CN107796515B - 星上高光谱成像仪真空光谱定标装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种星上高光谱成像仪真空光谱定标装置及其测试方法，该装置包括第一隔振设备等，第一隔振设备位于真空罐的外部，光源位于分光设备的一侧，光源、分光设备都放置在第一隔振设备上，分光设备放置于真空罐的外部，分光设备位于定标控制系统的一侧，平行光管位于高光谱成像仪的一侧，平行光管和二维指向镜都放置于真空罐的内部，高光谱成像仪位于二维指向镜的下方，外热流加热设备放置于真空罐内，第二隔振设备位于外热流加热设备的下方，高光谱成像仪放置在第二隔振设备上。本发明建立了具备星上高光谱仪器测试、空间环境适应性试验、高精度地面光谱定标能力的高光谱定标系统，确保环境引起的微形变不影响仪器的光谱性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学成像仪领域，具体地，涉及一种星上高光谱成像仪真空光谱定标装置及其测试方法。
背景技术
高光谱图像是由光谱成像仪对同一地物在数十到数百个不同谱段上成像所获取的一种三维立体图像，同时包含了地物的空间和光谱信息，目前广泛应用于资源勘探、目标识别、环境保护方面。
光谱定标精度是高光谱仪器的主要技术指标之一，是仪器定量化应用的前提，是分析测量对象的重要依据，对高光谱仪器进行光谱定标是衡量仪器性能和产品性能的必需环节。
高光谱仪器在真空和常压下，以及真空不同温度下，性能差别较大，必须在实验室完成装调后，进入真空罐进行光谱中心波长、光谱分辨率、横向光谱偏差等关键指标复测，以保证发射入轨后仪器的成像质量。
因此，亟需研发和建立针对高光谱仪器的专用定标和测试设备，在全光路、全孔径等真实工作条件下，进行载荷性能测试和定标，这些对于实现高光谱光学遥感卫星的定量化科学目标具有决定性的作用，解决的关键技术和建立的技术平台，不但填补国内空白，同时也可以支持卫星高光谱光学有效载荷的测试和定标。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星上高光谱成像仪真空光谱定标装置及其测试方法，其填补了现有技术中的空白，建立了具备星上高光谱仪器测试、空间环境适应性试验、高精度地面光谱定标能力的高光谱定标系统，确保环境引起的微形变不影响仪器的光谱性能。
根据本发明的一个方面，提供一种星上高光谱成像仪真空光谱定标装置，其特征在于，其包括第一隔振设备、光源、分光设备、定标控制系统、平行光管、高光谱成像仪、二维指向镜、真空罐、外热流加热设备、第二隔振设备，第一隔振设备位于真空罐的外部，光源位于分光设备的一侧，光源、分光设备都放置在第一隔振设备上，分光设备放置于真空罐的外部，分光设备位于定标控制系统的一侧，平行光管位于高光谱成像仪的一侧，平行光管和二维指向镜都放置于真空罐的内部，高光谱成像仪位于二维指向镜的下方，外热流加热设备放置于真空罐内，第二隔振设备位于外热流加热设备的下方，高光谱成像仪放置在第二隔振设备上。
优选地，所述真空罐为高光谱成像仪提供真空、深冷环境，模拟卫星在轨工作环境；外热流加热设备将高光谱成像仪笼罩在内，模拟卫星在轨运行时高光谱成像仪表面在轨吸收外热流；光源为光谱定标试验提供满足高光谱成像仪工作谱段的光辐射。
优选地，所述分光设备为光谱定标试验提供需要的单色光源，从宽波段的光辐射中分离出一系列狭窄波段的光辐射，满足光谱定标对单色光源的需求；平行光管在载荷定标过程中，给高光谱成像仪提供一个无穷远的目标或者一束平行光，从而满足光谱定标试验对光源的要求；二维指向镜在真空光谱定标试验中实现定标光源的大口径大视场扫描功能，从而实现定标光源按一定的大小和角度入射待定标高光谱成像仪。
优选地，所述第一隔振设备和第二隔振设备都为承载光学定标设备而研制的，满足光谱定标所需的光学高度、角度及其他相关的位置要求，有较好的隔振功能，为光谱定标提供稳定的承载环境；定标控制系统，在光谱定标试验中同时对光源系统、真空扫描系统、控温系统进行控制，确定按照定标过程的要求，所有设备协同工作，提高效率。
本发明还提供一种星上高光谱成像仪真空光谱定标装置的测试方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一，将高光谱成像仪、平行光管、二维指向镜放置在真空罐内，高光谱成像仪放置在真空罐内的隔振设备上；
步骤二，将光源、分光设备放置在真空罐外的隔振设备上；
步骤三，按光路要求调整测试设备位置，确保光源、分光设备、平行光管、二维指向镜、高光谱成像仪光轴重合；
步骤四，在高光谱成像仪周围布置外热流加热设备，将真空罐抽真空后，充液氮降温；
步骤五，光源加电、高光谱成像仪开机，光线通过分光设备、平行光管、二维指向镜汇聚到高光谱成像仪探测器焦面上；
步骤六，调节二维指向镜，使光线会聚在探测器指定的光谱维、空间维，按步距宽度调节分光设备的工作谱段，完成光谱图像采集工作，得到光谱维、空间维位置的光谱响应曲线、响应中心波长、光谱分辨率及光谱弯曲；
步骤七，完成其他光谱维、空间维位置的光谱定标工作。
优选地，所述步骤四中的外热流加热设备应根据卫星运行轨道参数，获得高光谱成像仪在轨外热流，模拟高光谱成像仪在轨的工作环境。
优选地，所述步骤六中的步距宽度应根据高光谱成像仪的光谱范围及光谱分辨率进行设置。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明填补了现有技术中的空白，建立了具备星上高光谱仪器测试、空间环境适应性试验、高精度地面光谱定标能力的高光谱定标系统，确保环境引起的微形变不影响仪器的光谱性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明星上高光谱成像仪真空光谱定标装置示意图。
图2为星上高光谱成像仪真空光谱定标装置的测试方法的流程图。
图3为拟合后的光谱响应曲线图。
图4(a)为光谱弯曲(横向光谱偏差)一种形式示意图。
图4(b)为光谱弯曲(横向光谱偏差)另一种形式示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明星上高光谱成像仪真空光谱定标装置包括第一隔振设备1、光源2、分光设备3、定标控制系统4、平行光管5、高光谱成像仪6、二维指向镜7、真空罐8、外热流加热设备9、第二隔振设备10，第一隔振设备1位于真空罐8的外部，光源2位于分光设备3的一侧，光源2、分光设备3都放置在第一隔振设备1上，分光设备3放置于真空罐8的外部，分光设备3位于定标控制系统4的一侧，平行光管5位于高光谱成像仪6的一侧，平行光管5和二维指向镜7都放置于真空罐8的内部，高光谱成像仪6位于二维指向镜7的下方，外热流加热设备9放置于真空罐8内，第二隔振设备10位于外热流加热设备9的下方，高光谱成像仪6放置在第二隔振设备10上。
真空罐为高光谱成像仪提供真空、深冷环境，模拟卫星在轨工作环境；
外热流加热设备将高光谱成像仪笼罩在内，模拟卫星在轨运行时高光谱成像仪表面在轨吸收外热流；
光源为光谱定标试验提供满足高光谱成像仪工作谱段的光辐射；
分光设备为光谱定标试验提供需要的单色光源，从宽波段的光辐射中分离出一系列狭窄波段的光辐射，满足光谱定标对单色光源的需求；
平行光管在载荷定标过程中给高光谱成像仪提供一个无穷远的目标或者一束平行光，从而满足光谱定标试验对光源的要求；
二维指向镜在真空光谱定标试验中实现定标光源的大口径大视场扫描功能，从而实现定标光源按一定的大小和角度入射待定标高光谱成像仪；
第一隔振设备和第二隔振设备为承载光学定标设备而研制的，满足光谱定标所需的光学高度、角度及其他相关的位置要求，有较好的隔振功能，为光谱定标提供稳定的承载环境；
定标控制系统在光谱定标试验中同时对光源系统、真空扫描系统、控温系统等进行控制，确定按照定标过程的要求，所有设备协同工作，提高效率。
如图2所示，本发明星上高光谱成像仪真空光谱定标装置的测试方法包括以下步骤：
步骤一，将高光谱成像仪、平行光管、二维指向镜放置在真空罐内，高光谱成像仪放置在真空罐内的隔振设备上；
步骤二，将光源、分光设备放置在真空罐外的隔振设备上；
步骤三，按光路要求调整测试设备位置，确保光源、分光设备、平行光管、二维指向镜、高光谱成像仪光轴重合；
步骤四，在高光谱成像仪周围布置外热流加热设备，将真空罐抽真空后，充液氮降温；
步骤五，光源加电、高光谱成像仪开机，光线通过分光设备、平行光管、二维指向镜会聚到高光谱成像仪探测器焦面上；
步骤六，调节二维指向镜，使光线汇聚在探测器指定的光谱维、空间维，按步距宽度调节分光设备的工作谱段，完成光谱图像采集工作，得到光谱维、空间维位置的光谱响应曲线、响应中心波长、光谱分辨率及光谱弯曲(横向光谱偏差)；
步骤七，完成其他光谱维、空间维位置的光谱定标工作。
步骤四中的外热流加热设备应根据卫星运行轨道参数，获得高光谱成像仪在轨外热流，模拟高光谱成像仪在轨的工作环境。
步骤六中的步距宽度，应根据高光谱成像仪的光谱范围及光谱分辨率进行设置。
实施例
本实施例涉及一种星上高光谱成像仪真空光谱定标装置及其测试方法。
本实施例中将光源及分光设备放置在隔振设备上，平行光管、高光谱成像仪及二维指向镜放置在真空罐内，高光谱成像仪放置在隔振设备上，调节各设备位置，确保光源发射的光线经分光设备分光后通过真空罐窗口进入平行光管，经平行光管准直后的光束经二维指向镜入射到高光谱成像仪。
根据高光谱成像仪光谱特性参数，光源采用工作谱段为0.4～2.5μm的卤钨灯，分光设备采用最小步距为0.01nm、分辨率为0.1nm、工作谱段为0.38～2.52μm的单色仪(或者选用具有同等功能的可调谐激光器)。
关闭真空罐，开始抽真空，一般真空度优于6.65×10-3Pa可认为满足要求，下一步进行真空罐充液氮，同时开启外热流加热设备，采用红外加热笼，模拟高光谱成像仪在轨吸收的外热流，高光谱成像仪-Z面为安装面，温度控制在-5℃～30℃，距离+Z面1286mm布置红外加热笼，热流密度为50W/m2～300W/m2；距离+Y面200mm布置红外加热笼，热流密度为40W/m2～120W/m2；距离-Y面200mm布置红外加热笼，热流密度为50W/m2～250W/m2；距离+X面74mm布置红外加热笼，热流密度为80W/m2～350W/m2；距离-X面150mm布置红外加热笼，热流密度为50W/m2～300W/m2，待热沉温度达到平衡后，开启光源，约半小时后光源性能稳定，开启分光设备、定标控制系统、高光谱成像仪。
设置单色仪工作谱段为0.38～2.52μm，通过调节二维指向镜，使光束会聚在探测器第一个像元上，即第一光谱维、第一空间维，设置单色仪步距为0.1nm，单色仪出射光波长由0.38μm逐步增加至2.52μm，同时高光谱成像仪成像电路工作，采集每个波长下的图像数据。
如图3所示，在完成数据采集后，进行数据处理，根据高光谱成像仪探测器输出DN值与单色仪波长的对应关系，将纵坐标做归一化处理，拟合出一条响应曲线，反映了像元对不同波长光线的响应情况，即光谱响应曲线，光谱响应曲线的峰值对应的波长为第一个像元的中心波长，光谱响应曲线的半高宽值(FWHM)为高光谱成像仪光谱分辨率。
如图4(a)和图4(b)所示，在完成第一光谱维第一个像元的数据采集后，调整二维指向镜依次将光束会聚在该光谱维的其他像元上，完成数据采集工作，经数据处理，获得第一光谱维所有像元的光谱响应中心波长，进一步计算出该光谱维的光谱弯曲(横向光谱偏差)：绘制该光谱维上每个像元的光谱响应中心波长变化规律，一般呈现两种规律，分别计算该光谱维边缘像元光谱响应中心波长与中心像元的差值△λ1＝│λ1-λm│、△λ2＝│λ2-λm│，最后可获得光谱弯曲(横向光谱偏差)，如下式(1)：
其中，△λ为横向光谱偏差，λ1为边缘像元波长，λ2为另一边缘像元波长，λm为中心像元波长。
完成第一光谱维光谱定标后，调整二维指向镜依次将光束会聚在探测器其他光谱维上，完成光谱定标工作。
综上所述，本发明填补了现有技术中的空白，建立了具备星上高光谱仪器测试、空间环境适应性试验、高精度地面光谱定标能力的高光谱定标系统，确保环境引起的微形变不影响仪器的光谱性能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (5)
1.一种星上高光谱成像仪真空光谱定标装置，其特征在于，其包括第一隔振设备、光源、分光设备、定标控制系统、平行光管、高光谱成像仪、二维指向镜、真空罐、外热流加热设备、第二隔振设备，第一隔振设备位于真空罐的外部，光源位于分光设备的一侧，光源、分光设备都放置在第一隔振设备上，分光设备放置于真空罐的外部，分光设备位于定标控制系统的一侧，平行光管位于高光谱成像仪的一侧，平行光管和二维指向镜都放置于真空罐的内部，高光谱成像仪位于二维指向镜的下方，外热流加热设备放置于真空罐内，第二隔振设备位于外热流加热设备的下方，高光谱成像仪放置在第二隔振设备上；
所述真空罐为高光谱成像仪提供真空、深冷环境，模拟卫星在轨工作环境；外热流加热设备将高光谱成像仪笼罩在内，模拟卫星在轨运行时高光谱成像仪表面在轨吸收外热流；光源为光谱定标试验提供满足高光谱成像仪工作谱段的光辐射；
所述分光设备为光谱定标试验提供需要的单色光源，从宽波段的光辐射中分离出一系列狭窄波段的光辐射，满足光谱定标对单色光源的需求；平行光管在载荷定标过程中，给高光谱成像仪提供一个无穷远的目标或者一束平行光，从而满足光谱定标试验对光源的要求；二维指向镜在真空光谱定标试验中实现定标光源的大口径大视场扫描功能，从而实现定标光源按一定的大小和角度入射待定标高光谱成像仪。
2.根据权利要求1所述的星上高光谱成像仪真空光谱定标装置，其特征在于，所述第一隔振设备和第二隔振设备都为承载光学定标设备而研制的，满足光谱定标所需的光学高度、角度及其他相关的位置要求，有较好的隔振功能，为光谱定标提供稳定的承载环境；定标控制系统，在光谱定标试验中同时对光源系统、真空扫描系统、控温系统进行控制，确定按照定标过程的要求，所有设备协同工作，提高效率。
3.一种星上高光谱成像仪真空光谱定标装置的测试方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一，将高光谱成像仪、平行光管、二维指向镜放置在真空罐内，高光谱成像仪放置在真空罐内的隔振设备上；
步骤二，将光源、分光设备放置在真空罐外的隔振设备上；
步骤三，按光路要求调整测试设备位置，确保光源、分光设备、平行光管、二维指向镜、高光谱成像仪光轴重合；
步骤四，在高光谱成像仪周围布置外热流加热设备，将真空罐抽真空后，充液氮降温；
步骤五，光源加电、高光谱成像仪开机，光线通过分光设备、平行光管、二维指向镜会聚到高光谱成像仪探测器焦面上；
步骤六，调节二维指向镜，使光线汇聚在探测器指定的光谱维、空间维，按步距宽度调节分光设备的工作谱段，完成光谱图像采集工作，得到光谱维、空间维位置的光谱响应曲线、响应中心波长、光谱分辨率及光谱弯曲；
步骤七，完成其他光谱维、空间维位置的光谱定标工作；
所述真空罐为高光谱成像仪提供真空、深冷环境，模拟卫星在轨工作环境；外热流加热设备将高光谱成像仪笼罩在内，模拟卫星在轨运行时高光谱成像仪表面在轨吸收外热流；光源为光谱定标试验提供满足高光谱成像仪工作谱段的光辐射；
所述分光设备为光谱定标试验提供需要的单色光源，从宽波段的光辐射中分离出一系列狭窄波段的光辐射，满足光谱定标对单色光源的需求；平行光管在载荷定标过程中，给高光谱成像仪提供一个无穷远的目标或者一束平行光，从而满足光谱定标试验对光源的要求；二维指向镜在真空光谱定标试验中实现定标光源的大口径大视场扫描功能，从而实现定标光源按一定的大小和角度入射待定标高光谱成像仪。
4.根据权利要求3所述的星上高光谱成像仪真空光谱定标装置的测试方法，其特征在于，所述步骤四中的外热流加热设备应根据卫星运行轨道参数，获得高光谱成像仪在轨外热流，模拟高光谱成像仪在轨的工作环境。
5.根据权利要求3所述的星上高光谱成像仪真空光谱定标装置的测试方法，其特征在于，所述步骤六中的步距宽度应根据高光谱成像仪的光谱范围及光谱分辨率进行设置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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