CN109612941B - 一种适用于高分敏捷卫星的共主光路同步大气校正系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种适用于高分敏捷卫星的共主光路同步大气校正系统，该系统将高分相机主光路作为大气校正仪的前置大气目标能量汇聚系统，使高分相机与大气校正仪出射光轴、视场与观测区域完全匹配；然后完成高分相机分视场设计，将大气校正仪与可见光后端光路分离成不同后端光路，最后完成高分图像及大气校正数据时间同步性分析。本发明方法解决了高分辨率敏捷卫星的同步大气校正问题，提出了将一种高分相机光路与同步大气校正仪共主光路的一体化设计方法，实现了高信噪比、高光视轴指向匹配精度的高分影像的同步大气校正。

Description

一种适用于高分敏捷卫星的共主光路同步大气校正系统
技术领域
本发明涉及一种高分相机与同步大气校正仪共主光路的一体化设计方法，实现了高分辨率敏捷卫星的共光路同步大气校正，属光学遥感卫星对地成像领域。
背景技术
大气校正是指通过时间同步和空间覆盖的探测方式获取光谱和偏振的大气信息，实现气溶胶和水汽的高精度探测及反演，获取成像区域上空的大气参数。以此大气参数为输入，通过基于辐射传输的地面大气校正模型开展对高分相机等图像的校正，得到更为清晰的地表图像，满足高分相机图像数据产品大气校正的应用需求。
目前，光学遥感卫星的大气校正以独立的大气校正载荷为主，与高分相机并列搭载在卫星平台上。两个独立载荷的视轴指向和视场覆盖范围存在偏差，且受卫星尺寸重量限制，大气校正仪入瞳口径往往很小，成像区域上空的大气参数的信噪比仍有待进一步提高。为提高大气校正仪视场以匹配高分相机幅宽，往往需要增加扫描摆镜或分色盘等长期运动部件，对于多条带拼接为主成像模式的敏捷遥感卫星，其运动部件的剩余角动量会降低敏捷卫星动中成像模式下的姿控精度与敏捷能力。
根据敏捷卫星条带拼接及动中成像的特点，本方法可以实现任意时刻的高分相机与大气校正仪的视轴指向与覆盖范围完全匹配，并大幅提高大气校正入瞳能量及大气参数的信噪比，规避了成像期间工作的运动部件，消除了成像期间相关运动部件的剩余角动量，提高了敏捷卫星姿控稳定度与成像质量。
发明内容
本发明提出了一种适用于高分敏捷卫星的共光路同步大气校正系统，旨在现阶段敏捷遥感卫星面临的高频次条带拼接及动中成像的超稳下的同步高分图像大气校正的难题，完成了高分相机光路与同步大气校正仪共主光路的一体化设计。通过敏捷卫星多条带拼接的方式，代替扫描摆镜等动件结构，增加大气校正幅宽与探测范围。最终实现了高信噪比、高光视轴指向匹配精度的高分辨率敏捷卫星的高分影像同步大气校正。
本发明提出以下的技术解决方案：一种适用于高分敏捷卫星的共主光路同步大气校正系统，包括主光路、高分相机光路以及大气校正光路；主光路汇聚被探测目标能量与信息后，在主光路一次像面处，按照不同的成像视场，分成高分相机光路和大气校正光路；高分相机光路获取被测目标的高分辨率光学影像；大气校正光路对高分辨率光学影像进行同步大气校正并成像。
所述主光路包括主镜和次境；所述主镜和次境组成同轴反射望远系统，使高分相机与大气校正仪出射光轴、视场与观测区域完全匹配。
所述主镜为凹面反射镜，面形为非球面，次境为凸面反射镜，面形为球面或非球面。
所述高分相机光路包括高分相机光路折转镜、高分相机光路三镜、高分相机光路探测器；在高分相机光路对应的一次像面处设置高分相机光路视场光阑；高分相机光路折转镜为平面反射镜，用于折叠光路；高分相机光路三镜为非球面凹面反射镜，用于进一步校正主镜和次境的残余像差；高分相机光路探测器为多级TDICCD或COMS探测器，用于获取被测目标光能信息。
所述大气校正光路包括大气校正光路折转镜、大气校正准直镜组、后端大气校正系统；在大气校正仪光路对应的一次像面处设置大气校正光路视场光阑；大气校正光路折转镜为平面反射镜，用于折叠光路；成像光路经大气校正光路折转镜和一次像面后为发散光线，经准直镜组实现光路整形，并以平行光出射，作为后端大气校正系统的输入。
所述高分光路折转镜和大气校正光路折转镜的材料采用微晶或碳化硅，安装底板与支撑结构采用钛合金或殷钢；在成像模式下，高分光路折转镜与大气校正光路折转镜之间的倾角偏差始终保持固定值。
所述的后端大气校正系统由多个偏振器、分色片与聚焦透镜组构成，实现多个光谱通道下的偏振辐射探测。
后端大气校正系统的偏振方位角选用三偏振态0°、60°、120°或四偏振态0°、45°、90°、135°。
所述大气校正光路折转镜正面为镀有高反射膜的平面反射镜，背面为漫反射涂层作为定标用的漫反射板；大气校正光路折转镜上安装有旋转机构；在成像模式下，将大气校正光路折转镜正面旋转进成像光路；在定标模式下，将大气校正光路折转镜背面旋转进定标光路。
所述高分相机光路的偏置视场与大气校正光路的偏置视场一致，偏置视场与光学系统主光轴的夹角在0.1°～0.3°范围内。
本发明与现有技术相比的优点在于：
提出了一种适用于高分敏捷卫星的共光路同步大气校正系统，利用含有一次像面的同轴折反式光学结构实现大口径、长焦距的高分对地观测相机设计，在次境与三镜之间的一次像面附近，通过两片分光折转平面镜，以视场分光的方式，实现高分光路与大气校正光路的分离。将原有的高分相机与大气校正仪两个独立的载荷共用主光路，大幅提高大气校正仪的入射光口径和信噪比，从而提高了大气参数的探测和反演精度，并实现高分相机与大气校正仪幅宽与视轴指向的完全匹配。
采用正面镀有高反射膜、背面为定标漫反射板的大气校正光路折转镜，利用旋转机构驱动根据实际工况进行旋转。通过将大气校正光路折转镜正面旋转进成像光路，实现大气校正仪成像功能；通过大气校正光路折转镜背面旋转进定标光路，实现大气校正仪在轨定标功能。
采用正光焦度的复杂化后的大气校正准直镜组，实现一次像面后的大气校正光路的前端光束整形，并以平行光出射，作为后端大气校正系统的输入，整形后的平行光发散角，小于后端大气校正系统的视场范围，从而确保全部能量都进入后端大气校正系统的入瞳。
本发明取消了原有大气校正仪作为单独载荷时所需的大口径扫描摆镜，规避了敏捷成像及动中成像工作的运动部件，消除了敏捷成像及动中成像期间相关运动部件的剩余角动量，降低了卫星重量，从而提高了敏捷卫星姿态稳定度、敏捷成像能力与卫星可靠性。
附图说明
图1为本发明光学系统光路原理图；
图2为本发明后端大气校正系统示意图；
图3为本发明高分相机与大气校正仪对地视场匹配示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述：
一种高分相机光路与同步大气校正仪共主光路的光学系统如图1所示，包括主光路(主镜1、次境2)、高分相机光路(高分相机光路视场光阑3、高分相机光路折转镜4、高分相机光路三镜5、高分相机光路探测器6)和大气校正光路(大气校正光路折转镜7、大气校正准直镜组8、后端大气校正系统9、大气校正光路视场光阑10)。
主光路作为高分相机光路和大气校正光路的前置大气目标能量汇聚系统，为主镜1、次境2组成的同轴反射望远系统，使高分相机与大气校正仪出射光轴、视场与观测区域完全匹配。其中主镜1为凹面反射镜，面形为非球面，次境2为凸面反射镜，面形为球面或非球面。
利用含有一次像面的同轴折反式光学结构实现大口径、长焦距的高分对地观测相机设计，在次境与三镜之间的一次像面附近，利用两片分光折转平面镜，以视场分光的方式，实现高分光路与大气校正光路的分离。为保证高分光路与大气校正光路的对地观测区域的幅宽一致，要求两分光光路的视场保持一致，与视场中心的偏置角度也保持一致。在高分相机光路和大气校正仪光路的两个一次像面处，分别设置2个分离的视场光阑，一般选取高分光路的偏置视场与大气校正光路的偏置视场一致，且两者光阑处通光口径大小一致，如图1所示，并有效的抑制杂散光。一般偏置视场与光轴的夹角在0.1°～0.3°范围内，根据实际情况，可对视场中心的偏置角度进行调整，也可对高分相机光路和大气校正光路两个偏置视场进行对调，并对后端光路及焦面位置的布局进行优化设计。
高分光路的光谱谱段数量和大气校正系统的光谱通道数可以根据实际使用需求而加以调整。高分相机的谱段一般为0.4～0.85μm，大气校正系统的谱段范围一般为0.4～2.35μm。要求主次镜的镀膜范围包含高分相机和大气校正系统的谱段范围。
高分相机焦面探测器可以是线阵TDICCD、线阵CMOS或面阵探测器等。后端大气校正系统9的偏振方位角可根据不同的需求，选用三偏振态(0°、60°、120°)或四偏振态(0°、45°、90°、135°)方案。
大气校正光路折转镜7正面为镀有高反射膜的平面反射镜，背面为漫反射涂层作为定标用的漫反射板，大气校正光路折转镜7有旋转机构驱动根据实际工况进行旋转。在成像模式下，将大气校正光路折转镜7正面旋转进成像光路；在定标模式下，将大气校正光路折转镜7背面旋转进定标光路。
在成像模式下，高分相机光路折转镜4与大气校正光路折转镜7之间的倾角偏差，始终保持固定值。由于两个折转镜的倾斜角度不同，从而实现高分光路与大气校正光路的分离。高分相机光路折转镜4和大气校正光路折转镜7的夹角可以根据实际光机结构的空间布局而加以调整，一般要求使大气校正折转镜的入射光和出射光的夹角尽量小，以降低偏振效应的影响。由于折转镜紧接一次像面后端，其微小形变就会对后端光路的折转角度造成较大影响，高分相机光路折转镜4和大气校正光路折转镜7材料一般采用微晶或碳化硅，其安装底板与支撑结构一般采用钛合金、殷钢等热胀系数较小的材料，以减小热变形，降低环境温度变化对像质的影响。
其中一路成像光，经高分相机光路折转镜4与高分相机光路三镜5，到达高分相机焦平面6，高分光路折转镜为平面反射镜，高分相机光路三镜5为非球面，高分相机焦平面有一定的倾角，以匹配高分光路的视场偏置。另一路成像光，经大气校正光路折转镜7与大气校正准直镜组8，再经后端大气校正系统9中的多个偏振器、分色片与聚焦透镜组，从而实现多个光谱通道下的偏振辐射探测，详细方案见发明专利《一种基于反射望远系统的多光谱偏振扫描辐射计光路》(宋茂新等，CN104634742)。大气校正光路折转镜为平面反射镜，成像光路经大气校正光路折转镜和一次像面后为发散光线，经正光焦度的复杂化后的大气校正准直镜组8，实现光路整形，并以平行光出射，作为后端大气校正系统的输入，要求其整形后的平行光发散角，小于后端大气校正系统的视场范围，从而确保全部能量都进入后端大气校正系统的入瞳。大气校正准直镜组8中的透镜组均为球面镜，便于加工和装调。在此基础上，取消专利《一种基于反射望远系统的多光谱偏振扫描辐射计光路》(宋茂新等，CN104634742)中的扫描镜，并通过敏捷卫星多条带拼接的方式，增加大气校正幅宽与探测范围。
在定标模式下，将大气校正光路折转镜7旋转180°，从而将大气校正光路折转镜7背部的漫反射板引进定标光路，从而实现在轨辐射定标。
后端大气校正系统9由多个偏振器、分色片与聚焦透镜组构成，实现多个光谱通道下的偏振辐射探测，如图2所示。
以645km高度下的太阳同步轨道，降交时上午10:30为例，如图3所示，对高分图像及大气校正的对地投影关系及数据时间同步性分析。大气校正仪焦面由双元探测器拼接而成，每个探测器对应地面分辨率为6km，共12km。高分相机幅宽亦为12km，从而保证二者幅宽相匹配。大气校正仪探测器相对于视场中心负偏置0.15°，高分相机探测器相对于视场中心正偏置0.15°，二者实际视场偏差Δω恒定为0.3°，由于角度很小，可忽略地球曲率的影响，对应到地面的大气校正系统对地投影区域与高分相机对地投影区域的瞬时视场下间距L为：
L＝2tan(Δω/2)×H
式中，Δω为高分相机光路与大气校正光路的恒定视场偏差，单位°，H为卫星轨道高度，单位为km。则二者对地投影区域的瞬时视场下间距L为3.38km。对于645km轨道高度下，星下点地速V为6.8km/s，则对于同一观测区域，大气校正系统相对于高分相机的时间延迟ΔT为ΔT＝L/V＝3.38km/6.8km＝0.497s
在0.497秒时间内，大气成分参数的变化可以忽略不计，因此该系统可行。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种适用于高分敏捷卫星的共主光路同步大气校正系统，其特征在于：包括主光路、高分相机光路以及大气校正光路；主光路汇聚被探测目标能量与信息后，在主光路一次像面处，按照不同的成像视场，分成高分相机光路和大气校正光路；高分相机光路获取被测目标的高分辨率光学影像；大气校正光路对高分辨率光学影像进行同步大气校正并成像；
所述高分相机光路包括高分相机光路折转镜(4)、高分相机光路三镜(5)、高分相机光路探测器(6)；在高分相机光路对应的一次像面处设置高分相机光路视场光阑(3)；高分相机光路折转镜(4)为平面反射镜，用于折叠光路；高分相机光路三镜(5)为非球面凹面反射镜，用于进一步校正主镜(1)和次境(2)的残余像差；高分相机光路探测器(6)为多级TDICCD或COMS探测器，用于获取被测目标光能信息；
所述大气校正光路包括大气校正光路折转镜(7)、大气校正准直镜组(8)、后端大气校正系统(9)；在大气校正仪光路对应的一次像面处设置大气校正光路视场光阑(10)；大气校正光路折转镜(7)为平面反射镜，用于折叠光路；成像光路经大气校正光路折转镜(7)和一次像面后为发散光线，经准直镜组(8)实现光路整形，并以平行光出射，作为后端大气校正系统(9)的输入；
所述高分光路折转镜(4)和大气校正光路折转镜(7)的材料采用微晶或碳化硅，安装底板与支撑结构采用钛合金或殷钢；在成像模式下，高分光路折转镜(4)与大气校正光路折转镜(7)之间的倾角偏差始终保持固定值；
所述大气校正光路折转镜(7)正面为镀有高反射膜的平面反射镜，背面为漫反射涂层作为定标用的漫反射板；大气校正光路折转镜(7)上安装有旋转机构；在成像模式下，将大气校正光路折转镜正面旋转进成像光路；在定标模式下，将大气校正光路折转镜背面旋转进定标光路。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高分敏捷卫星的共主光路同步大气校正系统，其特征在于：所述主光路包括主镜(1)和次境(2)；所述主镜(1)和次境(2)组成同轴反射望远系统，使高分相机与大气校正仪出射光轴、视场与观测区域完全匹配。
3.根据权利要求1所述的一种适用于高分敏捷卫星的共主光路同步大气校正系统，其特征在于：所述主镜(1)为凹面反射镜，面形为非球面，次境(2)为凸面反射镜，面形为球面或非球面。
4.根据权利要求1所述的一种适用于高分敏捷卫星的共主光路同步大气校正系统，其特征在于：所述的后端大气校正系统(9)由多个偏振器、分色片与聚焦透镜组构成，实现多个光谱通道下的偏振辐射探测。
5.根据权利要求1所述的一种适用于高分敏捷卫星的共主光路同步大气校正系统，其特征在于：后端大气校正系统9的偏振方位角选用三偏振态0°、60°、120°或四偏振态0°、45°、90°、135°。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种适用于高分敏捷卫星的共主光路同步大气校正系统，其特征在于：所述高分相机光路的偏置视场与大气校正光路的偏置视场一致，偏置视场与光学系统主光轴的夹角在0.1°～0.3°范围内。
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