CN113049102B - 一种用于深空探测成像光谱仪的星上辐射定标系统和方法 - Google Patents
一种用于深空探测成像光谱仪的星上辐射定标系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种用于深空探测成像光谱仪的星上辐射定标系统和方法,系统包括余弦校正器、积分球、定标灯、挡板、光纤、控制线、控制器。该系统通过步骤(1)设计和研制星载成像光谱仪,卫星发射并到达成像目标区域后,分别先后实施引太阳光星上辐射定标和引积分球光星上辐射定标;(2)分别计算进行引太阳光和引积分球光星上辐射定标系数,得到两种星上辐射定标系数;(3)比较两种辐射定标系数之间的差异,用太阳光辐射定标系数对积分球光辐射定标系数进行校正;(4)根据星上辐射定标系数将成像数据信号值转换为辐射亮度。本发明系统和方法使星上辐射定标兼备时效性与可靠性,保证了星上辐射定标的持续性与有效性。
Description
技术领域
本发明涉及深空探测技术领域,特别是涉及一种用于深空探测成像光谱仪的星上辐射定标系统和方法。
背景技术
高光谱成像技术具有图谱合一的特性,既可以获得与成像目标空间特征相关的二维图像信息,又可以获得与目标的物质组成相关的光谱信息。成像光谱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卫星,这些卫星都搭载了不同性能的成像光谱仪,并且在天体的物质成分探测中发挥了不可替代的作用。
辐射定标的目的是将成像光谱仪获得的数字信号值转换为具有物理意义的辐射亮度。通过辐射亮度进一步获得可反映成像目标物质成分特性的反射率光谱、发射率光谱等物理量。辐射定标也可以认为是从数字信息到光谱信息转换的第一步,辐射定标的效果直接影响了后续光谱信息的反演效果,进而影响依靠光谱信息的物质成分探测结果。在对地观测领域中,经过长期的研究和实践,形成了以实验室定标、场地定标、星上定标、交叉定标等方法为主的辐射定标体系,从而保证了对地观测中成像光谱数据定量化的顺利实施。深空探测与对地观测的场景有很大的区别,诸如场地定标这种需要现场同步测量的定标方式根本无法实施。对于同一天体的载荷数量过少,交叉定标也难以有效实施。这就导致了星上定标几乎成为了深空探测成像光谱仪在卫星发射后辐射定标的唯一方式。因此,在深空成像光谱仪的研制中,也格外重视成像光谱仪的星上定标能力。太阳是包括对地观测、深空探测在内的等遥感场景的主要光源,常常作为成像光谱仪星上定标的标准光源。使用太阳作为定标源可以减少辐射标准传递过程,获得更高的辐射定标精度。然而,在深空探测领域中,受轨道周期、成像角度、卫星载荷设计限制等多种因素影响,导致无法不间断的实施以太阳为光源的星上辐射定标,使星上辐射定标的时效性与可靠性无法同时保证。针对这种情况,本发明提出了采用太阳和积分球相结合的星上辐射定标系统和方法。
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更好的适用于深空探测成像光谱仪的星上辐射定标系统和方法。其特点是:
1、一种适用于深空探测成像光谱仪的星上辐射定标系统,它包括余弦校正器1、积分球2、定标灯3、挡板4、光纤5、控制线6、控制器7,其中:
所述的余弦校正器1和积分球2固定在星载成像光谱仪外部,余弦校正器1和积分球2通过光纤5与成像光谱仪连接;
所述的积分球2为三孔积分球,内表面镀金,定标灯3为可溯源标准灯,固定于积分球2的其中两个孔上,两只定标灯3位于同一直线上,挡板4固定于连接光线5的积分球出口和定标灯3之间;
所述的定标灯3通过控制线6与控制器7连接,控制器7集成到星载成像光谱仪内部,控制器7控制定标灯3的开关状态和调节定标灯3的亮度;
所述的余弦校正器1将太阳辐射收集进入光纤5,光纤5将太阳辐射导入星载成像光谱仪,星载成像光谱仪固定区域探测器记录太阳辐射信号值。
所述的积分球2内的均匀辐射进入光纤5,光纤5将辐射导入星载成像光谱仪,星载成像光谱仪固定区域探测器记录积分球辐射信号值。
深空探测成像光谱仪的星上辐射定标的方法包括以下步骤:
(1)引太阳光星上辐射定标。当星载成像光谱仪太阳定标时,旋转装载星载成像光谱仪的卫星,使星载成像光谱仪的余弦校正器(1)对准太阳,开启星载成像光谱仪并记录太阳辐射的信号值;
(2)引积分球光星上辐射定标。当星载成像光谱仪探测或待机时确保余弦校正器1不接收处于太阳光照,并通过控制器7开启积分球内的标准灯,积分球2产生均匀的辐射通过光纤5进入星载成像光谱仪,开启星载成像光谱仪并记录积分球辐射的信号值;
(3)引太阳光星上辐射定标系数计算。具体步骤如下:
(3-1)入瞳太阳辐射亮度计算。根据余弦校正器1和光纤5对太阳光的透过率计算进入星载成像光谱仪的太阳入瞳辐射亮度,计算方法为
其中,Lsolar(k,t)为波段k,时刻t对应的太阳入瞳辐射;Esolar(λ,t)为波段λ,时刻t对应的太阳辐射,根据成像时间和日照常数计算;τ0(λ)为余弦校正器(1)的透过率;τ1(λ)为连接余弦校正器(1)和星载成像光谱仪的光纤(5)透过率;srf(k,λ)为星载成像光谱仪的k波段的光谱响应函数;λ1和λ2分别为星载成像光谱仪的起始和截止波长;
(3-2)辐射定标系数计算。根据星载成像光谱仪记录的太阳辐射信号值和入瞳太阳辐射亮度计算辐射定标系数,计算方法为
其中,csolar(k,t)为波段k,时刻t对应的星载成像光谱仪辐射定标系数;Ssolar(k,t)为扣除暗背景的信号值;
(4)引积分球光星上辐射定标系数计算。具体步骤如下:
(4-1)入瞳积分球辐射亮度计算。根据积分球2和光纤5的透过率计算进入星载成像光谱仪的入瞳积分球辐射亮度,计算方法为
其中,Lsph(k)为波段k,时刻t对应的入瞳积分球辐射亮度;Esph(λ)为波段λ对应的积分球辐射亮度,一般在卫星发射前进行标定得到;τ2(λ)为连接积分球2和星载成像光谱仪的光纤5透过率;srf(k,λ)为星载成像光谱仪的k波段的光谱响应函数;λ1和λ2分别为星载成像光谱仪的起始和截止波长;
(4-2)辐射定标系数计算。根据星载成像光谱仪记录的积分球辐射信号值和入瞳积分球辐射亮度计算辐射定标系数,计算方法为
其中,csph(k,t)为波段k,时刻t对应的星载成像光谱仪辐射定标系数;Ssph(k,t)为扣除暗背景的信号值;
(5)比较太阳光辐射定标系数csolar(k,t)和积分球光辐射定标系数csph(k,t)之间的差异是否超过辐射定标误差。如果超过则用太阳光辐射定标系数对积分球光辐射亮度光谱进行校正。校正方法为
Lsph,corr(k)=Ssph(k,t)csolar(k,t)
(6)成像数据辐射亮度计算。根据与成像数据同步获得的积分球光信号值计算每一帧的积分球光辐射定标系数,将成像数据的信号值转换为辐射亮度:
Limg(i,t,k)=c′(k,t)×Simg(i,t,k)
其中,Limg(i,t,k)为波段k,时刻t,探测单元i对应的成像数据辐射亮度;c′(k,t)为采用校正后的积分球光辐射亮度光谱计算的辐射定标系数;Simg(i,t,k)扣除暗背景和非均匀性校正后的成像数据信号值;Ssph(k,t)为扣除暗背景的积分球光谱信号值。
附图说明
图1深空探测成像光谱仪星上辐射定标系统;
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星上辐射定标系统,它包括余弦校正器1、积分球2、定标灯3、挡板4、光纤5、控制线6、控制器7,其中:
余弦校正器1和积分球2固定在星载成像光谱仪外部,余弦校正器1和积分球2通过光纤5与成像光谱仪连接,将星载成像光谱仪探测器的475-480元作为太阳辐射的成像像元组,将星载成像光谱仪探测器495-500元作为太阳辐射的成像像元组,;
积分球2为三孔积分球,内表面镀金,定标灯3为可溯源标准灯,固定于积分球2的其中两个孔上,两只定标灯3位于同一直线上,挡板4固定于连接光线5的积分球出口和定标灯3之间;
定标灯3通过控制线6与控制器7连接,控制器7集成到星载成像光谱仪内部,控制器7可以控制定标灯3的开关状态和调节定标灯3的亮度;
余弦校正器1将太阳辐射收集进入光纤5,光纤5将太阳辐射导入星载成像光谱仪,星载成像光谱仪固定区域探测器记录太阳辐射信号值。
积分球2内的均匀辐射进入光纤5,光纤5将辐射导入星载成像光谱仪,星载成像光谱仪固定区域探测器记录积分球辐射信号值。
2、卫星发射到达目标天体后,在星载成像光谱仪开机对目标天体成像时,根据卫星运行状态和运行轨道,实施星上辐射定标数据获取和数据处理,包括以下步骤:
(1)引太阳光星上辐射定标。当星载成像光谱仪太阳定标时,旋转装载星载成像光谱仪的卫星,使星载成像光谱仪的余弦校正器1对准太阳,开启星载成像光谱仪并记录太阳辐射的信号值;
(2)引积分球光星上辐射定标。当星载成像光谱仪探测或待机时确保余弦校正器1不接收处于太阳光照,并通过控制器7开启积分球内的标准灯,积分球2产生均匀的辐射通过光纤5进入星载成像光谱仪,开启星载成像光谱仪并记录积分球辐射的信号值;
(3)引太阳光星上辐射定标系数计算。具体步骤如下:
(3-1)入瞳太阳辐射亮度计算。根据余弦校正器1和光纤5对太阳光的透过率计算进入星载成像光谱仪的太阳入瞳辐射亮度,计算方法为
其中,Lsolar(k,t)为波段k,时刻t对应的太阳入瞳辐射;Esolar(λ,t)为波段λ,时刻t对应的太阳辐射,根据成像时间和日照常数计算;τ0(λ)为余弦校正器(1)的透过率;τ1(λ)为连接余弦校正器(1)和星载成像光谱仪的光纤(5)透过率;srf(k,λ)为星载成像光谱仪的k波段的光谱响应函数;λ1和λ2分别为星载成像光谱仪的起始和截止波长;
(3-2)辐射定标系数计算。根据星载成像光谱仪记录的太阳辐射信号值和入瞳太阳辐射亮度计算辐射定标系数,计算方法为
其中,csolar(k,t)为波段k,时刻t对应的星载成像光谱仪辐射定标系数;Ssolar(k,t)为扣除暗背景的信号值;
(4)引积分球光星上辐射定标系数计算。具体步骤如下:
(4-1)入瞳积分球辐射亮度计算。根据积分球2和光纤5的透过率计算进入星载成像光谱仪的入瞳积分球辐射亮度,计算方法为
其中,Lsph(k)为波段k,时刻t对应的入瞳积分球辐射亮度;Esph(λ)为波段λ对应的积分球辐射亮度,一般在卫星发射前进行标定得到;τ2(λ)为连接积分球2和星载成像光谱仪的光纤5透过率;srf(k,λ)为星载成像光谱仪的k波段的光谱响应函数;λ1和λ2分别为星载成像光谱仪的起始和截止波长;
(4-2)辐射定标系数计算。根据星载成像光谱仪记录的积分球辐射信号值和入瞳积分球辐射亮度计算辐射定标系数,计算方法为
其中,csph(k,t)为波段k,时刻t对应的星载成像光谱仪辐射定标系数;Ssph(k,t)为扣除暗背景的信号值;
(5)比较太阳光辐射定标系数csolar(k,t)和积分球光辐射定标系数csph(k,t)之间的差异是否超过辐射定标误差。如果超过则用太阳光辐射定标系数对积分球光辐射亮度光谱进行校正。校正方法为
Lsph,corr(k)=Ssph(k,t)csolar(k,t)
(6)成像数据辐射亮度计算。根据与成像数据同步获得的积分球光信号值计算每一帧的积分球光辐射定标系数,将成像数据的信号值转换为辐射亮度:
Limg(i,t,k)=c′(k,t)×Simg(i,t,k)
其中,Limg(i,t,k)为波段k,时刻t,探测单元i对应的成像数据辐射亮度;c′(k,t)为采用校正后的积分球光辐射亮度光谱计算的辐射定标系数;Simg(i,t,k)扣除暗背景和非均匀性校正后的成像数据信号值;Ssph(k,t)为扣除暗背景的积分球光谱信号值。
Claims (1)
1.一种基于用于深空探测成像光谱仪的星上辐射定标系统的深空探测成像光谱仪的星上辐射定标的方法,所述的星上辐射定标系统包括余弦校正器(1)、积分球(2)、定标灯(3)、挡板(4)、光纤(5)、控制线(6)、控制器(7),其中:
所述的余弦校正器(1)和积分球(2)固定在星载成像光谱仪外部,余弦校正器(1)和积分球(2)通过光纤(5)与成像光谱仪连接;
积分球(2)为三孔积分球,内表面镀金,定标灯(3)为可溯源标准灯,固定于积分球(2)的其中两个孔上,两只定标灯(3)位于同一直线上,挡板(4)固定于连接光线(5)的积分球出口和定标灯(3)之间;
定标灯(3)通过控制线(6)与控制器(7)连接,控制器(7)集成到星载成像光谱仪内部,控制器(7)可以控制定标灯(3)的开关状态和调节定标灯(3)的亮度;
余弦校正器(1)将太阳辐射收集进入光纤(5),光纤(5)将太阳辐射导入星载成像光谱仪,星载成像光谱仪固定区域探测器记录太阳辐射信号值;
积分球(2)内的均匀辐射进入光纤(5),光纤(5)将辐射导入星载成像光谱仪,星载成像光谱仪固定区域探测像元记录积分球辐射信号值;
其特征在于所述的星上辐射定标的方法包括以下步骤:
1)引太阳光星上辐射定标,当星载成像光谱仪太阳定标时,旋转装载星载成像光谱仪的卫星,使星载成像光谱仪的余弦校正器(1)对准太阳,开启星载成像光谱仪并记录太阳辐射的信号值;
2)引积分球光星上辐射定标,当星载成像光谱仪探测或待机时确保余弦校正器(1)不接收太阳光照,并通过控制器(7)开启积分球内的标准灯,积分球(2)产生均匀的辐射通过光纤(5)进入星载成像光谱仪,开启星载成像光谱仪并记录积分球辐射的信号值;
3)引太阳光星上辐射定标系数计算,具体步骤如下:
3-1)入瞳太阳辐射亮度计算,根据余弦校正器(1)和光纤(5)对太阳光的透过率计算进入星载成像光谱仪的太阳入瞳辐射亮度,计算方法为
其中,Lsolar(k,t)为波段k,时刻t对应的太阳入瞳辐射;Esolar(λ,t)为波段λ,时刻t对应的太阳辐射,根据成像时间和日照常数计算;τ0(λ)为余弦校正器(1)的透过率;τ1(λ)为连接余弦校正器(1)和星载成像光谱仪的光纤(5)透过率;srf(k,λ)为星载成像光谱仪的k波段的光谱响应函数;λ1和λ2分别为星载成像光谱仪的起始和截止波长;
3-2)辐射定标系数计算,根据星载成像光谱仪记录的太阳辐射信号值和入瞳太阳辐射亮度计算辐射定标系数,计算方法为:
其中,csolar(k,t)为波段k,时刻t对应的星载成像光谱仪辐射定标系数;Ssolar(k,t)为扣除暗背景的信号值;
4)引积分球光星上辐射定标系数计算,具体步骤如下:
4-1)入瞳积分球辐射亮度计算,根据积分球(2)和光纤(5)的透过率计算进入星载成像光谱仪的入瞳积分球辐射亮度,计算方法为:
其中,Lsph(k)为波段k,时刻t对应的入瞳积分球辐射亮度;Esph(λ)为波段λ对应的积分球辐射亮度,一般在卫星发射前进行标定得到;τ2(λ)为连接积分球(2)和星载成像光谱仪的光纤(5)透过率;srf(k,λ)为星载成像光谱仪的k波段的光谱响应函数;λ1和λ2分别为星载成像光谱仪的起始和截止波长;
4-2)辐射定标系数计算,根据星载成像光谱仪记录的积分球辐射信号值和入瞳积分球辐射亮度计算辐射定标系数,计算方法为:
其中,csph(k,t)为波段k,时刻t对应的星载成像光谱仪辐射定标系数;Ssph(k,t)为扣除暗背景的信号值;
5)比较太阳光辐射定标系数csolar(k,t)和积分球光辐射定标系数csph(k,t)之间的差异是否超过辐射定标误差指标,如果超过则用太阳光辐射定标系数对积分球光辐射亮度光谱进行校正;校正方法为:
Lsph,corr(k)=Ssph(k,t)csolar(k,t)
6)成像数据辐射亮度计算,根据与成像数据同步获得的积分球光信号值计算每一帧的积分球光辐射定标系数,将成像数据的信号值转换为辐射亮度:
Limg(i,t,k)=c′(k,t)×Simg(i,t,k)
其中,Limg(i,t,k)为波段k,时刻t,探测单元i对应的成像数据辐射亮度;c′(k,t)为采用校正后的积分球光辐射亮度光谱计算的辐射定标系数;Simg(i,t,k)扣除暗背景和非均匀性校正后的成像数据信号值;Ssph(k,t)为扣除暗背景的积分球光谱信号值。
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