CN109029931B - 一种遥感器指向精度在轨标定装置及方法 - Google Patents

一种遥感器指向精度在轨标定装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种遥感器指向精度在轨标定装置及方法，包括标定处理模块、滤光部件、成像部件。滤光部件安装在成像部件上，滤除标定光源谱段范围以外的光源，仅使通过待标定遥感器光路系统的标定光源通过；成像部件的成像区域包括标定区域和成像区域，标定区域位于成像区域的边缘表面安装有滤光部件，标定区域接收通过滤光部件的标定光源的光信号，将光信号转换为电信号后输出至标定处理模块；成像区域接收观测目标的光信号，将观测目标的光信号转换为电信号输出给外部数传分系统；标定处理模块根据标定光源的电信号确定标定光源在成像部件上的位置坐标，完成遥感器指向精度的在轨标定。本发明结构紧凑、安装方便、可靠性高。

Description

一种遥感器指向精度在轨标定装置及方法
技术领域
本发明涉及一种遥感器指向精度在轨标定装置及方法，属于在轨标定技术领域。
背景技术
在现有中大型线阵相机上的标定光源接收装置中：在相机线阵探测器焦面组件两端需要各独立设置一个重量千克级的面阵探测器焦面组件。如果将现有标定光源接收装置直接在30kg以内面阵微纳遥感器应用时，数千克的重量负担会造成微纳遥感器的超重压力，并且造成微纳遥感器焦面体积的增大，直接影响微纳遥感器所搭载的遥感器平台适应性。同时，在遥感器线阵焦面两端添加额外的面阵光源接收装置，对于采用大视场长线阵的相机而言，其焦面结构连接两端光斑接收器的热变形会直接影响在轨标定精度。
微纳卫星遥感器的在轨遥感器指向精度无法直接使用中大型相机上的标定系统，因为必须满足面阵微纳相机(30kg以内)对于重量、体积等各方面的需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种遥感器指向精度在轨标定装置及方法，解决现有中大型遥感器标定光源接收装置无法直接应用于微纳遥感器的问题。
本发明的技术方案为：
一种遥感器指向精度在轨标定装置，包括：滤光部件、成像部件、标定处理模块；
滤光部件：用于滤除标定光源谱段范围以外的光源，仅使通过待标定遥感器光路系统的标定光源通过；
成像部件：成像部件的感光区域包括标定区域和成像区域，标定区域位于感光区域的边缘；标定区域表面安装有滤光部件，标定区域接收通过滤光部件的标定光源的光信号，将所述光信号转换为电信号后输出至标定处理模块；成像区域接收观测目标的光信号，将所述观测目标的光信号转换为电信号，输出所述观测目标的电信号给外部数传分系统；
标定处理模块：根据所述标定光源的电信号确定所述标定光源在所述成像部件上的位置坐标，根据所述位置坐标确定待标定遥感器指向精度。
所述滤光部件的通光口径的大小与所述成像部件的标定区域大小一致，滤光部件的通光谱段范围为星上标定光源中心波长±5nm。
所述成像部件的感光区域为长方形，长边边长为L；
所述标定区域为正方形，所述正方形边长为kL；
所述
Figure GDA0002390578840000021
其中，F为待标定遥感器的焦距，D为标定光源至探测器焦面主点的距离，θ为标定装置最大标定角度设计值。
所述成像部件共用待标定遥感器的具有开窗功能的面阵焦平面探测器。
所述根据所述位置坐标确定待标定遥感器指向精度，具体为：
在所述探测器焦面上建立满足右手法则的平面直角坐标系，坐标原点为所述探测器焦面的主点，在与探测器焦面长边平行的方向上建立X轴，与探测器焦面短边平行的方向上建立Y轴；根据所述标定光源在探测器焦面上的位置坐标，确定待标定遥感器光轴绕X轴旋转角度ω和绕Y轴旋转角度γ作为待标定遥感器指向精度；具体为：
Figure GDA0002390578840000022
Figure GDA0002390578840000031
其中，(x1，y1)和(x2，y2)分别为待标定遥感器光轴变化前后，标定光源在探测器焦面上的位置坐标，B为所述成像部件成像区域短边的边长。
标定装置还包括输出部件；
所述输出部件采集成像部件输出的标定光源的电信号和观测目标的电信号，利用成像部件红外焦平面探测器的开窗功能将标定光源的电信号发送给标定处理模块，将观测目标的电信号发送给外部数传分系统。
一种利用上述标定装置进行遥感器指向精度在轨标定方法，包括步骤如下：
1)使用所述滤光部件滤除标定光源谱段范围以外的光源，仅使通过待标定遥感器光路系统的标定光源通过；
2)使用所述成像部件接收通过所述滤光部件的标定光源的光信号，同时，接收观测目标的光信号；
3)使用待标定遥感器将所述标定光源的光信号转换为电信号发送给标定处理模块，将所述观测目标的光信号转换为电信号发送给外部数传分系统；
4)使用所述标定处理模块根据所述标定光源的电信号确定所述标定光源在所述成像部件的位置坐标，根据所述位置坐标确定待标定遥感器指向精度，完成指向精度在轨标定工作。
所述成像部件共用待标定遥感器的具有开窗功能的面阵焦平面探测器。
所述成像部件的感光区域包括标定区域和成像区域，标定区域位于感光区域的边缘；标定区域表面安装有滤光部件；
所述成像部件的感光区域为长方形，长边边长为L，L为非零的自然数；所述标定区域为正方形，所述正方形边长为kL；
所述
Figure GDA0002390578840000032
其中，F为待标定遥感器的焦距，D为标定光源至探测器焦面主点的距离，θ为标定装置最大标定角度设计值。
所述根据所述位置坐标确定待标定遥感器指向精度，具体为：
在所述探测器焦面上建立满足右手法则的平面直角坐标系，坐标原点为所述探测器焦面的主点，在与探测器焦面长边平行的方向上建立X轴，与探测器焦面短边平行的方向上建立Y轴；根据所述标定光源在探测器焦面上的位置坐标，确定待标定遥感器光轴绕X轴旋转角度ω和绕Y轴旋转角度γ作为待标定遥感器指向精度；具体为：
Figure GDA0002390578840000041
Figure GDA0002390578840000042
Figure GDA0002390578840000043
其中，(x1，y1)和(x2，y2)分别为待标定遥感器光轴变化前后，标定光源在探测器焦面上的位置坐标，B为所述成像部件成像区域短边的边长。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明将光源接收装置与遥感器焦面组件的部分结构共用，无需再两端新增两个面阵探测器及驱动电路作为光源接收装置，体积小，结构紧凑，满足遥感器重量体积的约束；
2)感光区域的边缘区域传函低，畸变大，本发明利用该边缘区域布置为标定区域，在完成标定工作的同时，减小对成像部件有效观测面积的占用影响；
3)本发明对成像部件以开窗方式进行有限标定区域的图像输出，大幅降低了单位时间内传输的冗余数据量，适应遥感器平台数据传输能力；
4)本发明将标定区域从现有相机线阵成像焦面两端改为相机面阵成像焦面上，减小了标定区域上两个光斑之间的距离，从而降低焦面结构热变形带来的标定精度影响。
附图说明
图1为本发明装置示意图；
图2为本发明装置俯视图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括滤光部件1、成像部件2和标定处理模块3。
成像部件2采用具有开窗功能的面阵焦平面探测器实现，与待标定遥感器共用一个探测器。
滤光部件1滤除标定光源光谱段范围以外的光波，仅使通过待标定遥感器光路系统的标定光源通过；滤光部件1可选用窄带滤光片部件或滤光膜，窄带滤光片部件包括镜框、压圈及滤光片，首先将滤光片装入镜框中，然后使用压圈压紧滤光片，通过镜框预留的安装孔位安装于成像部件2的顶端。若采用带滤光功能的滤光膜，则直接粘贴紧附于成像部件2探测器的光敏面上。标定功能开启时，标定光源发出的标定光波和遥感器观测目标反射的太阳光波打到滤光部件1上，滤光部件1的通光谱段范围为标定光源中心波长±5nm以内，从而仅允许标定光波穿过滤光部件1打到成像部件2上，并阻拦了地物光波通过该滤光部件1。
如图2所示成像部件2的探测器感光区域包括标定区域和成像区域，标定区域位于感光区域的边缘，标定区域与滤光部1的通光区域大小完全一致；标定区域表面安装有滤光部件1，标定区域接收滤光部件1滤过的标定光源的光信号，在轨标定需要至少两个标定光源(每个标定光源的光斑大小不足50个像元)，将所述光信号转换为电信号后输出至标定处理模块3；成像区域接收观测目标的光信号对遥感器观测目标反射的太阳光波进行成像，将所述观测目标的光信号转换为电信号，输出所述观测目标的电信号给外部数传分系统；
标定处理模块3根据标定光源的电信号确定标定光源在所述成像部件2上的位置坐标，根据该位置坐标确定待标定遥感器指向精度。
本发明标定装置还包括输出部件，输出部件采集成像部件2输出的标定光源的电信号和观测目标的电信号，利用成像部件2红外焦平面探测器的开窗功能将标定光源的电信号发送给标定处理模块3，将观测目标的电信号发送给外部数传分系统。
在每个拍摄周期内，成像部件2将标定区域和成像区域的图像通过内部电接口传输至输出部件。成像部件2的感光区域为长方形，短边边长为B，长边边长为L，B≤L，B和L均为非零的自然数。标定区域的最小形状为边长为kL的正方形，其中k为长度比。k＝H/(L-H)，
Figure GDA0002390578840000061
F为待标定遥感器的焦距，D为标定光源至探测器焦面主点的距离，θ为标定装置最大标定角度设计值，θ的取值范围不大于30′。
本实施例中，标定区域短边长度占该方向光电探测器像面总长的1/10，标定区域长边与光电探测器像面另一边长度重合，可依据实际需要计算可标定角度后调整。
本实施例中成像部件2包括成像焦面组件、视频控制器和相应处理电路，焦面组件与视频控制器通过柔板进行连接，焦面组件光电探测器的感光区域朝向滤光部件1。为满足系统轻小型化、高稳定性能的要求，标定视频控制器按照PC104标准研制，进一步提高微纳相机集成度。光电探测器为具有开窗功能的红外焦平面探测器。
输出部件用于选择性输出标定区域内的电信号。输出部件为定制输出电路，位于整个标定装置最下端，对成像部件2采集到的光斑图像进行压缩处理。通过数据接口(如cameralink等通用接口)输出标定区域对应的电信号至标定处理模块3；输出部件连接光电探测器，至少具备一个方向的开窗能力。即可对面阵光电探测器各行各列获得的电信号数据，进行沿行或列方向，限定区域来输出数据。
本法明能够实现面阵微纳相机焦面组件一体化标定接收功能，并满足平台和相机对数传、重量、体积等各方面要求。实际应用过程中，可根据需求设定滤光部件1的谱段范围和输出部件输出的标定区域。本发明将标定区域从现有相机线阵成像焦面两端改为相机面阵成像焦面上，减小了标定区域上两个光斑之间的距离，从而降低焦面热结构变形带来的标定精度影响。所述标定精度影响Δ见以下公式：
Figure GDA0002390578840000071
其中，W为两个标定光源在探测器焦面上的距离，k1为连接两个标定光源的主要支撑结构热膨胀系数。
利用上述的标定装置进行遥感器指向精度在轨标定方法，包括步骤如下：
1)使用所述滤光部件1滤除标定光源谱段范围以外的光源，仅使通过待标定遥感器光路系统的标定光源通过；
2)使用所述成像部件2接收通过所述滤光部件1的标定光源的光信号，同时，接收观测目标的光信号；
3)使用待标定遥感器将所述标定光源的光信号转换为电信号发送给标定处理模块，将所述观测目标的光信号转换为电信号发送给外部数传分系统；
4)使用所述标定处理模块根据所述标定光源的电信号确定所述标定光源在所述成像部件2的位置坐标，根据所述位置坐标确定待标定遥感器指向精度，完成指向精度在轨标定工作。
成像部件2的感光区域包括标定区域和成像区域，标定区域位于感光区域的边缘；标定区域表面安装有滤光部件1；
根据所述位置坐标确定待标定遥感器指向精度，具体为：
在所述探测器焦面上建立满足右手法则的平面直角坐标系，坐标原点为所述探测器焦面的主点，在与探测器焦面长边平行的方向上建立X轴，与探测器焦面短边平行的方向上建立Y轴；根据所述标定光源在探测器焦面上的位置坐标，确定待标定遥感器光轴绕X轴旋转角度ω和绕Y轴旋转角度γ作为待标定遥感器指向精度；具体为：
Figure GDA0002390578840000081
Figure GDA0002390578840000082
Figure GDA0002390578840000083
其中，(x1，y1)和(x2，y2)分别为待标定遥感器光轴变化前后，标定光源在探测器焦面上的位置坐标，B为所述成像部件2感光区域短边的边长。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种遥感器指向精度在轨标定装置，其特征在于，包括：滤光部件(1)、成像部件(2)、标定处理模块(3)；
滤光部件(1)：用于滤除标定光源谱段范围以外的光源，仅使通过待标定遥感器光路系统的标定光源通过；
成像部件(2)：成像部件(2)的感光区域包括标定区域和成像区域，标定区域位于感光区域的边缘；标定区域表面安装有滤光部件(1)，标定区域接收通过滤光部件(1)的标定光源的光信号，将所述光信号转换为电信号后输出至标定处理模块(3)；成像区域接收观测目标的光信号，将所述观测目标的光信号转换为电信号，输出所述观测目标的电信号给外部数传分系统；
标定处理模块(3)：根据所述标定光源的电信号确定所述标定光源在所述成像部件(2)上的位置坐标，根据所述位置坐标确定待标定遥感器指向精度；
所述根据所述位置坐标确定待标定遥感器指向精度，具体为：
在所述探测器焦面上建立满足右手法则的平面直角坐标系，坐标原点为所述探测器焦面的主点，在与探测器焦面长边平行的方向上建立X轴，与探测器焦面短边平行的方向上建立Y轴；根据所述标定光源在探测器焦面上的位置坐标，确定待标定遥感器光轴绕X轴旋转角度ω和绕Y轴旋转角度γ作为待标定遥感器指向精度；具体为：
Figure FDA0002390578830000011
Figure FDA0002390578830000012
其中，(x1，y1)和(x2，y2)分别为待标定遥感器光轴变化前后，标定光源在探测器焦面上的位置坐标，B为所述成像部件(2)成像区域短边的边长。
2.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于：所述滤光部件(1)的通光口径的大小与所述成像部件(2)的标定区域大小一致，滤光部件(1)的通光谱段范围为星上标定光源中心波长±5nm。
3.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于：所述成像部件(2)的感光区域为长方形，长边边长为L；
所述标定区域为正方形，所述正方形边长为kL；
所述
Figure FDA0002390578830000021
其中，F为待标定遥感器的焦距，D为标定光源至探测器焦面主点的距离，θ为标定装置最大标定角度设计值。
4.根据权利要求3所述的标定装置，其特征在于：所述成像部件(2)共用待标定遥感器的具有开窗功能的面阵焦平面探测器。
5.根据权利要求4所述的标定装置，其特征在于：还包括输出部件；
所述输出部件采集成像部件(2)输出的标定光源的电信号和观测目标的电信号，利用成像部件(2)红外焦平面探测器的开窗功能将标定光源的电信号发送给标定处理模块(3)，将观测目标的电信号发送给外部数传分系统。
6.一种利用如权利要求1所述的标定装置进行遥感器指向精度在轨标定方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)使用所述滤光部件(1)滤除标定光源谱段范围以外的光源，仅使通过待标定遥感器光路系统的标定光源通过；
2)使用所述成像部件(2)接收通过所述滤光部件(1)的标定光源的光信号，同时，接收观测目标的光信号；
3)使用待标定遥感器将所述标定光源的光信号转换为电信号发送给标定处理模块，将所述观测目标的光信号转换为电信号发送给外部数传分系统；
4)使用所述标定处理模块根据所述标定光源的电信号确定所述标定光源在所述成像部件(2)的位置坐标，根据所述位置坐标确定待标定遥感器指向精度，完成指向精度在轨标定工作。
7.根据权利要求6所述的一种标定方法，其特征在于，所述成像部件(2)共用待标定遥感器的具有开窗功能的面阵焦平面探测器。
8.根据权利要求7所述的一种标定方法，其特征在于：所述成像部件(2)的感光区域包括标定区域和成像区域，标定区域位于感光区域的边缘；标定区域表面安装有滤光部件(1)；
所述成像部件(2)的感光区域为长方形，长边边长为L，L为非零的自然数；所述标定区域为正方形，所述正方形边长为kL；
所述
Figure FDA0002390578830000031
其中，F为待标定遥感器的焦距，D为标定光源至探测器焦面主点的距离，θ为标定装置最大标定角度设计值。
9.根据权利要求8所述的一种标定方法，其特征在于，所述根据所述位置坐标确定待标定遥感器指向精度，具体为：
在所述探测器焦面上建立满足右手法则的平面直角坐标系，坐标原点为所述探测器焦面的主点，在与探测器焦面长边平行的方向上建立X轴，与探测器焦面短边平行的方向上建立Y轴；根据所述标定光源在探测器焦面上的位置坐标，确定待标定遥感器光轴绕X轴旋转角度ω和绕Y轴旋转角度γ作为待标定遥感器指向精度；具体为：
Figure FDA0002390578830000032
Figure FDA0002390578830000033
Figure FDA0002390578830000041
其中，(x1，y1)和(x2，y2)分别为待标定遥感器光轴变化前后，标定光源在探测器焦面上的位置坐标，B为所述成像部件(2)成像区域短边的边长。
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