输给所述分光元件；所述分光元件将目标辐射信息中的可见光近红外谱段与中波红外谱段分离出来，可见光近红外谱段传输至分时滤光装置，中波红外谱段汇聚到中波红外焦平面组件；中波红外焦平面组件将中波红外谱段光信号转换为第一电信号后输出至图像信息处理单元；所述分时滤光装置过滤出可见光近红外谱段中的指定谱段得到可见光近红外指定谱段，可见光近红外指定谱段汇聚到可见光近红外焦平面组件；可见光近红外焦平面组件将可见光近红外指定谱段光信号转换为第二电信号后输出至图像信息处理单元。
上述地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统中，所述主光学系统为RC双反系统。
上述地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统中，所述分光元件为色散棱镜或光栅。
上述地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统中，所述分时滤光装置为透射式滤光轮或反射式滤光轮。
上述地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统中，所述可见光近红外焦平面组件为CMOS面阵探测器，CMOS面阵探测器为基于全局电子快门曝光方式。
上述地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统中，所述中波红外焦平面组件为HgCdTe面阵探测器。
上述地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统中，所述分时滤光装置为透射式滤光轮。
上述地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统中，所述透射式滤光轮包括滤光轮、滤光片和驱动机构；其中，所述滤光轮沿其圆周方向均匀开设了若干个通孔；所述滤光片的数量与通孔的数量一致，每个滤光片设置于相对应的通孔的位置处；所述驱动机构与所述滤光轮相连接，用于驱动所述滤光轮作旋转运动。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像技术，共用主光学系统，通过分光元件分离出可见光近红外通道与中波红外通道，实现了可见光与中波红外谱段的同时成像达到的效果；
(2)本发明的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像技术，使用分时滤光装置，实现可见光近红外通道多谱段的细分；
(3)本发明的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像技术，可见光近红外通道与中波红外通道成像模式的组合方式多样，可满足用户多样化的使用需求。
附图说明
图1是本发明的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统的框图；
图2是本发明的主光学系统原理图；
图3(a)是透射式旋转滤光轮的示意图；
图3(b)是透射式旋转滤光轮的另一示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1是本发明的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统的框图。如图1所示，该地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统包括主光学系统1、分光元件2、分时滤光装置3、可见光近红外焦平面组件4、中波红外焦平面组件5。主光学系统1收集目标辐射信息并将其传输给分光元件2；分光元件2将目标辐射信息中的可见光近红外谱段与中波红外谱段分离出来，可见光近红外谱段传输至分时滤光装置3，中波红外谱段汇聚到中波红外焦平面组件5；中波红外焦平面组件5将中波红外谱段光信号转换为第一电信号后输出至图像信息处理单元。需要理解的是，图像信息处理单元是比较成熟的系统，本实施例中不再详细赘述。
分时滤光装置3过滤出可见光近红外谱段中的指定谱段得到可见光近红外指定谱段，可见光近红外指定谱段汇聚到可见光近红外焦平面组件4；可见光近红外焦平面组件4将可见光近红外指定谱段光信号转换为第二电信号后输出至图像信息处理单元。需要理解的是，图像信息处理单元是比较成熟的系统，本实施例中不再详细赘述。
主光学系统为RC双反系统，如图2所示，主镜为抛物面，次镜为双曲面，RC双反系统加校正镜组的光学系统方案，可同时满足像质和空间布局要求。
分光元件位于主光学系统后方，可见光近红外谱段与中波红外谱段经过次镜反射至分光元件，分光元件可以采用色散棱镜，也可采用光栅等元件，分光元件分离可见光近红外谱段与中波红外谱段，使其分别汇聚到可见光近红外焦平面组件与中波红外焦平面组件。
分时滤光装置用于过滤可见光近红外通道带宽之外的光谱，根据遥控指令进行指定谱段成像。可见光近红外谱段分式装置多使用滤光轮机构，又可分为透射式滤光轮和反射式滤光轮，其作用是将指定谱段滤光片切入成像光路，实现可见光近红外通道多光谱成像。图3(a)和图3(b)为透射式旋转滤光轮原理图，该装置主要由滤光轮、滤光片和驱动机构组成。滤光轮沿其圆周方向均匀开设了若干个通孔；滤光片的数量与通孔的数量一致，每个滤光片设置于相对应的通孔的位置处；驱动机构驱动滤光轮沿其中心转动，图3(a)中示出了5个滤光片。
可见光焦平面组件采用基于全局电子快门曝光方式的CMOS面阵探测器，探测器的积分时间准连续可调，根据需要灵活设置每个谱段的积分时间，提升SNR；还可对同一场景中的亮、暗目标采用不同的积分时间成像再进行图像融合，实现大动态范围观测；也可对目标多次曝光成像再进行累加，进一步提高SNR。
中波红外焦平面组件采用HgCdTe面阵探测器，由脉冲管制冷机组件制冷到80K，脉冲管制冷机在轨连续工作。
相机成像时中波红外通道与可见光近红外通道可同时成像或分时成像。中波红外通道采用固定帧频1Hz进行单谱段连续成像。可见光近红外通道可使用多种成像模式：单谱段单次成像模式，指相机按照谱段选择指令对成像谱段进行选择，滤光片切换到位后，根据单谱段成像指令，对指定的谱段成一幅图像后，相机即进入等待成像模式；全谱段单次成像模式，在指定区域对5个谱段各成一幅图像后，相机即进入等待成像模式；单谱段连续成像模式，同一谱段以固定成像周期连续成像，直到下一个指令到来；全谱段连续成像模式，5个不同谱段循环连续成像，直到下一个指令到来。
根据应用需求不同，中波红外通道与可见光近红外通道可使相机实现凝视模式、区域模式、机动巡查模式。凝视模式是指卫星整体姿态保持不变，始终对固定区域进行不间断的连续成像。该模式既可以通过分时切换方式实现可见光近红外通道的全谱段连续观测，又可以与中波红外结合实现同时相同步观测。区域模式式是对一个大于成像幅宽的连续空间区域，通过机动调整卫星的指向和姿态，对该区域进行步进式成像，获取多景观测图像后通过拼接形成一幅覆盖观测需求区域的图像。该模式下，既可以采用单谱段进行大区域单色成像，又可以采用可见光近红外的全谱段方式进行成像，还能与中波红外谱段相结合进行同步成像。机动巡查模式是利用卫星姿态高可控、机动灵活的能力，对多个地区进行交替式的巡查成像，从而可以获取不同热点地区的大范围连续观测数据。机动巡查模式既可以仅仅采用可见光近红外连续观测，又可以与中波红外配合实现同步观测。
本发明的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像技术，共用主光学系统，通过分光元件分离出可见光近红外通道与中波红外通道，实现了可见光与中波红外谱段的同时成像达到的效果；并且本发明的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像技术，使用分时滤光装置，实现可见光近红外通道多谱段的细分；并且本发明的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像技术，可见光近红外通道与中波红外通道成像模式的组合方式多样，可满足用户多样化的使用需求。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统，其特征在于包括：主光学系统(1)、分光元件(2)、分时滤光装置(3)、可见光近红外焦平面组件(4)和中波红外焦平面组件(5)；其中，
所述主光学系统(1)收集目标辐射信息并将其传输给所述分光元件(2)；
所述分光元件(2)将目标辐射信息中的可见光近红外谱段与中波红外谱段分离出来，可见光近红外谱段传输至分时滤光装置(3)，中波红外谱段汇聚到中波红外焦平面组件(5)；中波红外焦平面组件(5)将中波红外谱段光信号转换为第一电信号后输出至图像信息处理单元；
所述分时滤光装置(3)过滤出可见光近红外谱段中的指定谱段得到可见光近红外指定谱段，可见光近红外指定谱段汇聚到可见光近红外焦平面组件(4)；
可见光近红外焦平面组件(4)将可见光近红外指定谱段光信号转换为第二电信号后输出至图像信息处理单元。
2.根据权利要求1所述的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统，其特征在于：所述主光学系统(1)为RC双反系统。
3.根据权利要求1所述的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统，其特征在于：所述分光元件(2)为色散棱镜或光栅。
4.根据权利要求1所述的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统，其特征在于：所述分时滤光装置(3)为透射式滤光轮或反射式滤光轮。
5.根据权利要求1所述的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统，其特征在于：所述可见光近红外焦平面组件(4)为CMOS面阵探测器，CMOS面阵探测器为基于全局电子快门曝光方式。
6.根据权利要求1所述的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统，其特征在于：所述中波红外焦平面组件(5)为HgCdTe面阵探测器。
7.根据权利要求4所述的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统，其特征在于：所述分时滤光装置(3)为透射式滤光轮。
8.根据权利要求7所述的地球静止轨道面阵凝视多光谱多模式成像系统，其特征在于：所述透射式滤光轮包括滤光轮、滤光片和驱动机构；其中，
所述滤光轮沿其圆周方向均匀开设了若干个通孔；
所述滤光片的数量与通孔的数量一致，每个滤光片设置于相对应的通孔的位置处；
所述驱动机构与所述滤光轮相连接，用于驱动所述滤光轮作旋转运动。
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