CN109084963A - 一种遥感器在轨标定光源发射系统 - Google Patents

一种遥感器在轨标定光源发射系统 Download PDF

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Abstract

一种遥感器在轨标定光源发射系统，包括：光源发射模块，光斑接收模块、发射频次确定模块。发射频次确定模块确定与发射时长相关的标定光源备选频次，以及与传输速率相关的标定光源备选频次；选择所述与发射时长相关的标定光源备选频次和与传输速率相关的标定光源备选频次中数值最小的备选频次作为所述标定光源的发射频次；将标定光源的发射频次发送给光源发射模块；光源发射模块以整星星务系统发送的秒脉冲信号为使能信号，按照所述标定光源发射频次发射标定光源，将所述标定光源匀化整形处理后，通过待标定遥感器发射给光斑接收模块；光斑接收模块采集所述光源发射模块发射的定标光源的光信号，将所述光信号转换为电信号向外输出。本发明结构简单、安装方便、可靠性高，特别适用于重量不大于30Kg的微纳卫星。

Description

一种遥感器在轨标定光源发射系统
技术领域
本发明涉及一种遥感器在轨标定光源发射系统，属于在轨标定技术领域。
背景技术
为了实现遥感相机在轨遥感参数标定功能，提升遥感相机测绘能力，国内外均在大力研究准直光测量在轨标定方法。该方法已在中大型相机上得以工程原理实现。然而，想要实现微纳遥感卫星上的相机在轨遥感参数标定功能以提升定位精度，却无法直接将中大型相机上的标定系统直接移植应用，因为必须满足微纳相机(30kg以内)对于重量、体积、稳定性等各方面的需求。
在现有中大型相机上的标定系统中：光源控制部件往往是以电子学单机盒子形式存在，对光源控制电路板进行铝合金壳体包装加固，体积大于单块电路板，重量更是从上百克级提升至千克级；整个光源发生和整形部分连为一体，重量也是千克级；由于在轨标定方法需要多路光束照射相机和星敏感器，导致现有光源发射端直接在微纳相机应用时，相机边缘局部位置会安装重量达数千克和体积较大的光源发生部件，这会直接影响微纳相机的在轨稳定性，导致整机变形甚至破坏；标定接收部件则需要在相机焦面两端新增两个面阵探测器和相应电路，给整个微纳相机焦面部分新增了重量、体积和功耗，给相机后端造成了较重负荷，破坏了轻小型的实现。
对于现有中大型相机，由于在相机焦面两端新增两个面阵探测器，通常标定接收时序与相机积分曝光时间一致。目前经试验一般在积分时间内标定3-9次即可，一般小面阵探测器可实现该帧频且图像大小不超过中大相机数传限制。在微纳相机应用时，共用相机焦面带来标定接收时序不同步和接收帧频的问题，还会面临微纳相机传输数据率的限制约束。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种遥感器在轨标定光源发射系统，解决现有标定系统无法应用于微纳相机的问题。
本发明的技术方案为：
一种遥感器在轨标定光源发射系统，包括：光源发射模块，光斑接收模块、发射频次确定模块；
发射频次确定模块：改变待标定遥感器温度，根据所述待标定遥感器自标定指向精度变化值确定标定光源发射时长，根据所述标定光源发射时长确定与发射时长相关的标定光源备选频次；同时，根据待标定遥感器数据传输的速率，确定与传输速率相关的标定光源备选频次；选择所述与发射时长相关的标定光源备选频次和所述与传输速率相关的标定光源备选频次中数值最小的备选频次作为所述标定光源的发射频次；将所述标定光源的发射频次发送给所述光源发射模块；
光源发射模块：接收所述发射频次确定模块发送所述标定光源的发射频次，以整星星务系统发送的秒脉冲信号为使能信号，按照所述标定光源发射频次发射标定光源，将所述标定光源匀化整形处理后，通过待标定遥感器发射给光斑接收模块；
光斑接收模块：采集所述光源发射模块发射的定标光源的光信号，将所述光信号转换为电信号向外输出。
所述发射频次确定模块标定光源发射时长，具体包括：
遥感器在轨工作温度为初始温度点，按温度变化速率设计值提高或降低温度，确定遥感器光轴自标定指向精度改变后，所述遥感器光轴自标定指向精度恢复成设计指标时所需要的时间，将该所述时间作为标定光源发射时长。
所述发射频次确定模块根据所述标定光源发射时长确定与发射时长相关的标定光源备选频次fb，具体包括：
其中，tc为标定光源发射时长，N为待标定遥感器探测器整个感光区域的帧频，L为待标定遥感器探测器感光区域长边的边长，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，所述待标定遥感器探测器的感光区域为长方形。
所述发射频次确定模块确定与传输速率相关的标定光源备选频次fr，具体包括：
其中，G为卫星数据的传输速率，ZN为探测器总像元数，B为探测器图像量化位数。
所述温度变化速率设计值为遥感器在轨工作时的实际温度变化速率；所述设计指标不大于遥感器光轴自标定精度设计值的1/10。
所述光源发射模块包括：光源控制部件、光源发生部件、光束整形部件；
光源控制部件：安装在整星上，以整星星务系统发送的秒脉冲信号为使能信号，控制所述光源发生部件按照所述标定光源发射频次发射标定光源；
光源发生部件：安装在整星上，发射N束标定光源给所述光束整形部件；所述N为大于1的正整数；
光束整形部件：安装在待测遥感器的星敏感器支架上；对所述光源发生部件发射的N束标定光源进行均匀整形处理，将均匀整形处理后的所述N束标定光源通过待标定遥感器的光路系统发送给光斑接收模块。
所述光源发射模块还包括光路传输部件，用于将所述光源发生部件发射的N束标定光源分别发送给所述光束整形部件，采用N束光纤实现。
所述光源发生部件发射的标定光源为激光或LED光源；所述标定光源的功率小于5mW，脉宽小于0.1ms。
所述光束整形部件对光源进行匀化整形处理，处理后的光斑能量分布呈高斯分布。
所述光束整形部件出光处口径小于φ20mm，整形后光源的发散角小于0.3mrad。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明标定光源控制部件不再以电子学单机盒子的形式存在，可以以控制电路板的形式与卫星星务控制系统安装于一体，从而将光源控制部件重量从千克级减重至百克级，解决了该部分对于微纳相机的适用性；本发明可剔除标定过程中的地物杂光、对光电信息转换、输出标定区域光斑特征信息；
2)本发明光源发生部件与光源整形部件分体设计，光源通过导光光纤进行光束传输，使光源发生部件可单独安装于卫星平台任意可安装位置，布局方式灵活，避免了该部分千克级重量必须安装在相机边缘导致的相机转动惯量大、稳定性差等问题，解决了该部分对于微纳相机的适用性。同时，降低了因局部重量集中带来的光机变形，造成相机在轨失重后自标定精度下降的影响；
3)本发明利用超低热膨胀星敏支架或星敏焦面壳体，通过星敏感器自身光轴与星敏支架或星敏焦面壳体相对姿态稳定，保证光束整形部件与星敏感器的姿态也实现了相对稳定，省去照射入星敏感器的光束，仅需两路光束照射相机即可，减少了其余光束的配套标定系统，进一步实现了整体减重。
4)本发明通过光源发射和接收频次的设计，能够在每次标定过程中剔除随机测量结果，最大程度提高测量精度，同时满足微纳相机焦面帧频实现和数据传输率的限制。
附图说明
图1为本发明标定系统示意图；
图2为本发明标定系统框图。
具体实施方式
如图1、图2所示，为本发明的一种遥感器在轨标定光源发射系统，包括：光源发射模块、光斑接收模块和发射频次确定模块。
发射频次确定模块：改变待标定遥感器温度，根据所述待标定遥感器自标定指向精度确定标定光源发射时长，根据所述标定光源发射时长确定与发射时长相关的标定光源备选频次；同时，根据待标定遥感器数据传输的速率，确定与传输速率相关的标定光源备选频次；选择数值小的备选频次作为所述标定光源的发射频次；
标定光源发射时长确定方法为：地面模拟在轨热环境时，以遥感器工作温度为初始温度点，按照一定的温度改变速率提高或降低温度，本发明实时例中的温度改变速率为1℃/s，该温度改变速率等于遥感器在轨工作的实际温度变化速率。确定遥感器光轴自标定指向精度改变后，所述遥感器光轴自标定指向精度恢复设计指标时所需要的时间，将该所述时间作为标定光源发射时长。一般应达到遥感器光轴自标定精度设计值的1/10，可按实际应用情况加严或放松；
标定光源的发射频次W确定公式为：
式中tc为标定光源发射时长，N为待标定遥感器探测器整个感光区域的帧频，L为待标定遥感器探测器感光区域长边的边长，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′，本发明实施例中为10’，G为卫星数据的传输速率，ZN为探测器总像元数，B为探测器图像量化位数(即像元灰度量化级，直接影响遥感图像的总信息量)，本实施例中的待标定遥感器探测器的感光区域为长方形。
光源发射模块：以整星星务系统发送的秒脉冲信号为使能信号，按照所述发射频次确定模块确定的标定光源发射频次发射标定光源，将所述标定光源匀化整形处理后，通过待标定相机的光路系统发射给光斑接收模块；
光源发射模块包括：光源控制部件1、光源发生部件2、光路传输部件3、光束整形部件4；
光源控制部件1采用控制电路板实现，可以按照PC104等标准研制，控制电路板安装在微纳卫星星务控制系统中，与其他星上控制电路板进行层摞式集成安装。光源控制部件1接收整星星务系统发送的秒脉冲信号，光源控制部件1以秒脉冲信号为激发标定功能指令，即以整星星务系统发送的秒脉冲信号为使能信号，按约定的时间长度控制光源发生部件2产生光源，具体时间长度和频次依据实际需求确定，一般为相机曝光时间后50ms-200ms内发出短脉宽光束5-20频次。
光束整形部件4：安装在待测遥感器的星敏感器支架上；对所述光源发生部件2发射的N束标定光源进行均匀整形处理，将均匀整形处理后的所述N束标定光源通过待标定遥感器的光路系统发送给光斑接收模块。
光源发生部件2接收光源控制部件1下达的控制指令发射N束一定功率、波长、脉宽的标定光源给所述光束整形部件4；所述N为大于1的正整数；标定光源为功率小于5mW，脉宽小于0.1ms的激光或LED光源，此时发出的光束发散角大，截面异形不规则。光源发生部件2可安装于微纳卫星平台任意可提供的空间位置。
光路传输部件3为抗空间辐照多组分硅酸盐玻璃光纤，通过胶粘工艺固定在设定光纤走线位置。将光源发生部件2产生的N束标定光源在遥感器内部按光纤固定布局传输至光束整形部件4。本发明实施例中标定光源的数量为2。
光束整形部件4为耦合透射镜头，由镜筒和多个球面透镜组成，出光处口径小于φ20mm，安装于待测遥感器的低热膨胀星敏感器支架上，光束整形部件4对接收到来自的光路传输部件3的标定光源进行均匀整形。整形后的标定光源截面为近圆形，截面光斑能量分布呈高斯分布，并缩小发散角至0.3mrad以下，大幅缩小光束的发散角以达到近准直光效果，同时本发明光源发射模块的光束整形部件4安装在待测遥感器的星敏感器支架上，不需要标定星敏感器的指向精度；星敏支架材料热膨胀系数小于1×10-7/℃，近似零膨胀。星敏感器支架固定在待测遥感器的结构上。光束整形部件4安装于超低热膨胀星敏感器支架或星敏感器焦面壳体上，可以省略照射星敏感器的光源数量而不影响互标定精度。
标定光源经光束匀化整形处理后，通过待标定相机的光路系统发射给光斑接收模块。光斑接收模块与相机焦面组件实现一体化安装设计，可剔除标定过程中的地物杂光、对光电信息转换、输出标定区域光斑特征信息。从而能够将现有较大标定系统分解、重构并大幅减重，适用于微纳相机。实际应用过程中，可根据需求设定光源发生时序和整形发散角大小，确定光源发生部件2和光束整形部件4在平台相机上的具体位置，以及光路传输部件3的形状和长度。
本发明能够将现有较大标定系统分解、重构并大幅减重，适用于微纳相机。实际应用过程中，可根据标定精度需求、在轨运行条件和本发明涉及的计算原理设定光源发生时序、频次和整形发散角大小，确定光源发生部件2和光束整形部件4在平台相机上的具体位置，以及光路传输部件3的形状和长度。也可根据需求设定标定区域大小，确定对应区域的滤光区域和电信号特征输出区域范围。
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 (10)

1.一种遥感器在轨标定光源发射系统，其特征在于，包括：光源发射模块，光斑接收模块、发射频次确定模块；
发射频次确定模块：改变待标定遥感器温度，根据所述待标定遥感器自标定指向精度变化值确定标定光源发射时长，根据所述标定光源发射时长确定与发射时长相关的标定光源备选频次；同时，根据待标定遥感器数据传输的速率，确定与传输速率相关的标定光源备选频次；选择所述与发射时长相关的标定光源备选频次和所述与传输速率相关的标定光源备选频次中数值最小的备选频次作为所述标定光源的发射频次；将所述标定光源的发射频次发送给所述光源发射模块；
光源发射模块：接收所述发射频次确定模块发送所述标定光源的发射频次，以整星星务系统发送的秒脉冲信号为使能信号，按照所述标定光源发射频次发射标定光源，将所述标定光源匀化整形处理后，通过待标定遥感器发射给光斑接收模块；
光斑接收模块：采集所述光源发射模块发射的定标光源的光信号，将所述光信号转换为电信号向外输出。
2.根据权利要求1所述的一种发射系统，其特征在于，所述发射频次确定模块标定光源发射时长，具体包括：
遥感器在轨工作温度为初始温度点，按温度变化速率设计值提高或降低温度，确定遥感器光轴自标定指向精度改变后，所述遥感器光轴自标定指向精度恢复成设计指标时所需要的时间，将该所述时间作为标定光源发射时长。
3.根据权利要求1所述的一种发射系统，其特征在于，所述发射频次确定模块根据所述标定光源发射时长确定与发射时长相关的标定光源备选频次fb，具体包括：
其中，tc为标定光源发射时长，N为待标定遥感器探测器整个感光区域的帧频，L为待标定遥感器探测器感光区域长边的边长，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，所述待标定遥感器探测器的感光区域为长方形。
4.根据权利要求1所述的一种发射系统，其特征在于，所述发射频次确定模块确定与传输速率相关的标定光源备选频次fr，具体包括：
其中，G为卫星数据的传输速率，ZN为探测器总像元数，B为探测器图像量化位数。
5.根据权利要求2所述的一种发射系统，其特征在于：所述温度变化速率设计值为遥感器在轨工作时，实际温度变化速率；所述设计指标不大于遥感器光轴自标定精度设计值的1/10。
6.根据权利要求1所述的一种发射系统，其特征在于，所述光源发射模块包括：光源控制部件(1)、光源发生部件(2)、光束整形部件(4)；
光源控制部件(1)：安装在整星上，以整星星务系统发送的秒脉冲信号为使能信号，控制所述光源发生部件(2)按照所述标定光源发射频次发射标定光源；
光源发生部件(2)：安装在整星上，发射N束标定光源给所述光束整形部件(4)；所述N为大于1的正整数；
光束整形部件(4)：安装在待测遥感器的星敏感器支架上；对所述光源发生部件(2)发射的N束标定光源进行均匀整形处理，将均匀整形处理后的所述N束标定光源通过待标定遥感器的光路系统发送给光斑接收模块。
7.根据权利要求6所述的一种发射系统，其特征在于：所述光源发射模块还包括光路传输部件(3)，用于将所述光源发生部件(2)发射的N束标定光源分别发送给所述光束整形部件(4)，采用N束光纤实现。
8.根据权利要求6所述的一种发射系统，其特征在于：所述光源发生部件(2)发射的标定光源为激光或LED光源；所述标定光源的功率小于5mW，脉宽小于0.1ms。
9.根据权利要求6所述的一种发射系统，其特征在于：所述光束整形部件(4)对光源进行匀化整形处理，处理后的光斑能量分布呈高斯分布。
10.根据权利要求6-9之一所述的一种发射系统，其特征在于：所述光束整形部件(4)出光处口径小于φ20mm，整形后光源的发散角小于0.3mrad。
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