CN113340425B - 一种面向星地激光通信的红外云成像仪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向星地激光通信的红外云成像仪系统，包括光学感应模块、通信控制模块、算法单元，光学感应模块由微波辐射热计相机搭载广角镜头组成，通信控制模块利用微型计算机，采用服务器‑客户端模式，算法单元包括辐射定标算法模块和云的光学深度算法模块，辐射定标算法模块用于解决非制冷焦平面阵列相机的温度漂移问题，云的光学深度算法模块利用原始遥感图像和实时温度数据，能够得出云的辐射图像；本发明能够应用于星地激光通信时分析云层数据，为预判云层干扰提供先验信息，解决了昼夜观测、远程在线下载和云统计信息不足等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向星地激光通信获取云辐射和云光学深度的测量装置，并且具体涉及红外辐射定标和检测云层光学深度的方法，可作为星地激光通信检测分析云层的实用装置系统。
背景技术
随着空间数据通信需求的不断提升，传统星地间采用的微波通信技术由于相对较低的传输速率已难以满足日益增长的数据传输需求，采用激光通信技术已成为未来星地之间通信的发展趋势。
在实现星地激光通信过程中，云对光学信号的衰减强度随云的光学性质的不同而差异很大。厚的云层使激光信号严重衰减，足以完全切断激光通信链路。光学薄云，特别是卷云，主要是通过散射衰减光束，降低激光信号能量。以往研究云的统计信息，仅针对云量和云状已不能满足星地激光通信领域的需求，还需研究云的光学深度。现有的云观测手段都有一定的局限性：卫星云图的空间分辨率在1公里以上，采样间隔在15分钟以上，时间和空间分辨率都很低，而雷达探测专用于定点天顶方向观测、且设备成本高，均无法满足实际应用需求为满足星地激光通信领域的需求，本发明提供一种作为星地激光通信中云辐射和云光学深度分析测量的装置。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种面向星地激光通信的红外云成像仪系统，可令非制冷红外相机的成像结果免受环境温度变化的影响；解决传统模式获取数据不便的问题，提供多用户在线访问数据模式，可实现远程在线访问服务器和下载图像数据；解决传统系统输出云图像信息不足的问题，同时提供了云辐射图像和云的光学深度图像。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种面向星地激光通信的红外云成像仪系统，包括光学感应模块、通信控制模块、算法单元，其中：
光学感应模块由微波辐射热计相机搭载广角镜头组成，光学感应模块用于将焦平面阵列采集到的场景辐射值转化为数据流格式，也就是通过相机内部的非制冷焦平面阵列采集视场上空场景的红外波段辐射数据。
通信控制模块提供交互式接口，可提供多用户远程访问和在线下载图像数据。通信控制模块利用微型计算机，采用服务器-客户端模式，将设备的服务器端口打开之后，能够接收多个用户在线访问和下载云图像数据，用户根据自身需求制定拍摄时间间隔，图像以时间戳的格式命名并保存在客户本地数据库中。
算法单元包括辐射定标算法模块和云的光学深度算法模块，辐射定标算法模块用于解决非制冷焦平面阵列相机的温度漂移问题，通过非制冷焦平面阵列温度依赖模型来补偿设备受环境温度变化的响应，提高相机响应的准确性。云的光学深度算法模块利用原始遥感图像和实时温度数据，能够得出云的辐射图像。利用云的辐射图像和大气传输模型的结果，能够得出云的光学深度。将云的光学深度与星地激光通信质量相关联，得到直观的数据可用于判断激光通信链路的传输状况。辐射定标算法模块用于保障图像的准确性，将原始遥感图像转化为辐射图像。云的光学深度算法模块能够将辐射图像转化为光学深度图像，反映云层对光信号的衰减情况，
辐射定标算法模块将微波辐射热计相机的输出与场景源的温度辐射构建联系，对此依赖进行补偿：
修正焦平面阵列温度依赖：
相机的响应输出为：DN＝G(T)Lt+B(T)，其中，DN表示相机的输出值，G(T)是温度相关增益，T表示场景温度，Lt表示场景辐射，B(T)是与温度相关的偏移量。
相机的温度修正方程为：其中，DNc是焦平面阵列温度校正的输出值，△T是焦平面阵列温度和25℃的参考温度之间的差值，b(ΔT)是温度相关的偏差校正，被描述为一个多项式函数与3个温度条件ΔT、ΔT2、ΔT3和1个常量偏置ο1有关，即：
b(ΔT)＝b1ΔT+b2ΔT2+bsΔT3-ο1
m(ΔT)是温度相关的增益校正，被描述为1个标量乘FPA温差，即：
m(ΔT)＝m1ΔT
则修正后的DN值与场景辐射值的关系为：
其中，b1表示一维校正参数，b2表示二维校正参数，bs表示三维校正参数，m1表示温度校正参数，Lsky表示场景辐射，g表示温度相关增益，b表示温度相关偏移量。
云的光学深度算法模块通过大气传输模型计算出的从云高到地面的7.5μm～13.5μm的红外波段大气路径总的辐射值和大气的平均透过率，利用公式计算出云的发射率：
其中，ε为云的发射率，Lcld为红外云成像仪获取的云辐射值，La为当地大气路径下总的辐射值，τ为大气路径下的平均透过率，Lbb为同等温度下的黑体的辐射值。
根据云的发射率与光学深度的关系式：
其中，σ表示。
最终能够得到云的光学深度图像，将云的光学深度与激光通信质量相关联，能够得到不同光学深度数值下，通信链路的状况，以达到激光通信链路状态最优化的目的。
进一步地：包括温度控制模块、温度控制模块包括温度调节设备和温度控制器，温度控制器通过温度传感器感知获取红外云成像系统内部实时温度信息，并通过控制温度调节设备的电源对仪器内部进行升降温处理、保持内部工作温度恒定，工作的启动阈值温度根据安装地点的气候环境在安装时进行设定。
温度控制模块用于实时获取仪器的温度信息，通过温度调节设备稳定红外云成像仪工作过程中系统内部温度，保证红外云成像仪自主、有效地工作。解决了环境温度影响红外云成像仪响应准确性的问题，通过温度调节设备自适应调节壳体内部温度，使壳体内的温度维持在一个能够让设备正常工作的温度范围内，降低环境温度波动对于相机输出响应的影响，保证获取数据的准确性。
优选的：广角镜头上方安置一个同等尺寸的锗玻璃片。
为红外云成像仪增加在线工作模式，通过采用客户端-服务器模式，为用户提供远程在线访问服务，允许用户访问服务器，按需定制云图拍摄任务及下载图像数据。
通过红外云成像仪系统获得的云辐射图像和云光学深度图像，不仅能够得到云量、云状信息，还能够额外提供云的光学深度信息。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明能够支持多用户在线下载云图像数据、拍摄间隔可调，针对本系统所处位置上空视场获取的云红外灰度图像，经辐射定标出理和光学深度算法分析，可得到天空的红外辐射图像和云的光学深度数值分布图像。
本发明具有低成本、高精度等特点。光学感应模块用于采集云图像数据；温度控制模块用于调节仪器内部温度；通信控制模块用于提供交互式接口，供多用户远程访问和在线下载图像数据；算法模块用于提供云量、云状和云的光学深度信息。本发明能够应用于星地激光通信时分析云层数据，为预判云层干扰提供先验信息，解决了昼夜观测、远程在线下载和云统计信息不足等问题。
附图说明
图1是红外云成像仪示意图。
图2是解决非制冷红外相机温度响应漂移图。
图3是红外辐射标定的流程图。
图4是云的光学深度流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种面向星地激光通信的红外云成像仪系统，参见附图1，由光学感应模块、温度控制模块、通信控制模块以及算法单元组成。
光学感应模块由微波辐射热计相机搭载广角镜头组成，镜头上方安置一个同等尺寸的锗玻璃片，它将焦平面阵列采集到的场景辐射值以数据流格式发送到缓存区中。
温度控制模块由温度调节设备和温度控制器组成，温度控制器通过温度传感器感知获取红外云成像系统内部实时温度信息，并通过控制温度调节设备的电源对仪器内部进行升降温处理、保持内部工作温度恒定，工作的启动阈值温度可以根据安装地点的气候环境在安装时进行设定。
通信控制模块利用微型计算机，采用服务器-客户端模式，将设备的服务器端口打开之后，能够接收多个用户在线访问和下载云图像数据，用户可以根据自身需求制定拍摄时间间隔(例如可设置最短间隔为1s，用户的采样频率须是最低采样频率的整数倍)，图像以时间戳的格式命名并保存在客户本地数据库中。
算法模块包括辐射定标算法和云的光学深度算法。辐射定标算法用于解决非制冷焦平面阵列相机的温度漂移问题，通过非制冷焦平面阵列温度依赖模型来补偿设备受环境温度变化的响应，提高相机响应的准确性。云的光学深度算法利用原始遥感图像和实时温度数据，能够得出云的辐射图像。利用云的辐射图像和大气传输模型的结果，能够得出云的光学深度。将云的光学深度与星地激光通信质量相关联，得到直观的数据可用于判断激光通信链路的传输状况。
算法单元包括辐射定标算法和云的光学深度算法。辐射定标算法用于解决非制冷焦平面阵列相机的温度漂移问题，通过非制冷焦平面阵列温度依赖模型来补偿设备受环境温度变化的响应，提高相机响应的准确性。云的光学深度算法利用原始遥感图像和实时温度数据，能够得出云的辐射图像。利用云的辐射图像和大气传输模型的结果，能够得出云的光学深度。将云的光学深度与星地激光通信质量相关联，得到直观的数据可用于判断激光通信链路的传输状况。
为应对环境对于仪器设备的影响，防止太阳直射和淋雨导致仪器损坏，各个模块设备都被封装在一个防爆、防雨的壳体内部，保证仪器能够正常工作。
每个用户能够在各自客户端启动软件，通过已知的服务器IP，连接至仪器服务器端，向控制器发送指令，超级用户能够根据仪器的安装地点设定温度控制器的启动阈值。成像仪最低的采样频率是1s，用户所需拍摄间隔应该是最低采样间隔的整数倍。服务器会自动在本地数据库创建文件夹存放图像文件，图像文件以当前时间戳命名，根据需要选用某种图像格式 (例如bmp图像格式)存放至文件夹中。实时的温度信息也同时存放入文档中，为算法模块补偿温度依赖提供信息。仪器自主、有效的昼夜不间断工作，将上方天空图像保存下来。当温度控制器接收到的实时温度超出预定阈值温度范围时，将会自动启用温度调节设备，对壳体内部装置进行升温或降温处理，以保证仪器能够正常工作。
微波辐射热计相机属于非制冷红外相机，其响应不止依赖于源辐射或温度，同时还受到焦平面阵列温度及环境温度的影响。因此，辐射定标需要将相机的输出与场景源的温度辐射构建联系，对此依赖进行补偿，否则相机就不能维持稳定的辐射定标。
修正焦平面阵列温度依赖：
相机的响应输出为：DN＝G(T)Lt+B(T)，其中，DN表示相机的输出值，G(T)是温度相关增益，T表示场景温度，Lt表示场景辐射，B(T)是与温度相关的偏移量。
相机的温度修正方程为：其中DNc是焦平面阵列温度校正的输出值，△T 是焦平面阵列(FPA)温度和25℃的参考温度之间的差值，b(ΔT)是温度相关的偏差校正，被描述为一个多项式函数与3个温度条件ΔT、ΔT2、ΔT3和1个常量偏置ο1有关，即：
b(ΔT)＝b1ΔT+bsΔT2+bsΔT3-ο1
m(ΔT)是温度相关的增益校正，被描述为1个标量乘FPA温差，即：
m(ΔT)＝m1ΔT
则修正后的DN值与场景辐射值的关系为：
其中，b1表示一维校正参数，b2表示二维校正参数，bs表示三维校正参数，m1表示温度校正参数，Lsky表示场景辐射，g表示温度相关增益，b表示温度相关偏移量。
以图2(a)～(c)黑体温度分别为10℃、20℃、30℃时环境温度变化为例，图中实线表示焦平面阵列温度校正前数据，点状线表示校正后数据，虚线是相机焦平面阵列温度稳定在25℃时输出响应，能够看出随着环境温度的升高，相机焦平面阵列温度跟着升高，相机对场景辐射的响应逐渐降低，通过非制冷焦平面阵列温度依赖模型校准后的相机响应将场景源的辐射输出相对误差降低到了5％左右。
参见附图3，红外辐射定标处理是将传感器获取图像的亮度灰度值转换为绝对的辐射亮度的过程。利用场景遥感图像和实时的温度信息，通过焦平面阵列温度校正系数，得到修正后的相机稳定响应。通过实验室黑体辐射校准，将修正后的相机响应值转化为辐射值图像。
参见附图4，云的光学深度算法通过大气传输模型(例如MODTRAN4)计算出的从云高到地面的7.5μm～13.5μm的红外波段大气路径总的辐射值和大气的平均透过率。利用公式
能够计算出云的发射率。其中ε为云的发射率，Lcld为红外云成像仪获取的云辐射值，La为当地大气路径下总的辐射值，τ为大气路径下的平均透过率，Lbb为同等温度下的黑体的辐射值。
根据云的发射率与光学深度的关系式：
最终能够得到云的光学深度图像，将云的光学深度与激光通信质量相关联，能够得到不同光学深度数值下，通信链路的状况，以达到激光通信链路状态最优化的目的。
微波辐射热计相机搭载广角镜头在微型计算机的操控下对天空进行成像，将所测得的温度信息和原始遥感图像存储于本地数据库中。通过获取的实时温度信息由温度控制器来控制温度调节装置对仪器内部进行升降温处理，避免温度波动造成相机响应漂移。微型计算机能够控制相机的拍摄间隔，并获取相机采集的数据流信息转换为图像格式遥感图像。通过获取的实时温度信息和遥感图像信息，进行辐射定标处理，得到有效的云辐射图像。利用大气辐射传输模型，得到当地的大气辐射值，能够计算出云的发射率，通过云的发射率与光学深度的关系从而计算出云的光学深度。因为是对云的红外波段进行采集测量，因此能够自主、有效的昼夜采集，得到具有高时间分辨率和空间分辨率的云辐射图像和云光学深度图像。用户能够通过远程访问下载所需时间段和特定采样频率的云图像。通过红外云成像仪系统采集云图相较于卫星拍摄云图，成本低廉，能够广布在各个激光地面站中使用，时空分辨率高，采样间隔在秒级，利用算法模块，得到高精度可靠的再分析数据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种面向星地激光通信的红外云成像仪系统，其特征在于：包括光学感应模块、通信控制模块、算法单元，其中：
光学感应模块由微波辐射热计相机搭载广角镜头组成，光学感应模块用于将焦平面阵列采集到的场景辐射值转化为数据流格式；
通信控制模块利用微型计算机，采用服务器-客户端模式，将设备的服务器端口打开之后，能够接收多个用户在线访问和下载云图像数据，用户根据自身需求制定拍摄时间间隔，图像以时间戳的格式命名并保存在客户本地数据库中；
算法单元包括辐射定标算法模块和云的光学深度算法模块，辐射定标算法模块用于解决非制冷焦平面阵列相机的温度漂移问题，通过非制冷焦平面阵列温度依赖模型来补偿设备受环境温度变化的响应，提高相机响应的准确性；云的光学深度算法模块利用原始遥感图像和实时温度数据，能够得出云的辐射图像；利用云的辐射图像和大气传输模型的结果，能够得出云的光学深度；将云的光学深度与星地激光通信质量相关联，得到直观的数据可用于判断激光通信链路的传输状况；
辐射定标算法模块将微波辐射热计相机的输出与场景源的温度辐射构建联系，对此依赖进行补偿：
修正焦平面阵列温度依赖：
相机的响应输出为：DN＝G(T)Lt+B(T)，其中，DN表示相机的输出值，G(T)是温度相关增益，T表示场景温度，Lt表示场景辐射，B(T)是与温度相关的偏移量；
相机的温度修正方程为：其中，DNc是焦平面阵列温度校正的输出值，△T是焦平面阵列温度和25℃的参考温度之间的差值，b(ΔT)是温度相关的偏差校正，被描述为一个多项式函数与3个温度条件ΔT、ΔT2、ΔT3和1个常量偏置○1有关，即：
b(ΔT)＝b1ΔT+b2ΔT2+bsΔT3-○1
m(ΔT)是温度相关的增益校正，被描述为1个标量乘FPA温差，即：
m(ΔT)＝m1ΔT
则修正后的DN值与场景辐射值的关系为：
其中，b1表示一维校正参数，b2表示二维校正参数，bs表示三维校正参数，m1表示温度校正参数，Lsky表示场景辐射，g表示温度相关增益，b表示温度相关偏移量；
云的光学深度算法模块通过大气传输模型计算出的从云高到地面的7.5μm～13.5μm的红外波段大气路径总的辐射值和大气的平均透过率，利用公式计算出云的发射率：
其中，ε为云的发射率，Lcld为红外云成像仪获取的云辐射值，La为当地大气路径下总的辐射值，τ为大气路径下的平均透过率，Lbb为同等温度下的黑体的辐射值；
根据云的发射率与光学深度的关系式：
其中，σ表示；
最终能够得到云的光学深度图像，将云的光学深度与激光通信质量相关联，能够得到不同光学深度数值下，通信链路的状况，以达到激光通信链路状态最优化的目的。
2.根据权利要求1所述面向星地激光通信的红外云成像仪系统，其特征在于：包括温度控制模块、温度控制模块包括温度调节设备和温度控制器，温度控制器通过温度传感器感知获取红外云成像系统内部实时温度信息，并通过控制温度调节设备的电源对仪器内部进行升降温处理、保持内部工作温度恒定，工作的启动阈值温度根据安装地点的气候环境在安装时进行设定。
3.根据权利要求1所述面向星地激光通信的红外云成像仪系统，其特征在于：广角镜头上方安置一个同等尺寸的锗玻璃片。
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| CN (2) | CN111811656A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7038789B1 (en) * | 2003-02-13 | 2006-05-02 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Remote panoramic infrared-imaging spectroradiometer with integrated encrypted broadcast beacon |
| CN101604830A (zh) * | 2009-07-14 | 2009-12-16 | 山东电力研究院 | 巡检架空线路线和杆塔用无人直升机系统及其方法 |
| EP2871452A1 (en) * | 2013-11-12 | 2015-05-13 | Rebellion Photonics, Inc. | Divided-aperture infra-red spectral imaging system |
| CN105657342A (zh) * | 2015-12-22 | 2016-06-08 | 哈尔滨工业大学 | 基于热像仪的星地双向高速激光通信大气影响探测方法 |
| CN106338737A (zh) * | 2015-07-09 | 2017-01-18 | 中国电力科学研究院 | 一种npp卫星定位定标校准方法 |
-
2020
- 2020-05-21 CN CN202010436550.3A patent/CN111811656A/zh active Pending
-
2021
- 2021-01-13 CN CN202110040044.7A patent/CN113340425B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "An infrared cloud imaging system for satellite-earth laser communications";Zhang zhiyong等;《EAI WiSATS》;第418-428页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113340425A (zh) | 2021-09-03 |
| CN111811656A (zh) | 2020-10-23 |
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