CN112284687B - 一种适用于深空探测成像光谱仪的成像模拟系统和方法 - Google Patents
一种适用于深空探测成像光谱仪的成像模拟系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种适用于深空探测成像光谱仪的成像模拟系统和方法，本发明系统包括低温箱、透光窗口、摆镜、反射镜、步进电机、低温箱控制器、低温箱数据和控制线，步进电机控制器，步进电机数据和控制线。该系统通过步骤(1)确定成像场景，安置成像光谱仪，连接各组件之间的数据和控制线；(2)确定低温箱的温度控制曲线；(3)确定摆镜的转动速度曲线；(4)高光谱数据采集和三维模型数据采集；(5高光谱数据辐射定标和几何校正；(6)根据所获取的辐射亮度图像，从图像和三维模型数据中选择验证点评价模拟成像环境下辐射和几何畸变。本发明的成像模拟系统和方法可用于成像光谱仪研制和发射前的成像质量评价。
Description
技术领域
本发明涉及深空探测技术领域，特别是涉及一种适用于深空探测成像光谱仪的成像模拟系统和方法。
背景技术
高光谱成像技术既可以获得成像目标的二维图像信息，有可以获得目标的光谱信息，具有图谱合一的特性。高光谱成像技术不仅广泛应用于对地观测、医学鉴定、化学分析测试等领域，也广泛应用于深空探测领域。国内外先后发射了多颗用于月球、火星、小行星等天体物质成分探测的高光谱卫星，它们在天体的物质成分探测中发挥了不可替代的作用。
一般情况下，星载成像光谱的工作环境温度与地面气温差异较大，且与卫星整体设计密切相关。多数情况下，星载成像光谱的工作环境温度并不是恒温的，而是在一定范围内波动。工作环境温度的变化会直接影响成像光谱仪的响应特性。因此，需要在地面建立深空探测成像光谱仪工作环境模拟系统，开展辐射定标实验。
成像光谱仪的魅力不仅在于它可以获取目标的光谱信息，更在于同时获取对目标成像。成像能力也是成像光谱仪性能的核心指标，对于成像能力的检验也同样重要。目前，推扫式成像仍然是成像光谱仪的主流运行方式。推扫式成像的特点是，随着仪器的运动，以一定的帧频获取目标的一行图像(穿轨方向空间维)，通过时间的累计形成了二维图像空间的另一个维度。在深空探测领域中，受探测天体的运行特点，搭载成像光谱仪的卫星运行轨道往往是椭圆轨道。在椭圆轨道成像时，对于推扫式成像光谱来说，每一帧对应的地面像元尺寸并不相同，且与卫星轨道参数和所处轨道位置密切相关。为了更好地评价成像光谱仪的成像能力，需要合理的优化设计，在地面建立用于模拟深空探测成像光谱仪在椭圆轨道运行成像的系统，开展在轨成像模拟实验。
发明内容
针对现有的技术空白和缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种效果好的适用于深空探测成像光谱仪的成像模拟系统和方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的一种适用于深空探测成像光谱仪的成像模拟系统和方法，其特点是：
1、一种适用于深空探测成像光谱仪的成像模拟系统和方法，它包括低温箱1、透光窗口2、摆镜3、反射镜4、步进电机5、低温箱控制器6、低温箱数据和控制线7，步进电机控制器8，步进电机数据和控制线9，其特征在于：
透光窗口2安装在低温箱1上，用于透过成像光谱仪响应光谱范围内的管新干线；
低温箱1为真空或充满在透过成像光谱仪响应光谱范围非吸收气体形成低温，低温箱的温度范围应包含深空探测成像光谱仪工作环境温度范围，温度分辨率高于0.5℃，控温精度高于1℃；
透光窗口2应在过成像光谱仪响应光谱范围内的没有明显的吸收波长，透光窗口的尺寸大于成像光谱仪的镜头尺寸，透光窗口单独安装温度探头，监控透光窗口的温度；
摆镜3和反射镜4分别固定在支架上，摆镜3与步进电机5连接；
低温箱控制器6通过低温箱数据和控制线7与低温箱1连接，低温箱控制器6用于设置和采集低温箱1内各个温度探测点的温度；
步进电机控制器8通过步进电机数据和控制线9与步进电机5连接，步进电机控制器8通过控制步进电机5的转速，进而控制摆镜3的转动速度；
成像场景的光线经过摆镜3反射到反射镜4上，反射镜4将光反射通过低温箱1的透光窗口4进入成像光谱仪视场范围内。
一种基于适用于深空探测成像光谱仪的成像模拟系统的深空探测成像光谱仪的成像模拟方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)确定成像场景，安置成像光谱仪，连接各组件之间的数据和控制线。根据深空探测成像光谱仪的特点，选择和搭建成像场景，将深空探测成像光谱仪的成像模拟系统放置到适当的距离。将成像光谱仪放入低温箱(1)，将低温箱(1)、摆镜(3)和反射镜(4)调平；
(2)确定低温箱的温度控制曲线。根据卫星平台预测的星载成像光谱仪在轨运行时的工作环境温度曲线和低温箱(1)的温度控制最小间隔，确定低温箱(1)的温度控制曲线
(3)确定摆镜的转动速度曲线。根据绕转的天体参数、卫星平台运行椭圆轨道参数，结合开普勒定律导出关于运行时刻t的角速度函数ω′(ti)＝。根据模拟的运行时间段[t1,t2]和成像光谱仪帧频f，计算摆镜在[t1,t2]内获取每一帧图像(j)时所对应的角速度wj，计算方法为
wj＝κω(tj)
其中，α为视场缩放系数；NL为帧数。α的计算方法为
其中，α1深空探测成像光谱仪在[t1,t2]内运行的卫星轨道所对应的总角度；α2为成像场景所对应的总角度。NL的计算方法为
NL＝f(t1-t2)
(4)开启系统中的各个设备，待低温控制箱达到温度函数曲线初值时开始采集高光谱数据。用三维激光扫描仪同时扫描成像场景，获得成像场景的三维模型；
(5)根据成像光谱仪的辐射定标系数和光学参数对数据做辐射定标和几何校正，得到经过几何校正后的辐射亮度图像；
(6)根据所获取的辐射亮度图像，从图像和三维模型数据中选择验证点评价模拟成像环境下辐射和几何畸变。
本发明的有益效果如下：成像模拟系统和方法使用低温箱控温模拟成像光谱仪的工作环境，使用摆镜的摆动模拟深空探测成像光谱仪运行于椭圆轨道时处于变速运动的情形，可同时模拟深空成像光谱仪的工作环境和运动成像，不仅可用于评价在轨运行时深空探测成像光谱仪的辐射和几何畸变，还可以用于评价工作环境温度的变化对深空成像光谱仪的辐射响应和成像质量的影响。
附图说明
图1是深空探测成像光谱仪成像模拟系统图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述，但本实施例并不限于本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
1、如图1所示，首先设计和安装深空探测成像光谱仪的成像模拟系统，它包括低温箱1、透光窗口2、摆镜3、反射镜4、步进电机5、低温箱控制器6、低温箱数据和控制线7，步进电机控制器8，步进电机数据和控制线9；
透光窗口2安装在低温箱1上，用于透过成像光谱仪响应光谱范围内的管新干线；
低温箱1为充满在液氮形成低温，低温箱的温度范围应包含深空探测成像光谱仪工作环境温度范围，温度分辨率为0.5℃，控温精度优于1℃；
透光窗口2选择蓝宝石玻璃，在成像光谱仪响应光谱范围内的没有明显的吸收波长，透光窗口的尺寸大于成像光谱仪的镜头尺寸，透光窗口单独安装温度探头，监控透光窗口的温度；
摆镜3和反射镜4分别固定在支架上，摆镜3与步进电机5连接；
低温箱控制器6通过低温箱数据和控制线7与低温箱1连接，低温箱控制器6用于设置和采集低温箱1内各个温度探测点的温度；
步进电机控制器8通过步进电机数据和控制线9与步进电机5连接，步进电机控制器8通过控制步进电机5的转速，进而控制摆镜3的转动速度；
成像场景的光线经过摆镜3反射到反射镜4上，反射镜4将光反射通过低温箱1的透光窗口4进入成像光谱仪视场范围内。
2、系统设计投产完成验收后，实施深空探测成像光谱仪地面模拟成像，包括以下步骤：
(1)确定成像场景，安置成像光谱仪，连接各组件之间的数据和控制线。根据深空探测成像光谱仪的特点，选择和搭建成像场景，将深空探测成像光谱仪的成像模拟系统放置到适当的距离。将成像光谱仪放入低温箱1，将低温箱1、摆镜3和反射镜4调平；
(2)确定低温箱的温度控制曲线。根据卫星平台预测的星载成像光谱仪在轨运行时的工作环境温度曲线和低温箱1的温度控制最小间隔，确定低温箱1的温度控制曲线
(3)确定摆镜的转动速度曲线。根据绕转的天体参数、卫星平台运行椭圆轨道参数，结合开普勒定律导出关于运行时刻t的角速度函数ω′(ti)＝。根据模拟的运行时间段[t1,t2]和成像光谱仪帧频f，计算摆镜在[t1,t2]内获取每一帧图像(j)时所对应的角速度wj，计算方法为
wj＝κω(tj)
其中，α为视场缩放系数；NL为帧数。α的计算方法为
其中，α1深空探测成像光谱仪在[t1,t2]内运行的卫星轨道所对应的总角度；α2为成像场景所对应的总角度。NL的计算方法为
NL＝f(t1-t2)
(4)开启系统中的各个设备，待低温控制箱达到温度函数曲线初值时开始采集高光谱数据。用三维激光扫描仪同时扫描成像场景，获得成像场景的三维模型；
(5)根据成像光谱仪的辐射定标系数和光学参数对数据做辐射定标和几何校正，得到经过几何校正后的辐射亮度图像；
(6)根据所获取的辐射亮度图像，从图像和三维模型数据中选择验证点评价模拟成像环境下辐射和几何畸变。
Claims (1)
1.一种基于适用于深空探测成像光谱仪的成像模拟系统的深空探测成像光谱仪的成像模拟方法，所述的成像模拟系统包括低温箱(1)、透光窗口(2)、摆镜(3)、反射镜(4)、步进电机(5)、低温箱控制器(6)、低温箱数据和控制线(7)，步进电机控制器(8)，步进电机数据和控制线(9)；其中：
透光窗口(2)安装在低温箱(1)上，用于透过成像光谱仪响应光谱范围内的管新干线；
低温箱(1)为真空或充满在透过成像光谱仪响应光谱范围非吸收气体形成低温，低温箱的温度范围应包含深空探测成像光谱仪工作环境温度范围，温度分辨率高于0.5℃，控温精度高于1℃；
透光窗口(2)应在过成像光谱仪响应光谱范围内的没有明显的吸收波长，透光窗口的尺寸大于成像光谱仪的镜头尺寸，透光窗口单独安装温度探头，监控透光窗口的温度；
摆镜(3)和反射镜(4)分别固定在支架上，摆镜(3)与步进电机(5)连接；
低温箱控制器(6)通过低温箱数据和控制线(7)与低温箱(1)连接，低温箱控制器(6)用于设置和采集低温箱(1)内各个温度探测点的温度；
步进电机控制器(8)通过步进电机数据和控制线(9)与步进电机(5)连接，步进电机控制器(8)通过控制步进电机(5)的转速，进而控制摆镜(3)的转动速度；
成像场景的光线经过摆镜(3)反射到反射镜(4)上，反射镜(4)将光反射通过低温箱(1)的透光窗口(2)进入成像光谱仪视场范围内；
其特征在于包括以下步骤：
(1)确定成像场景，安置成像光谱仪，连接各组件之间的数据和控制线，根据深空探测成像光谱仪的特点，选择和搭建成像场景，将深空探测成像光谱仪的成像模拟系统放置到适当的距离，将成像光谱仪放入低温箱(1)，将低温箱(1)、摆镜(3)和反射镜(4)调平；
(2)确定低温箱的温度控制曲线，根据卫星平台预测的星载成像光谱仪在轨运行时的工作环境温度曲线和低温箱(1)的温度控制最小间隔，确定低温箱(1)的温度控制曲线；
(3)确定摆镜的转动速度曲线，根据绕转的天体参数、卫星平台运行椭圆轨道参数，结合开普勒定律导出关于运行时刻t的角速度函数ω′(ti)，根据模拟的运行时间段[t1,t2]和成像光谱仪帧频f，计算摆镜在[t1,t2]内获取每一帧图像(j)时所对应的角速度wj，计算方法为：
wj＝κω(tj)
其中，κ为视场缩放系数；NL为帧数；κ的计算方法为：
其中，α1为深空探测成像光谱仪在[t1,t2]内运行的卫星轨道所对应的总角度；α2为成像场景所对应的总角度；NL的计算方法为：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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