CN110243393A - 一种新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置，涉及航空遥感技术领域，可以包括反射镜组件、太阳敏感器组件、姿态调控组件和电控系统；所述姿态调控组件与所述反射镜组件连接，用于带动所述反射镜组件运转；所述太阳敏感器组件安装于所述反射镜组件上，所述太阳敏感器组件的光轴与所述反射镜组件的反射镜法线相平行；所述太阳敏感器组件、所述姿态调控组件均与所述电控系统连接。本发明适用于高轨与低轨光学遥感卫星的全谱段辐射定标，以实现不同轨道的卫星载荷在太阳反射波段、中红外波段与热红外波段(0.35μm‑12.5μm)进行绝对辐射定标与像质评价。
Description
技术领域
本发明涉及航天遥感技术领域，特别是涉及一种新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置。
背景技术
辐射定标与成像质量评价是光学遥感卫星影像数据定量化应用的前提和基础，是促进遥感信息产品应用广度和深度的关键环节之一。
尽管发射前，在实验室对光学传感器的性能进行过严格的检测，但是受到卫星发射震动和加速度、空间运行环境变化及元器件老化等诸多的因素影响，其成像性能会发生一定程度的衰退，需要在卫星运行期间对其辐射特性与成像质量进行定期或不定期的跟踪监测。
部分遥感器虽然搭载了太阳漫反射板与黑体等星上定标系统，但是这些定标系统自身随着时间与空间辐照等因素影响也会发生衰变，并不能够保障遥感器的星上定标精度。高轨或低轨光学遥感卫星的在轨性能检测国际上发展了以大面积辐射校正场(如敦煌场、青海湖等)、人工靶标或水体、交叉定标等替代方法，实现光学遥感载荷的在轨绝对辐射定标，但是仅能实现单点定标(单一辐亮度)，且受天气条件、地理位置等限制，难以实现全谱段、全动态范围的高精度移动定标。基于恒星或月亮的辐射定标则对卫星平台要求较高，需要实现轨道翻转来观测星恒或者月亮进行在轨定标，IKONOS与Eros-B卫星通过轨道翻转以深空背景中的恒星作为辐射定标的参照目标，对其辐射特性与像质等性能进行在轨检测，该方法对卫星平台性能要求较高，存在较大风险，同时恒星色温与太阳色温差别较大且缺少高精度的观测数据，虽然月亮反射率稳定，但其亮度会随着照明与观测几何位置关系的改变而变化，不适用于在轨绝对辐射定标。法国空间研究中心利用高能量聚光灯作为参照目标光源对SPOT卫星进行在轨辐射定标，但是聚光灯不仅需要大功率的电源供电，而且还需要进行辐射定标，另外聚光灯光源与太阳光间存在光谱非一致性，仅能够覆盖可见-近红外波段，不能实现全谱段定标并给检测结果带来较大误差。美国则利用凸面镜反射太阳光对Quickbird卫星进行定标与质评，作为参照目标的凸面镜设计需要遥感载荷辐射定标参数，与其作用相互矛盾且具有一定局限性，仅适用于太阳反射波段。
因此，急需发展一种适用于高轨与低轨光学遥感卫星的全谱段辐射定标参照目标，以实现不同轨道的卫星载荷在太阳反射波段、中红外波段与热红外波段(0.35μm-12.5μm)进行绝对辐射定标与像质评价。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置，以实现不同轨道的光学遥感卫星在太阳反射波段、中红外及热红外波段的全动态自动化定标。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置，包括反射镜组件、太阳敏感器组件、姿态调控组件和电控系统；所述姿态调控组件与所述反射镜组件连接，用于带动所述反射镜组件运转；所述太阳敏感器组件安装于所述反射镜组件上，所述太阳敏感器组件的光轴与所述反射镜组件的反射镜法线相平行；所述太阳敏感器组件、所述姿态调控组件均与所述电控系统连接。
优选的，所述姿态调控组件包括传动机构、拖链托盘和底座支撑；所述底座支撑的上端安装所述拖链托盘，所述拖链托盘的上端安装所述传动机构，所述传动机构与所述反射镜组件连接，用于带动所述反射镜组件运转。
优选的，所述传动机构包括方位驱动机构、立柱和俯仰驱动机构；
所述方位驱动机构包括方位电机和方位减速机，所述方位减速机通过减速机过渡板安装于所述拖链托盘的上端，所述方位电机通过法兰与所述方位减速机相连接，所述立柱的底端通过法兰与所述方位减速机相连接，所述立柱的上部两端安装有轴承座，两个所述轴承座之间安装有俯仰轴，所述俯仰轴的两端安装有用于与所述反射镜组件相连接的法兰；
所述俯仰驱动机构包括俯仰电机和俯仰减速机，所述俯仰减速机通过减速机支架安装于两个所述轴承座之间，所述俯仰减速机与所述俯仰轴的中部传动连接，所述俯仰电机通过法兰与俯仰减速机相连接。
优选的，所述减速机过渡板中部安装有固定轴，所述固定轴的上端通过方位编码器支架安装有方位编码器，所述方位编码器支架与所述固定轴之间安装有联轴器，所述方位编码器支架安装于所述减速机过渡板上，所述减速机过渡板上安装有方位接近开关支架，所述方位接近开关支架上安装有方位接近开关。所述减速机过渡板安装于所述底座支撑上端，所述拖链托盘安装于所述减速机过渡板的上端；所述拖链托盘上设置有用于存放线缆走线的拖链；
所述俯仰轴上安装有俯仰轴编码器，所述俯仰轴编码器通过俯仰轴编码器支架安装于所述轴承座上，所述俯仰轴的一端设置的所述法兰的外侧通过俯仰接近开关支架安装有俯仰接近开关；所述俯仰轴固定于所述轴承座中，所述俯仰轴的轴承加设有防尘密封圈并由轴承盖限位。
优选的，所述底座支撑包含三脚支撑，所述三脚支撑的底端安装有调节螺杆，所述调节螺杆底部安装有圆形支撑盘，所述圆形支撑盘通过锁紧螺母固定。
优选的，所述述电控系统包括电控柜、嵌入式工控机、触摸屏和电机驱动器组成，所述电控柜安装于底座支撑间，所述嵌入式工控机、电机驱动器、触摸屏安装于所述电控柜内，用于全谱段辐射定标参照目标的姿态调控操作与状态监视。
优选的，所述反射镜组件包括反射镜框架、反射镜支撑球铰、大面积反射镜和防护罩；所述反射镜框架上方设置所述防护罩，用于大面积反射镜保护，所述防护罩通过锁扣与所述反射镜框架相连接；
进一步地，所述反射镜框架为整体焊接件，包括两个间隔设置的梯形桁架结构，所述梯形桁架上焊接有横向主梁、纵梁和边框，所述反射镜支撑球铰通过固定支座均匀分布在所述纵梁和边框上，所述反射镜支撑球铰上安装有螺杆，所述螺杆底端和上端分别通过螺母和螺套与所述反射镜支撑球铰固定锁紧，所述螺杆的顶端安装有用于所述大面积反射镜底端面粘接的吸盘。
优选的，所述大面积反射镜通过16个所述反射镜支撑球铰固定支撑于所述反射镜框架上，所述反射镜通过胶粘与所述吸盘连接；所述大面积反射镜四周均匀设置有L型压块，所述L型压块与所述大面积反射镜表面留有间隙。
优选的，所述大面积反射镜的尺寸为2.7m×1.6m，所述大面积反射镜采用在光学玻璃基底前表面，通过真空镀膜技术，镀高反射率的金属铝薄膜，并且加镀保护膜，形成金属镀膜的反射镜，所述大面积反射镜的厚度为10mm。
优选的，所述太阳敏感器组件包括太阳观察器、摄像头和减光滤镜；所述太阳观察器用于对所述大面积反射镜法向进行标校，包括两端带有小孔的法兰和长柱，上端的所述法兰的小孔位于所述摄像头视场的四角位置，上下端所述法兰相对应的小孔连线垂直于反射镜面；所述减光滤镜安装于所述摄像头的光学镜头前，用于对太阳光进行衰减；所述摄像头用于对太阳的连续观测成像，以标校装置姿态。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明以大面积反射镜(2.7m×1.6m)作为高轨或极轨光学遥感卫星全谱段辐射定标的参照目标，适用于太阳反射波段、中红外波段与热红外波段(0.35μm-12.5μm)航天光学遥感载荷的辐射定标与成像质量评价；
2、本发明以16个小尺寸支撑球铰加螺杆吸盘(直径80mm)的结构形式，支撑大面积反射镜，且每个球铰吸盘的高度和方向可调，以保证装置运动过程中大面积反射镜的表面平面度与面型精度，同时支撑球铰可有效抵消不同材料间因热膨胀系数不同而产生的相对位移与大面积反射镜的内应力；
3、本发明将太阳观察器与宽视场高分辨摄像头相结合而形成太阳敏感器，并通过对恒星太阳运动轨迹的连续跟踪成像，结合俯仰轴编码器与方位编码器反馈控制，实现装置太阳敏感器光轴与反射镜法线平行性、俯仰轴与方位轴正交性、装置水平度的精确标定，进而实现全谱段辐射定标参照目标装置高精度姿态调控；
4、本发明内置电控系统，通过友好的人机交互触摸屏软件，操控姿态调控组件的电机与减速机所组成的传动机构带动大面积反射镜运转，并通过编码器与太阳敏感器反馈构成闭环控制系统，自动跟踪太阳进行全谱段辐射定标参照目标装置自校准；
5、本发明的大面积反射镜可以通过遮挡方式实现太阳光照射反射镜反光面积的调整，以适用不同动态范围的高轨或低轨光学遥感卫星的辐射定标与成像质量评价应用需求，同时还可以根据高轨静止卫星全谱段辐射定标的应用需求，实现装置自动跟踪太阳运行并将反射太阳光固定指向高轨静止卫星光学遥感载荷，以进行全谱段全动态自动化定标。
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他的附图。
图1为新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置的结构示意图；
图2为反射镜支撑球铰与大面积反射镜的粘接示意图；
图3为太阳敏感器组件的结构示意图；
图4为姿态调控组件的结构示意图；
其中，1、电控系统，2、姿态调控组件，3、反射镜组件，4、太阳敏感器组件，5、三脚支撑，6、圆形支撑盘，7、拖链托盘，8、梯形桁架，9、锁扣，10、防护罩，11、大面积反射镜，12、L型压块，13、反射镜框架，14、固定支座，15、吸盘，16、螺杆，17、反射镜支撑球铰，18、小孔，19、摄像头，20、长柱，21、减光滤镜，22、拖链，23、方位接近开关支架，24、方位接近开关，25、俯仰接近开关支架，26、俯仰接近开关，27、俯仰减速机，28、俯仰轴编码器，29、法兰，30、俯仰轴，31、轴承座，32、俯仰电机，33、方位减速机，34、方位电机，35、立柱。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-4所示，本实施例提供一种新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置，包括反射镜组件3、太阳敏感器组件4、姿态调控组件2、电控系统1。所述反射镜组件3主要由反射镜框架13、反射镜支撑球铰17、大面积反射镜11与防护罩10组成；太阳敏感器组件4安装于反射镜组件3上，其光轴与反射镜法线相平行，主要由太阳观察器、摄像头19与减光滤镜21组成；所述姿态调控组件2主要由传动机构、拖链托盘7、底座支撑组成。
在本实施例中，所述底座支撑采用可调高度、可拆卸的三脚支撑5，所述支撑底端安装有调节螺杆16，所述螺杆16底部安装有圆形支撑盘6，通过锁紧螺母固定；所述底座支撑上端安装有拖链托盘7，所述拖链托盘7上端安装有传动机构，所述传动机构主要由方位驱动机构、立柱35、俯仰驱动机构组成，所述方位减速机33通过减速机过渡板安装于拖链托盘7上端，方位电机34通过法兰29与方位减速机33相连接，所述立柱35通过法兰29与方位减速机33相连接，所述立柱35上部两端安装有轴承座31，所述轴承座31之间安装有俯仰轴30，所述俯仰轴30两端部安装有用于与反射镜组件3相连接的法兰29，两轴承座31间通过减速机支架安装有俯仰减速机27，所述俯仰减速机27与俯仰轴30中部传动连接，所述俯仰电机32通过法兰29与俯仰减速机27相连接，进一步地，俯仰减速机27和方位减速机33均采用涡轮蜗杆减速机。
在本实施例中，所述的反射镜框架13上方设置有用于大面积反射镜11保护的防护罩10，所述防护罩10通过锁扣9与反射镜框架13相连接，所述反射镜框架13为整体焊接件，包含有两个间隔设置的梯形桁架8结构，所述梯形桁架8上焊接有横向主梁、纵梁以及边框；
进一步地，所述反射镜支撑球铰17的固定支座14均匀分布在反射镜框架的纵梁和边框上，所述固定支座14支座上安装有反射镜支撑球铰17，所述反射镜支撑球铰17上安装有螺杆16，所述螺杆16底端通过螺母且上端通过螺套与反射镜支撑球铰17固定锁紧，所述螺杆16的顶端安装有用于大面积反射镜11底端面粘接的吸盘15；所述大面积反射镜11(2.7m×1.6m)通过16个反射镜支撑球铰17固定支撑于反射镜框架13上，所述大面积反射镜11通过胶粘与吸盘15(直径80mm)连接，所述反射镜支撑球铰17通过螺套使得螺杆16在球铰中心轴向移动，从而保证16个支撑球铰的吸盘15位于同一高度的水平面上，进而保证大面积反射镜11的平面度。
本实施例中反射镜支撑球铰17的应用可以有效解决不同材料胶粘带来的热胀冷缩问题，通过球铰的微小移动来抵消材料形变差异，以使反射镜组件3适用于不同温度环境；所述大面积反射镜11四周均匀设置有L型压块12，且L型压块12与反射镜表面留有1mm间距，以防止装置运动过程中大面积反射镜11脱落。
在本实施例中，所述大面积反射镜11是在光学玻璃基底前表面，通过真空镀膜技术，镀高反射率的金属铝薄膜，避免红外吸收而增加其中波红外及热红外波段反射率，同时为防止反射铝膜在空气中氧化加镀保护膜，进而形成金属镀膜的高反射光学一次反射镜。在太阳反射波段至中波红外及热红外的全谱段范围内反射镜的镜面反射率优于80％，所述大面积反射镜11厚度为10mm，以保持较高的硬度和优于0.1％的面型精度。
在本实施例中，所述太阳敏感器光轴与反射镜法线相平行，包含太阳观察器、摄像头19与减光滤镜21，所述太阳观察器用于对反射镜法向进行标校，由两端带有小孔18的法兰29与长柱20组成，上端法兰的小孔18位于底端摄像头19视场的四角位置，所述上下端法兰29相对应的小孔18连线垂直于反射镜面，即当太阳光经太阳观察器上端小孔18入射，经下端小孔18照射至大面积反射镜11，并经反射镜反射后的反射光线能够再次经上端入射小孔18出射；所述减光滤镜21安装于摄像头19的光学镜头前，用于对太阳光进行衰减；所述摄像头19用于对太阳的连续观测成像，以标校装置姿态；
在本实施例中，所述减速机过渡板中部安装有固定轴，所述固定轴上端部通过方位编码器支架安装有方位编码器，所述方位编码器支架与固定轴之间安装有联轴器，所述方位编码器支架安装于减速机过渡板上，所述减速机过渡板上安装有方位接近开关支架23，所述方位接近开关支架23上安装有方位接近开关24。所述减速机过渡板安装于底座支撑上端，所述拖链托盘7安装于减速机过渡板上端；所述方位减速机33通过螺栓与减速机过渡板固连，所述立柱35通过螺栓与方位减速机33固连，所述拖链托盘7用于存放电机与开关线缆走线的拖链22，并在装置运转过程中托起线缆拖链22而不绕线或折断；
在本实施例中，所述俯仰减速机27一侧的轴上安装有俯仰轴编码器28，所述俯仰轴编码器28通过俯仰轴编码器支架安装于在其一侧的轴承座31上，所述的连接法兰29外侧通过俯仰接近开关支架25安装有俯仰接近开关26。所述俯仰轴30固定于轴承座31中，轴承加防尘密封圈并由轴承盖限位，轴两端通过键与法兰29相连，俯仰轴30中部通过螺栓与俯仰减速机27相连，所述减速机通过螺栓与减速机支架固连，所述俯仰轴编码器28通过螺栓与俯仰轴编码器支架固连，所述轴承座31及减速机支架通过螺栓与立柱35固连。
在本实施例中，所述电控系统1主要由电控柜、嵌入式工控机、触摸屏、电机驱动器组成，所述电控柜安装于底座支撑间，具体地，所述电控柜通过配打螺栓安装于两个三脚支撑5间；所述嵌入式工控机、电机驱动器、触摸屏安装于电控柜内部，用于全谱段辐射定标参照目标的姿态调控操作与状态监视。
在本实施例中，所述电控柜用于安装装置的硬件电路控制系统，所述嵌入式工控机是控制系统的主控制器，所述触摸屏与所述嵌入式工控机连接，用于控制软件的人机交互，所述嵌入式工控机的硬件电路包含电机控制、编码器反馈、摄像头19太阳图像获取与处理、开关状态监测等，分别与电机驱动器、编码器、摄像头19、接近开关等连接，用于全谱段辐射定标参照目标的空间指向姿态调整与状态监视的自动化操作。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置，其特征在于：包括反射镜组件、太阳敏感器组件、姿态调控组件和电控系统；所述姿态调控组件与所述反射镜组件连接，用于带动所述反射镜组件运转；所述太阳敏感器组件安装于所述反射镜组件上，所述太阳敏感器组件的光轴与所述反射镜组件的反射镜法线相平行；所述太阳敏感器组件、所述姿态调控组件均与所述电控系统连接。
2.根据权利要求1所述的新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置，其特征在于：所述姿态调控组件包括传动机构、拖链托盘和底座支撑；所述底座支撑的上端安装所述拖链托盘，所述拖链托盘的上端安装所述传动机构，所述传动机构与所述反射镜组件连接，用于带动所述反射镜组件运转。
3.根据权利要求2所述的新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置，其特征在于：所述传动机构包括方位驱动机构、立柱和俯仰驱动机构；
所述方位驱动机构包括方位电机和方位减速机，所述方位减速机通过减速机过渡板安装于所述拖链托盘的上端，所述方位电机通过法兰与所述方位减速机相连接，所述立柱的底端通过法兰与所述方位减速机相连接，所述立柱的上部两端安装有轴承座，两个所述轴承座之间安装有俯仰轴，所述俯仰轴的两端安装有用于与所述反射镜组件相连接的法兰；
所述俯仰驱动机构包括俯仰电机和俯仰减速机，所述俯仰减速机通过减速机支架安装于两个所述轴承座之间，所述俯仰减速机与所述俯仰轴的中部传动连接，所述俯仰电机通过法兰与俯仰减速机相连接。
4.根据权利要求3所述的新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置，其特征在于：所述减速机过渡板中部安装有固定轴，所述固定轴的上端通过方位编码器支架安装有方位编码器，所述方位编码器支架与所述固定轴之间安装有联轴器，所述方位编码器支架安装于所述减速机过渡板上，所述减速机过渡板上安装有方位接近开关支架，所述方位接近开关支架上安装有方位接近开关。所述减速机过渡板安装于所述底座支撑上端，所述拖链托盘安装于所述减速机过渡板的上端；所述拖链托盘上设置有用于存放线缆走线的拖链；
所述俯仰轴上安装有俯仰轴编码器，所述俯仰轴编码器通过俯仰轴编码器支架安装于所述轴承座上，所述俯仰轴的一端设置的所述法兰的外侧通过俯仰接近开关支架安装有俯仰接近开关；所述俯仰轴固定于所述轴承座中，所述俯仰轴的轴承加设有防尘密封圈并由轴承盖限位。
5.根据权利要求4所述的新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置，其特征在于：所述底座支撑包含三脚支撑，所述三脚支撑的底端安装有调节螺杆，所述调节螺杆底部安装有圆形支撑盘，所述圆形支撑盘通过锁紧螺母固定。
6.根据权利要求5所述的新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置，其特征在于：所述述电控系统包括电控柜、嵌入式工控机、触摸屏和电机驱动器组成，所述电控柜安装于底座支撑间，所述嵌入式工控机、电机驱动器、触摸屏安装于所述电控柜内，用于全谱段辐射定标参照目标的姿态调控操作与状态监视。
7.根据权利要求1所述的新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置，其特征在于：所述反射镜组件包括反射镜框架、反射镜支撑球铰、大面积反射镜和防护罩；所述反射镜框架上方设置所述防护罩，用于大面积反射镜保护，所述防护罩通过锁扣与所述反射镜框架相连接；
进一步地，所述反射镜框架为整体焊接件，包括两个间隔设置的梯形桁架结构，所述梯形桁架上焊接有横向主梁、纵梁和边框，所述反射镜支撑球铰通过固定支座均匀分布在所述纵梁和边框上，所述反射镜支撑球铰上安装有螺杆，所述螺杆底端和上端分别通过螺母和螺套与所述反射镜支撑球铰固定锁紧，所述螺杆的顶端安装有用于所述大面积反射镜底端面粘接的吸盘。
8.根据权利要求7所述的新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置，其特征在于：所述大面积反射镜通过16个所述反射镜支撑球铰固定支撑于所述反射镜框架上，所述反射镜通过胶粘与所述吸盘连接；所述大面积反射镜四周均匀设置有L型压块，所述L型压块与所述大面积反射镜表面留有间隙。
9.根据权利要求8所述的新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置，其特征在于：所述大面积反射镜的尺寸为2.7m×1.6m，所述大面积反射镜采用在光学玻璃基底前表面，通过真空镀膜技术，镀高反射率的金属铝薄膜，并且加镀保护膜，形成金属镀膜的反射镜，所述大面积反射镜的厚度为10mm。
10.根据权利要求9所述的新型自动化全谱段辐射定标参照目标装置，其特征在于：所述太阳敏感器组件包括太阳观察器、摄像头和减光滤镜；所述太阳观察器用于对所述大面积反射镜法向进行标校，包括两端带有小孔的法兰和长柱，上端的所述法兰的小孔位于所述摄像头视场的四角位置，上下端所述法兰相对应的小孔连线垂直于反射镜面；所述减光滤镜安装于所述摄像头的光学镜头前，用于对太阳光进行衰减；所述摄像头用于对太阳的连续观测成像，以标校装置姿态。
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