CN111220178A - 一种遥感器光轴指向精度在轨矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法。该方法包括根据必要条件公式计算，分析遥感器是否满足观测目标恒星的必要条件；通过调整调焦机构，使得像面处于预设焦面距离；在像面处于预设焦面距离后，采用带阈值的矩心法确定目标恒星的像点位置；根据所述目标恒星的像点位置，按照像偏移距离公式、方位距离公式、俯仰距离公式和偏移角公式分别计算获得目标恒星的实际成像点位置与观测仪焦点之间的距离、方位距离、俯仰距离和偏移角；将获得的偏移角作为遥感器当前光轴指向的固定误差，并根据所述固定误差修正遥感器的当前光轴指向位置。该方法能够在轨矫正光轴指向，从而有效地提高遥感器的光轴指向精度。

Description

一种遥感器光轴指向精度在轨矫正方法

技术领域

本发明涉及遥感器的技术领域，具体涉及一种遥感器光轴指向精度在轨矫正方法。

背景技术

大气层中的部分痕量气体元素具有垂直分布特性且呈现出较大的梯度。例如500米的地球临边切向的高度误差将导致平流层臭氧反演误差增加10％，对流层臭氧反演误差增加20％。当观测距离较远(如大于3000公里)时，扫描镜定位角度1’的误差将造成临边切向高度1km的误差，因此对痕量气体的临边观测需要精确地控制光轴在地球临边切向上的高度，以保证大气成分垂直分布的反演精度。

通过应用高精度编码器和精密轴系，扫描镜的转动角度能够达到很高的控制精度。但仍有多个系统误差和随机误差难以在地面精确标定，例如仪器光轴与卫星平台的安装误差，卫星平台的姿态误差，季节变化导致的温度漂移使光机组件产生误差，轴系自身的误差。本方法适合我国痕量气体观测仪在轨临边定位精度的修正，满足痕量气体反演的精度要求。

针对现有技术中扫描镜对痕量气体观测在轨临边定位精度存在误差的问题，急需一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法，从而有效地提高遥感器的光轴指向精度。

发明内容

针对现有技术中扫描镜对痕量气体观测在轨临边定位精度存在误差的问题，本发明实施例提供一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法，从而有效地提高遥感器的光轴指向精度。

该遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法的具体方案如下：一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法，包括：步骤S1：根据必要条件公式计算，分析遥感器是否满足观测目标恒星的必要条件；若满足，则进入步骤S2，否则，对遥感器光学参数进行适应性的修改直至满足S1；步骤S2：通过调整调焦机构，使得像面处于预设焦面距离；在像面处于预设焦面距离后，采用带阈值的矩心法确定目标恒星的像点位置；步骤S3：根据所述目标恒星的像点位置，按照像偏移距离公式、方位距离公式、俯仰距离公式和偏移角公式分别计算获得目标恒星的实际成像点位置与观测仪焦点之间的距离、方位距离、俯仰距离和偏移角；步骤S4：将步骤S3所获得的偏移角作为遥感器当前光轴指向的固定误差，并根据所述固定误差修正遥感器的当前光轴指向位置。

优选地，所述必要条件公式为H_cm＞＞H_m，其中，H_cm为遥感器探测恒星目标所获得的幅照度，H_m为探测器正常工作的最小可探测幅照度。

优选地，所述H_cm的具体计算公式为H_cm＝H·ω·η·S/S_l，其中，H为目标恒星的幅照度，H＝5*10¹⁰hc/2.512^ms(λ)，ms_s(λ)为目标星等数，h为普朗克常数，c为光速，ω为探测器接收光谱能量占总能量的百分比，η为光学透过率，S为通光面积，S＝πD²/4,D为入瞳直，S_l为星点像面积，S＝πd²/4，d为星点像直径。

优选地，所述探测器正常工作的最小可探测幅照度的具体计算公式为H_m＝E_α/(DR·T_m)，其中，E_α为探测器饱和曝光量，DR为CCD可用动态范围，T_m为最大积分时间。

优选地，所述预设焦面距离的具体公式为d＝c×k，其中，d为预设焦面距离，c为弥散斑直径，k为遥感器的F数。

优选地，所述带阈值的矩心法的具体公式为：

其中，I'(x,y)＝I(x,y)-T,当I(x,y)＞T，I'(x,y)＝0,当I(x,y)≤T，I(x,y)为信号强度，T为信号阈值，x、y满足(x-x₀)²+(y-y₀)²≤R²，R为弥散斑半径。

优选地，所述偏移距离公式的具体计算表达式为

所述方位距离公式的具体计算表达式为Δx_方位＝x_f-x₀、所述俯仰距离公式的具体计算表达式为Δx_俯仰＝y_f-y₀，所述偏移角公式的具体计算表达式为

其中，(x₀，y₀)为目标恒星像点的位置信息，(x_f，y_f)为观测仪焦点的位置信息，f为观测仪的焦距。

优选地，所述偏移角包括方位偏移角和俯仰偏移角。

优选地，所述步骤S4包括：确定目标恒星像点与焦点之间的连线与水平方向的夹角δ；确定光轴在水平方向上的偏差为Δθ_方位＝arcsin(tanΔθ·sinδ)；确定光轴在俯仰方向上的偏差为Δθ_俯仰＝arcsin(tanΔθ·cosδ)；根据所述Δθ_方位和Δθ_俯仰修正遥感器的当前光轴指向位置。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例所提供的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法通过在轨计算光轴的偏移角，从而实现在轨进行光轴矫正，且满足痕量气体反演的精度要求。本发明实施例所提供的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法避免了遥感器使用卫星平台提供姿态数据带来的传递误差，有效地提高了遥感器的光轴指向精度。本发明实施例所提供的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法可提供高时间分辨率的矫正周期，只要遥感器视场内存在可观测恒星，即可进行光轴矫正。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法的流程步骤示意图；

图2为本发明实施例中提供的目标恒星(天狼星)弥散斑定位拍摄的部分结果图的示意图；

图3为本发明实施例中提供的遥感器观星光学的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明实施例中提供的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法的流程步骤示意图。在该实施例中，一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法包括四个步骤，具体每个步骤的详细内容如下所述。

步骤S1：根据必要条件公式计算，分析遥感器是否满足观测目标恒星的必要条件；若满足，则进入步骤S2，否则，对遥感器光学参数进行适应性的修改直至满足S1。必要条件公式的具体表达式如公式1所示：

H_cm＞＞H_m (公式1)

其中，H_cm为遥感器探测恒星目标所获得的幅照度，H_m为探测器正常工作的最小可探测幅照度。

遥感器探测恒星目标所获得的幅照度H_cm的具体计算表达式如公式2所示：

H_cm＝H·ω·η·S/S_l (公式2)

其中，H为目标恒星的幅照度，H＝5*10¹⁰hc/2.512^ms(λ)，ms_s(λ)为目标星等数，h为普朗克常数，c为光速，ω为探测器接收光谱能量占总能量的百分比，η为光学透过率，S为通光面积，S＝πD²/4,D为入瞳直，S_l为星点像面积，S＝πd²/4，d为星点像直径。

探测器正常工作的最小可探测幅照度H_m的具体计算表达式如公式3所示：

H_m＝E_α/(DR·T_m) (公式3)

其中，S_m为探测器正常工作的最小可探测幅照度，E_α为探测器饱和曝光量，DR为CCD可用动态范围，T_m为最大积分时间。

步骤S2：通过调整调焦机构，使得像面处于预设焦面距离；在像面处于预设焦面距离后，采用带阈值的矩心法确定目标恒星的像点位置。预设焦面距离的具体表达式如公式4所示：

d＝c×k (公式4)

其中，d为预设焦面距离，c为弥散斑直径，k为遥感器的F数。

在目标恒星观测时机内，将仪器光轴对准目标星进行观测，观测过程中扫描镜反向转动补偿卫星运动带来的角度变化。目标星的像应该位于仪器的焦点上。本发明实施例中，采用带阈值的矩心法确定目标恒星的像点位置。带阈值的矩心法的具体计算表达式如公式5和公式6所示：

其中，I'(x,y)＝I(x,y)-T,当I(x,y)＞T，I'(x,y)＝0,当I(x,y)≤T，I(x,y)为信号强度，T为信号阈值，x、y满足(x-x₀)²+(y-y₀)²≤R²，R为弥散斑半径。

步骤S3：根据所述目标恒星的像点位置，按照像偏移距离公式、方位距离公式、俯仰距离公式和偏移角公式分别计算获得目标恒星的实际成像点位置与观测仪焦点之间的距离、方位距离、俯仰距离和偏移角。

偏移距离公式的具体计算表达式如公式7所示：

方位距离公式的具体计算表达式如公式8所示：

Δx_方位＝x_f-x₀ (公式8)

俯仰距离公式的具体计算表达式如公式9所示：

Δx_俯仰＝y_f-y₀ (公式9)

偏移角公式的具体计算表达式如公式10所示：

其中，(x₀，y₀)为目标恒星像点的位置信息，(x_f，y_f)为观测仪焦点的位置信息，f为观测仪的焦距。焦点位置由地面定标的方式得到，焦点与像点的位置均采用矩心算法得到精度至少为1/10像元的位置信息。

偏移角Δθ包括方位偏移角和俯仰偏移角。Δθ在方位方向的分量为方位偏移角，在俯仰方向的分量为俯仰偏移角。

步骤S4：将步骤S3所获得的偏移角作为遥感器当前光轴指向的固定误差，并根据所述固定误差修正遥感器的当前光轴指向位置。步骤S4在实施过程中，具体包括4个步骤：

步骤S41：确定目标恒星像点与焦点之间的连线与水平方向的夹角δ；

步骤S42：确定光轴在水平方向上的偏差为Δθ_方位＝arcsin(tanΔθ·sinδ)；

步骤S43：确定光轴在俯仰方向上的偏差为Δθ_俯仰＝arcsin(tanΔθ·cosδ)；

步骤S44：根据所述Δθ_方位和Δθ_俯仰修正遥感器的当前光轴指向位置，即调整当前光轴-Δθ_方位和-Δθ_俯仰。

本发明实施例所提供的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法通过在轨计算光轴的偏移角，从而实现在轨进行光轴矫正，且满足痕量气体反演的精度要求。

本发明实施例所提供的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法避免了遥感器使用卫星平台提供姿态数据带来的传递误差，有效地提高了遥感器的光轴指向精度。

本发明实施例所提供的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法可提供高时间分辨率的矫正周期，只要遥感器视场内存在可观测恒星，即可进行光轴矫正。

如图2所示，本发明实施例中提供的目标恒星(天狼星)弥散斑定位拍摄的部分结果图的示意图。本发明实施例以天狼星为目标恒星，结合图3所示的遥感器观星光学的示意图，详细地介绍遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法的具体过程。

已知某痕量探测仪系统焦距f为62mm，F数为5。探测仪能够观测到目标恒星(天狼星)的必要条件如公式1所示。H_cm为探测仪探测恒星目标所获得的幅照度，可采用公式2计算得到；H_m为探测器正常工作的最小可探测幅照度，可由公式3计算得到。在该具体实施例的计算过程中，目标恒星的幅照度的H＝5*10¹⁰hc/2.512^ms(λ)，ms_s(λ)为目标星等数，h为普朗克常数，c为光速，ω取10％，η取87％，S为通光面积，S＝πD²/4,D为入瞳直径取31mm，S_l为星点像面积，S＝πd²/4，d为星点像直径，取5倍像元直径55μm。E_α为探测器饱和曝光量，取为0.6μJ/cm²，DR取2¹²，T_m取1s。最终，计算获得H_cm＝0.44723×10^-10W/m²＞＞H_m＝0.6×10^-10/4096W/m²。

通过调整调焦机构，使得像面处于预设焦面距离d＝c×k，其中c为弥散斑大小，为5.5*5＝27.5；k为遥感器的F数，为5，则d为137.5μm。在目标恒星观测时机内，将仪器光轴对准目标星进行观测。遥感器位于90分钟轨道周期的太阳极轨，遥感器光轴随卫星以4°/min的速度转动，因此，观测过程中扫描镜需以同样的速度反向转动补偿卫星运动带来的角度变化。若光轴指向目标星的像应该位于仪器的焦点上，则采用公式5和公式6计算出像点位置。如图2所示，天狼星像点的位置为(1648.2,1474.3)。

探测仪焦点位置为(2144，1424)，根据像元大小5.5μm，由公式7计算天狼星的实际成像点与仪器焦点的距离即为恒星像偏移距离Δx,为2832.75μm。由公式10计算得到偏移角Δθ为2.616°，其中俯仰偏移角为0.256°，方位偏移角为2.518°。结合图3所示，将当前光轴的俯仰角度调整-0.256°，方位偏移角度调整-2.518°。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1：根据必要条件公式计算，分析遥感器是否满足观测目标恒星的必要条件；若满足，则进入步骤S2，否则，对遥感器光学参数进行适应性的修改直至满足S1；

步骤S2：通过调整调焦机构，使得像面处于预设焦面距离；在像面处于预设焦面距离后，采用带阈值的矩心法确定目标恒星的像点位置；

步骤S3：根据所述目标恒星的像点位置，按照像偏移距离公式、方位距离公式、俯仰距离公式和偏移角公式分别计算获得目标恒星的实际成像点位置与观测仪焦点之间的距离、方位距离、俯仰距离和偏移角；

步骤S4：将步骤S3所获得的偏移角作为遥感器当前光轴指向的固定误差，并根据所述固定误差修正遥感器的当前光轴指向位置。

2.根据权利要求1所述的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法，其特征在于，所述必要条件公式为H_cm＞＞H_m，其中，H_cm为遥感器探测恒星目标所获得的幅照度，H_m为探测器正常工作的最小可探测幅照度。

3.根据权利要求2所述的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法，其特征在于，所述H_cm的具体计算公式为H_cm＝H·ω·η·S/S_l，其中，H为目标恒星的幅照度，H＝5*10¹⁰hc/2.512^ms(λ)，ms_s(λ)为目标星等数，h为普朗克常数，c为光速，ω为探测器接收光谱能量占总能量的百分比，η为光学透过率，S为通光面积，S＝πD²/4,D为入瞳直，S_l为星点像面积，S＝πd²/4，d为星点像直径。

4.根据权利要求2所述的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法，其特征在于，所述H_m为探测器正常工作的最小可探测幅照度的具体计算公式为H_m＝E_α/(DR·T_m)，其中，E_α为探测器饱和曝光量，DR为CCD可用动态范围，T_m为最大积分时间。

5.根据权利要求1所述的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法，其特征在于，所述预设焦面距离的具体公式为d＝c×k，其中，d为预设焦面距离，c为弥散斑直径，k为遥感器的F数。

6.根据权利要求1所述的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法，其特征在于，所述带阈值的矩心法的具体公式为：

其中，I'(x,y)＝I(x,y)-T,当I(x,y)＞T，I'(x,y)＝0,当I(x,y)≤T，I(x,y)为信号强度，T为信号阈值，x、y满足(x-x₀)²+(y-y₀)²≤R²，R为弥散斑半径。

7.根据权利要求1所述的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法，其特征在于，所述偏移距离公式的具体计算表达式为

所述方位距离公式的具体计算表达式为Δx_方位＝x_f-x₀、所述俯仰距离公式的具体计算表达式为Δx_俯仰＝y_f-y₀，所述偏移角公式的具体计算表达式为

其中，(x₀，y₀)为目标恒星像点的位置信息，(x_f，y_f)为观测仪焦点的位置信息，f为观测仪的焦距。

8.根据权利要求7所述的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法，其特征在于，所述偏移角包括方位偏移角和俯仰偏移角。

9.根据权利要求7所述的一种遥感器光轴指向精度在轨矫正的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：确定目标恒星像点与焦点之间的连线与水平方向的夹角δ；确定光轴在水平方向上的偏差为Δθ_方位＝arcsin(tanΔθ·sinδ)；确定光轴在俯仰方向上的偏差为Δθ_俯仰＝arcsin(tanΔθ·cosδ)；根据所述Δθ_方位和Δθ_俯仰修正遥感器的当前光轴指向位置。

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