CN109737987B - 一种多光合一大口径空间相机在轨星上红外辐射定标系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的大口径红外相机在轨星上红外辐射定标系统，将低温定标灰体和高温定标黑体交替移入光路，获取对应的图像，通过获取低温灰体和高温黑体的辐射亮度差值，与对应图像像元灰度值的差值，有效扣除了相机内部杂散辐射的影响，通过数据处理获取对应像元的辐射响应度，提高定标精度和定量化反演的水平。
Description
技术领域
本发明涉及空间光学技术领域，特别涉及一种大口径红外空间相机在轨星上红外辐射定标系统。
背景技术
随着空间光学遥感器的发展，可见光空间相机的口径逐渐增大到1m，1.5m，甚至2.0m量级及更大口径，利用可见光相机的大光学口径，在光学系统中增加红外分光设计，实现同时获取可见近红外、中波红外、长波红外等多个谱段的遥感图像，特别是红外光学系统利用大口径实现了高分辨率探测，大幅提升探测能力。此前红外相机单独一套光学系统，受红外光学材料的限制，难以实现大口径的高分辨率探测，一般在300mm量级以内。在轨星上辐射定标主要由三种方式：一是采用扩展面源黑体，对其进行全口径的多温度点的辐射定标，该定标参数中包含空间相机自身的热辐射信号在内，定标精度相对较低；二是在采用扩展面源体的同时，借助冷黑太空获取低温辐射定标信号，完成多温度点的辐射定标，该方法可以有效的扣除相机本体热辐射对定标的影响，但是对于大口径的红外相机或者卫星不具备大幅摆动能力的卫星，难以利用该方法进行在轨定标；三是当黑体入光口不能对准冷黑空间时，采用高温、低温两种扩展黑体辐射源定标方法，由于低温黑体的温度一般与相机本体的温度相当，仍然具有较高的热辐射。但是对于多光合一共口径的大口径光学系统，以上辐射定标方法都不能满足定标要求。特别是为满足大口径光学系统的大面源黑体的重量、功耗、均匀性、以及运动机构等因素，造成定标系统的高成本、高风险和低可靠性。
发明内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种体积小、功耗小、重量轻的在轨星上红外辐射定标系统。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种大口径空间相机在轨星上红外辐射定标系统，包括：主镜、次镜、三镜、分光镜、红外反射镜、可见光焦平面组件、红外成像组件及红外定标组件，所述红外定标组件设置于所述红外反射镜和红外成像组件之间，可见光和红外的复合光束经过所述主镜反射，入射到所述次镜上，再进入所述三镜并经所述三镜反射后入射到所述分光镜上，所述分光镜对入射的可见光进行反射并对入射的红外光进行透射，经所述分光镜反射的可见光入射到所述可见光焦平面组件上，经所述分光镜透射的红外光线入射进入所述红外反射镜，并经所述红外反射镜反射到所述红外成像组件上，所述红外定标组件移入所述红外光线所在的光路，所述红外成像组件采集所述红外定标组件形成的对应图像，并根据所述对应图像的灰度值差值和对应的辐射亮度差值得到辐射响应度，再根据所述辐射响应度对卫星图像进行非均匀性校正和定量化反演。
在一些较佳的实施例中，所述红外定标组件包括位移驱动结构、通光孔、定标黑体及定标灰体，所述位移驱动结构可驱动所述通光孔、定标黑体及定标灰体移入光路中。
在一些较佳的实施例中，所述定标黑体包括依次层叠设置的有效辐射面、匀热层、面加热层及隔热保温层，所述有效辐射面、匀热层、面加热层及隔热保温层由框架固定，所述有效辐射面由若干个涂有高发射率黑漆的锥型凸台组成。
在一些较佳的实施例中，所述定标灰体包括依次层叠设置的有效辐射面、匀热层、面加热层及隔热保温层，所述有效辐射面、匀热层、面加热层及隔热保温层由框架固定，所述有效辐射面由表面镀金形成的漫反射表面。
在一些较佳的实施例中，所述匀热层内包括有高精度温度传感器。
在一些较佳的实施例中，采用短期两点定标方式，所述短期两点定标方式具体为：
所述位移驱动结构驱动所述定标灰体移入所述红外光线所在的光路，所述红外成像组件采集所述定标灰体的图像；
所述位移驱动结构再驱动所述定标黑体移入所述红外光线所在的光路，所述红外成像组件采集所述定标黑体的图像；所述位移驱动结构再驱动所述通光孔移入所述红外光线所在的光路；
根据所述定标灰体的图像和所述定标黑体的图像的像元灰度值之差和对应的辐射亮度之差，计算每个像元的辐射响应度；
所述位移驱动结构再驱动所述通光孔移入所述红外光线所在的光路，获取在轨卫星图像，每幅图像对应像元的灰度值都减去定标灰体的像元灰度值，作为有效信号，再利用所述辐射响应度进行均匀性校正或用于定量反演。
在一些较佳的实施例中，采用长周期多点定标方式，所述长周期多点定标方式具体为：
所述位移驱动结构驱动所述定标灰体移入所述红外光线所在的光路，所述红外成像组件采集所述定标灰体的图像；
所述位移驱动结构驱动所述定标黑体移入所述红外光线所在的光路，所述成像组件采集所述定标黑体的图像；位移驱动结构再驱动所述通光孔移入所述红外光线所在的光路
根据所述定标黑体与所述定标灰体的辐射之差和对应图像中像元的灰度值之差，利用多个温度点对应的辐射亮度和图像数据，再利用最小二乘法计算像元辐射响应度；
所述位移驱动结构再驱动所述通光孔移入所述红外光线所在的光路，获取在轨卫星图像，每幅图像对应像元的灰度值都减去定标灰体的像元灰度值，作为有效信号，再利用所述辐射响应度进行均匀性校正或用于定量反演。
在一些较佳的实施例中，所述定标黑体温度可以设置多个温度点，依次完成每个温度点下的定标黑体图像采集，以及定标灰体的图像采集。
在一些较佳的实施例中，所述可见光焦平面组件为为由多个可见近红外图像探测器拼接而成的长焦平面阵列，用于将入射到焦面上的光信号转换为数字图像。
在一些较佳的实施例中，所述成像组件包括低温红外光学系统组件和成像探测器组成。所述低温红外光学系统组件是由红外光学镜组和镜筒组成的组件，用于将红外反射镜的成像光束成像至红外成像探测器上。
本发明提供的在轨星上辐射定标系统采用上述技术方案的有益效果在于：
本发明提供的在轨星上辐射定标系统，将低温定标灰体和高温定标黑体交替移入光路，获取对应的图像，通过获取低温灰体和高温黑体的辐射亮度差值，与对应图像灰度值的差值，有效扣除了相机内部杂散辐射的影响，通过数据处理获取对应像元的辐射响应度，提高定标精度和定量化反演的水平。
此外，本发明提供的在轨星上辐射定标系统，具有体积小、功耗小、重量轻等特点，定标灰体为其提供较低的红外辐射亮度，定标黑体为其提供较高的红外辐射亮度，增加了红外子系统的辐射定标温度范围，有效扣除相机本体杂散辐射，提高辐射定标精度，具有较好的工程应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种大口径红外空间相机在轨星上辐射定标系统；
图2为本发明实施例提供的红外定标组件的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的红外定标过程的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的定标黑体或者定标灰体的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为本发明提供了一种在轨星上辐射定标系统，包括：主镜1、次镜2、三镜3、分光镜4、红外反射镜5、可见光焦平面组件6、红外成像组件7及红外定标组件8，所述红外定标组件8设置于所述红外反射镜5和红外成像组件7之间。
在一些较佳的实施例中，所述可见光焦平面组件为为由多个可见近红外图像探测器拼接而成的长焦平面阵列，用于将入射到焦面上的光信号转换为数字图像。
在一些较佳的实施例中，所述红外成像组件包括低温红外光学系统组件和成像探测器组成。
在一些较佳的实施例中，所述低温红外光学系统组件是由红外光学镜组和镜筒组成的组件，用于将红外反射镜的成像光束成像至红外成像探测器上，为了减少各个镜组和镜头对成像系统的影响，该组件的工作温度一般为-30℃以下。
本发明提供的在轨星上辐射定标系统工作方式如下：
可见光和红外的复合光束经过所述主镜1反射，入射到所述次镜2上，再进入所述三镜3并经所述三镜3反射后入射到所述分光镜4上，所述分光镜4对入射的可见光进行反射并对入射的红外光进行透射，经所述分光镜4反射的可见光入射到所述可见光焦平面组件6上，经所述分光镜4透射的红外光线入射进入所述红外反射镜5，并经所述红外反射镜5反射到所述成像组件7上，所述定标组件8移入所述红外光线所在的光路，所述红外成像组件7采集所述定标组件8形成的对应的图像，并根据所述对应的图像的灰度值差值和对应的辐射亮度差值得到辐射响应度，再根据所述辐射响应度对卫星图像进行非均匀性校正和定量化反演。
可以理解，在实际操作中，为保证可见光成像组件的结构稳定性，上述系统中主镜1、次镜2、三镜3、分光镜4、红外反射镜5及可见光焦平面组件6的温度环境为20℃±2℃，红外成像组件7的温度环境为-30℃±2℃。
请参阅图2，为本发明实施例提供的红外定标组件8的结构示意图，包括：位移驱动结构2-1、通光孔2-2、定标黑体2-3及定标灰体2-4。
在一些较佳的实施例中，位移驱动结构2-1由步进电机、机械位移结构、位置反馈元件组成。
可以理解，通过所述位移驱动结构2-1可驱动所述通光孔2-2、定标黑体2-3及定标灰体2-4移入光路中，从而实现正常成像、定标黑体2-3成像和定标灰体2-4成像。
请参阅图3，为本发明实施例提供的定标过程的结构示意图。
图3中，3a为正常成像时成像光束3-1经过通光孔2-2的状态，3b为定标灰体2-4移入成像光路的状态，3c为定标黑体2-3移入成像光路定标状态，通过位移机构2-1实现了三个状态的切换。
请参阅图4，为本发明实施例提供的定标黑体或者定标灰体的结构示意图，其中4a表示为定标黑体或者定标灰体的正视图，4b为定标黑体或者定标灰体的侧视图。
所述定标黑体2-3包括依次层叠设置的有效辐射面4-1、匀热层4-2、面加热层4-3及隔热保温层4-4，所述有效辐射面4-1、匀热层4-2、面加热层4-3及隔热保温层4-4由框架4-5固定，框架4-5与2-1的位移驱动机构组成一体，从而实现可三种状态的切换。
在一些较佳实施例中，面加热层4-3为薄膜型电加热器。
在一些较佳实施例中，隔热保温层4-4由多层隔热组件组成，可以起到良好的隔热保温作用。
在一些较佳实施例中，所述有效辐射面4-1由若干个涂有黑漆的锥型凸台组成，所述黑漆具有较高的反射率，使得有效辐射面4-1具有较高发射率表面。
在一些较佳实施例中，匀热层4-2为具有高导热系数的铜紫匀热层，使得有效辐射面的温度均匀。
在一些较佳的实施例中，所述匀热层4-2内包括有高精度温度传感器4-6，可以实时对定标黑体或灰体进行温度闭环控制和温度采集。
所述定标灰体2-4与定标黑体2-3的结构相同，不同之处在于所述定标灰体2-4的有效辐射面由表面镀金形成的漫反射表面，具有较低的发射率，详细结构参见定标黑体2-3，这里不再赘述。
在轨定标模式有两种，一种是短期的两点定标，在每次、每轨、或每天卫星对地成像前，将定标黑体2-2预热至常规的温度(如300K)并稳定后，定标灰体2-4，始终保持稳定的低温(如240K)。对于短期的两点定标具体为：
所述位移驱动结构将所述定标灰体2-4移入所述红外光线所在的光路，所述红外成像组件7采集定标灰体的图像；
所述位移驱动结构2-1再驱动将所述定标黑体2-3切入移入所述红外光线所在的光路，所述红外成像组件7采集定标黑体2-3的图像；
所述位移驱动结构2-1再驱动所述通光孔2-2移入所述红外光线所在的光路；
根据所述定标灰体2-4的图像和所述定标黑体2-3的图像的像元灰度值之差ΔDNi和对应的辐射亮度之差ΔL，计算每个像元的辐射响应度Ri(Ri＝ΔDNi/ΔL)；
所述位移驱动结构2-1再驱动所述通光孔2-2移入所述红外光线所在的光路，获取在轨卫星图像，每幅图像对应像元的灰度值都减去定标灰体的像元灰度值，作为有效信号，再利用所述辐射响应度进行均匀性校正或用于定量反演。
另一种是长周期的多点定标方式，定标周期为15天或30天等，该定标模式下，定标黑体2-3始终保持低温(如240K)，定标黑体的温度由260K到340K，间隔5K或10K，依次进行辐射定标。每次定标时先将定标黑体设置到预定的温度并保持稳定。具体定标流程如下：
所述位移驱动结构2-1驱动所述定标灰体2-4移入所述红外光线所在的光路，所述成像组件7采集所述定标灰体2-4的图像；
所述位移驱动结构2-1再驱动所述定标黑体2-3移入所述红外光线所在的光路，所述成像组件采集7所述定标黑体的图像；
所述位移驱动结构2-1再驱动所述通光孔2-2移入所述红外光线所在的光路；
根据所述定标黑体2-3与所述定标灰体2-4的辐射之差(ΔL1ΔL2ΔL3……ΔLn)和对应图像中像元的灰度值之差(ΔDNi1ΔDNi2ΔDNi3……ΔDNin)，利用最小二乘法计算辐射响应度Ri；
所述位移驱动结构2-1再驱动所述通光孔2-2移入所述红外光线所在的光路，获取在轨卫星图像，每幅图像对应像元的灰度值都减去定标灰体的像元灰度值，作为有效信号，再利用所述辐射响应度进行均匀性校正或用于定量反演。
可以理解，所述定标黑体温度可以设置多个温度点，依次完成每个温度点下的定标黑体图像采集，以及定标灰体的图像采集。
本发明提供的在轨星上辐射定标系统，将低温定标灰体和高温定标黑体交替移入光路，获取对应的图像，通过获取低温灰体和高温黑体的辐射亮度差值，与对应图像灰度值的差值，有效扣除了相机内部杂散辐射的影响，通过数据处理获取对应像元的辐射响应度，提高定标精度和定量化反演的水平。
此外，本发明提供的在轨星上辐射定标系统，具有体积小、功耗小、重量轻等特点，定标灰体为其提供较低的红外辐射亮度，定标黑体为其提供较高的红外辐射亮度，增加了红外子系统的辐射定标温度范围，有效扣除相机本体杂散辐射，提高辐射定标精度，具有较好的工程应用前景。
当然本发明的在轨星上辐射定标系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。
Claims (7)
1.一种大口径红外相机在轨星上红外辐射定标系统，其特征在于，包括：主镜、次镜、三镜、分光镜、红外反射镜、可见光焦平面组件、红外成像组件及红外定标组件，所述红外定标组件设置于所述红外反射镜和红外成像组件之间，可见光和红外的复合光束经过所述主镜反射，入射到所述次镜上，再进入所述三镜并经所述三镜反射后入射到所述分光镜上，所述分光镜对入射的可见光进行反射并对入射的红外光进行透射，经所述分光镜反射的可见光入射到所述可见光焦平面组件上，经所述分光镜透射的红外光线入射进入所述红外反射镜，并经所述红外反射镜反射到所述红外成像组件上，所述红外定标组件移入所述红外光线所在的光路，所述红外成像组件采集所述红外定标组件形成的对应的图像，并根据所述对应的图像的灰度值差值和对应的辐射亮度差值得到辐射响应度，再根据所述辐射响应度对卫星图像进行非均匀性校正和定量化反演；
所述红外定标组件包括位移驱动结构、通光孔、定标黑体及定标灰体，所述位移驱动结构驱动所述通光孔、定标黑体及定标灰体移入光路中；
所述定标黑体包括依次层叠设置的有效辐射面、匀热层、面加热层及隔热保温层，所述有效辐射面、匀热层、面加热层及隔热保温层由框架固定，所述有效辐射面由若干个涂有黑漆的锥型凸台组成；
所述定标灰体包括依次层叠设置的有效辐射面、匀热层、面加热层及隔热保温层，所述有效辐射面、匀热层、面加热层及隔热保温层由框架固定，所述有效辐射面为镀金的漫反射表面。
2.如权利要求1所述的大口径红外相机在轨星上红外辐射定标系统，其特征在于，所述匀热层内包括有高精度温度传感器。
3.如权利要求1所述的大口径红外相机在轨星上红外辐射定标系统，其特征在于，采用短期两点定标方式，所述短期两点定标方式具体为：
所述位移驱动结构驱动所述定标灰体移入所述红外光线所在的光路，所述红外成像组件采集所述定标灰体的图像；
所述位移驱动结构再驱动所述定标黑体移入所述红外光线所在的光路，所述红外成像组件采集所述定标黑体的图像；所述位移驱动结构再驱动所述通光孔移入所述红外光线所在的光路；
根据所述定标灰体的图像和所述定标黑体的图像的像元灰度值之差和对应的辐射亮度之差，计算每个像元的辐射响应度；
所述位移驱动结构再驱动所述通光孔移入所述红外光线所在的光路，获取在轨卫星图像，每幅图像对应像元的灰度值都减去定标灰体的像元灰度值，作为有效信号，再利用所述辐射响应度进行均匀性校正或用于定量反演。
4.如权利要求1所述的大口径红外相机在轨星上红外辐射定标系统，其特征在于，采用长周期多点定标方式，所述长周期多点定标方式具体为：
所述位移驱动结构驱动所述定标灰体移入所述红外光线所在的光路，所述红外成像组件采集所述定标灰体的图像；
所述位移驱动结构驱动所述定标黑体移入所述红外光线所在的光路，所述成像组件采集所述定标黑体的图像；
位移驱动结构再驱动所述通光孔移入所述红外光线所在的光路；
根据所述定标黑体与所述定标灰体的辐射之差和对应图像中像元的灰度值之差，利用多个温度点对应的辐射亮度和图像像元数据，再利用最小二乘法计算像元辐射响应度；
所述位移驱动结构再驱动所述通光孔移入所述红外光线所在的光路，获取在轨卫星图像，每幅图像对应像元的灰度值都减去定标灰体的像元灰度值，作为有效信号，再利用所述辐射响应度进行均匀性校正或用于定量反演。
5.如权利要求4所述的大口径红外相机在轨星上红外辐射定标系统，其特征在于，所述定标黑体温度可以设置多个温度点，依次完成每个温度点下的定标黑体图像采集，以及定标灰体的图像采集。
6.如权利要求1所述的大口径红外相机在轨星上红外辐射定标系统，其特征在于，所述可见光焦平面组件为由多个可见近红外图像探测器拼接而成的长焦平面阵列，用于将入射到焦面上的光信号转换为数字图像。
7.如权利要求1所述的大口径红外相机在轨星上红外辐射定标系统，其特征在于，所述成像组件包括低温红外光学系统组件和红外成像探测器组成，所述低温红外光学系统组件是由红外光学镜组和镜筒组成的组件，用于将红外反射镜的成像光束成像至红外成像探测器。
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