CN114088358B - 空间相机在轨成像的测试系统和测试评价系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间相机在轨成像的测试系统和测试评价系统，该测试系统包括：景物模拟装置、包含有平面反射镜的相机运动模拟成像装置、平行光管和空间相机；景物模拟装置模拟地球表面的景物得到模拟景物；平面反射镜照射模拟景物，以使相机运动模拟成像装置根据平面反射镜的转折光路接收到照射的景物；相机运动模拟成像装置形成照射景物的景物实像，景物实像成像于平行光管的焦面；景物实像经由平行光管成像于空间相机的焦面；空间相机根据焦面上形成的景物实像，输出与模拟景物对应的景物图像，基于景物图像测试空间相机的成像性能。该方式在实验室内，可实现模拟大口径的空间相机对地成像，并通过获取的景物图像评估空间相机的在轨成像性能。

Description

空间相机在轨成像的测试系统和测试评价系统

技术领域

本发明涉及空间光学领域，尤其是涉及一种空间相机在轨成像的测试系统和测试评价系统。

背景技术

可见光空间相机在研制完成后，需要对其实施室外景物成像试验。通常将空间相机安装在高精密运动装置上，带动相机匀速运动，模拟空间相机在轨成像，获取景物图像，以对空间相机的在轨成像性能进行测试。

随着空间光学遥感器的发展，可见光空间相机的口径逐渐增大到1米、1.5米，甚至2米量级及更大口径。可见光空间相机的体积和重量大幅增加，用于空间相机室外成像的高精密运动装置的承载重量及精密速度控制等要求大幅增加，而满足空间相机应用的高精密运动装置的几乎难以研制，且耗费大量的人力、物力和科研经费，在空间相机研制完成后，难以实施对室外景物成像，无法对空间相机的成像性能进行测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间相机在轨成像的测试系统和测试评价系统，以实现对大口径的可见光空间相机在轨成像的测试。

第一方面，本发明提供了一种空间相机在轨成像的测试系统，该测试系统包括：景物模拟装置、相机运动模拟成像装置、平行光管和空间相机；其中，相机运动模拟成像装置包括平面反射镜；景物模拟装置用于模拟地球表面的景物，得到模拟景物；平面反射镜用于照射模拟景物，以使相机运动模拟成像装置根据平面反射镜的转折光路接收到照射的景物；相机运动模拟成像装置用于形成照射的景物的景物实像；其中，景物实像成像于平行光管的焦面上；景物实像经由平行光管成像于空间相机的焦面上；空间相机根据焦面上形成的景物实像，输出与模拟景物对应的景物图像，以基于景物图像测试空间相机的成像性能。

在可选的实施方式中，上述平面反射镜能够匀速转动；该平面反射镜的转动速度根据空间相机的成像行频进行调整，以使转动速度与空间相机的成像行频相匹配。

在可选的实施方式中，上述相机运动模拟成像装置还包括转角平面反射镜、主镜、次镜、三镜和像面；平面反射镜中照射到的景物，经由平面反射镜转折后入射到转角平面反射镜上；转角平面反射镜上射入的景物依次入射到主镜、次镜和三镜上；像面根据三镜上入射的景物形成景物实像。

在可选的实施方式中，上述景物模拟装置包括景物模拟器、太阳光模拟源和太阳高角调节支撑架；景物模拟器的一侧放置太阳高角调节支撑架，在太阳高角调节支撑架上安装太阳光模拟源；景物模拟器上布设有多种虚拟景物；该太阳光模拟源用于在太阳高角调节支撑架上通过调节高度和照射角度，模拟不同太阳高角入射到景物模拟器上。

在可选的实施方式中，上述景物模拟器的尺寸为1.6m×0.8m×0.2m。

在可选的实施方式中，上述虚拟景物包括：地球表面的真实景物按照预设的比例缩小后的景物；该虚拟景物均采用真实材料。

在可选的实施方式中，上述景物模拟装置水平放置在指定位置。

在可选的实施方式中，上述平行光管的焦距为空间相机的焦距的3倍，该平行光管的口径大于空间相机的入瞳；该平面反射镜的有效尺寸能够使相机运动模拟成像装置获取到景物模拟装置中场景的全部图像。

在可选的实施方式中，上述景物模拟装置内布设有刃边靶标和三线靶标。

第二方面，本发明提供了一种空间相机在轨成像的测试评价系统，该测试评价系统包括结果判读系统和上述空间相机在轨成像的测试系统；空间相机在轨成像的测试系统用于输出空间相机形成的与模拟景物对应的景物图像；结果判读系统用于基于景物图像测试空间相机的成像性能。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明提供的一种空间相机在轨成像的测试系统和测试评价系统，该测试系统包括：景物模拟装置、包含有平面反射镜的相机运动模拟成像装置、平行光管和空间相机；景物模拟装置模拟地球表面的景物，得到模拟景物；平面反射镜照射模拟景物，以使相机运动模拟成像装置根据平面反射镜的转折光路接收到照射的景物；相机运动模拟成像装置形成照射的景物的景物实像；该景物实像成像于平行光管的焦面上；该景物实像经由平行光管成像于空间相机的焦面上；空间相机根据焦面上形成的景物实像，输出与模拟景物对应的景物图像，以基于景物图像测试空间相机的成像性能。该方式在实验室内，可实现模拟大口径的空间相机对地成像，并通过获取的景物图像评估空间相机的在轨成像性能。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的一种空间相机在轨成像的测试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种空间相机在轨成像的测试系统的构成图；

图3为本发明实施例提供的一种景物模拟装置的示意图；

图4为本发明实施例提供的相机运动模拟成像装置的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种空间相机在轨成像的测试评价系统的结构示意图。

附图标记：10-景物模拟装置；11-相机运动模拟成像装置；12-平行光管；13-空间相机；100-景物模拟器；101-太阳光模拟源；102-太阳高角调节支撑架；110-平面反射镜；111-转角平面反射镜；112-主镜；113-次镜；114-三镜；115-像面；50-结果判读系统；51-空间相机在轨成像的测试系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

空间相机作为一种造价高昂的大型仪器，一旦发射上天就难以对其成像质量进行修正和改善，同时影响空间相机成像质量的因素有多种多样，仅依靠发射前的部件测试或发射后的在轨测试难以满足对高质量空间相机使用的要求。虽然最终对空间相机的测试需要实际在轨真实测试，但是这种在轨测试一方面各种影响因素互相叠加，不容易分析单个影响因素对最终成像质量的影响，不容易判定成像劣化的原因，难以寻求改进方法；同时即便发现有某些问题也往往会因为已经发射上天而无法进行修正。因此发射前科学准确的地面等效测试是非常必要的。

随着空间光学遥感器的发展，可见光空间相机的口径逐渐增大，可见光空间相机的体积和重量大幅增加，用于空间相机室外成像的高精密运动装置的承载重量及精密速度控制等要求大幅增加，而满足空间相机应用的高精密运动装置的几乎难以研制，且耗费大量的人力、物力和科研经费，在空间相机研制完成后，难以实施对室外景物成像，无法对空间相机的成像性能进行测试。

基于上述问题，本发明实施例提供了一种空间相机在轨成像的测试系统和测试评价系统，该系统可以应用于空间相机的测试场景中，尤其是大口径的可见光空间相机的测试场景中。为了便于对本发明实施例进行理解，首先对本发明实施例提供的一种空间相机在轨成像的测试系统进行详细介绍，如图1所示，该测试系统包括：景物模拟装置10、相机运动模拟成像装置11、平行光管12和空间相机13；其中，相机运动模拟成像装置11包括平面反射镜110。

上述景物模拟装置10用于模拟地球表面的景物，得到模拟景物。具体地，该景物模拟装置10可以模拟典型地面景物和目标的场景，模拟典型太阳光照条件下地面景物输出的光谱辐射亮度和景物的形态等。也即是该模拟景物为模拟的太阳光照下的景物，该景物可以由植被、公路、水泥路、草地、沙漠、土壤、机场、湖泊等场景组成，在场景内布设楼房、住房、轿车、货车、飞机、轮船等形成典型的景物。

上述平面反射镜110用于照射模拟景物，以使相机运动模拟成像装置11根据平面反射镜的转折光路接收到照射的景物；相机运动模拟成像装置11用于形成照射的景物的景物实像；其中，该景物实像成像于平行光管12的焦面上；该景物实像经由平行光管成像于空间相机13的焦面上；上述空间相机13根据焦面上形成的景物实像，输出与模拟景物对应的景物图像，以基于景物图像测试空间相机的成像性能。

具体地，上述平面反射镜110能够匀速转动；该平面反射镜110的转动速度根据空间相机的成像行频进行调整，以使转动速度与空间相机13的成像行频相匹配。由于平面反射镜110的转动速度与空间相机13的推扫成像时的行频相匹配，从而使得空间相机13可以获得模拟景物对应的景物图像。

具体地，相机运动模拟成像装置11利用内部设置的平面反射镜110的匀速转动，模拟地面景物目标的匀速运动，与空间相机13在轨运行对地面景物目标成像效果等效，在实验室内可对空间相机13进行模拟成像试验。相机运动模拟成像装置11将景物模拟装置10内设置的地面景物目标成像于平行光管12的焦面上，形成一个景物实像，再经过平行光管12成像于空间相机13的焦平面上，空间相机输出对应的景物图像。进而可以利用景物图像测试空间相机13对景物成像性能进行评估。

为了便于对本发明实施例进行理解，图2给出了一种空间相机在轨成像的测试系统的构成图。如图2所示，景物模拟装置10模拟地球表面的景物，包括景物几何形态和光谱辐射亮度，经过平面反射镜110转折光路后，被相机运动模拟成像装置11接收，并在其焦面处形成景物实像，相机运动模拟成像装置11的焦面与平行光管12的焦面重合，该焦面上的景物实像经过平行光管12成像于空间相机13的焦面上，空间相机13输出对应景物模拟装置的景物图像。

在一些实施例中，平面反射镜110距离景物模拟装置10的距离不小于5米，相机运动模拟成像装置11的物距扩展至不小于10米，且景物模拟装置10水平放置在指定位置（该指定位置可以是实验室内的地面上），便于更换场景以及场景内的景物。在实际应用中，上述平行光管12的焦距为空间相机的焦距的3倍，该平行光管12的口径大于空间相机13的入瞳；平面反射镜110的有效尺寸能够使相机运动模拟成像装置11获取到景物模拟装置10中场景的全部图像。具体地，平面反射镜的直径可以不小于700mm。

本发明实施例提供的一种空间相机在轨成像的测试系统，该测试系统中的景物模拟装置模拟地球表面的景物，得到模拟景物；平面反射镜照射模拟景物，以使相机运动模拟成像装置根据平面反射镜的转折光路接收到照射的景物；相机运动模拟成像装置形成照射的景物的景物实像；该景物实像成像于平行光管的焦面上；该景物实像经由平行光管成像于空间相机的焦面上；空间相机根据焦面上形成的景物实像，输出与模拟景物对应的景物图像，以基于景物图像测试空间相机的成像性能。该方式在实验室内，可实现模拟大口径的空间相机对地成像，并通过获取的景物图像评估空间相机的在轨成像性能。该系统在未来空间光学相机研制及测试过程广泛应用，具有广泛的工程应用前景。

本发明实施例还提供了另一种空间相机在轨成像的测试系统，该测试系统在上述实施例的基础上实现；该测试系统包括：景物模拟装置10、相机运动模拟成像装置11、平行光管12和空间相机13；其中，该相机运动模拟成像装置11包括平面反射镜110。

具体地，上述景物模拟装置10包括景物模拟器100、太阳光模拟源101和太阳高角调节支撑架102。如图3所述给出了一种景物模拟装置的示意图，该景物模拟器100的一侧放置太阳高角调节支撑架102，在太阳高角调节支撑架102上安装太阳光模拟源101；该景物模拟器100上布设有多种虚拟景物；该太阳光模拟源101用于在太阳高角调节支撑架102上通过调节高度和照射角度，模拟不同太阳高角入射到景物模拟器100上。

进一步地，上述虚拟景物包括：地球表面的真实景物按照预设的比例缩小后的景物；该虚拟景物均采用真实材料。具体地，景物模拟器100可以是由植被、公路、水泥路、草地、沙漠、土壤、机场、湖泊等场景组成的，在场景内布设楼房、住房、轿车、货车、飞机、轮船等形成典型的景物。景物模拟器100内的所有景物均采用地面真实材料，保证虚拟景物与真实地面景物具有一致的光谱反射特性。太阳光模拟源101可以模拟输出典型条件下的太阳光，其光谱辐射亮度与太阳真实光谱的相似性大于90%，如典型的60°、30°、10°太阳高角，乡村气溶胶、北半球中纬度、高纬度等典型条件下，当地面景物反射率为100%时，到达空间相机13入瞳处的光谱辐射亮度。再经过景物模拟器100的景物反射后，形成空间相机入瞳处的光谱辐射亮度，这样空间相机13接收到的景物光谱辐射亮度与在轨成像时基本一致。

在可选的实施方式中，上述景物模拟装置10内布设有刃边靶标和三线靶标。具体地，可以在景物模拟装置10的景物模拟器100的场景上布设刃边靶标和三线靶标，可以测试空间相机13的传递函数，布设反射率为80%、60%、50%、40%、20%、5%等靶标，通过空间相机13成像，可以测试空间相机对应反射率的信噪比。

在具体实现时，上述景物模拟器100的尺寸可以为1.6m×0.8m×0.2m。

具体地，上述相机运动模拟成像装置11还包括转角平面反射镜111、主镜112、次镜113、三镜114和像面115；平面反射镜110中照射到的景物，经由平面反射镜110转折后入射到转角平面反射镜111上；该转角平面反射镜111上射入的景物依次入射到主镜112、次镜113和三镜114上；像面115根据三镜114上入射的景物形成景物实像。

图4给出了相机运动模拟成像装置的示意图，图4所示的相机运动模拟成像装置11采用无色散无遮拦的离轴三反光学系统，保证景物光谱辐射亮度有效传递。具体地，景物模拟装置10输出的景物辐射信息，经过平面反射镜110转折后，入射到相机运动模拟成像装置11内的转角平面反射镜111上，在依次放入射到主镜112，次镜113，三镜114上，在像面115位置处，形成景物实像。

本实施例可以利用景物图像测试空间相机对景物成像的对比度，在景物模拟装置内布设传递函数测试靶标和不同反射率的靶标，可以以空间相机的在轨传递函数和信噪比等进行测试；通过不同状态图像，评估空间相机的成像性能。

上述空间相机在轨成像的测试系统，可有效解决大口径空间相机难以实施室外成像的问题，可有效评估空间相机的在轨成像性能。在未来空间光学相机研制及测试过程广泛应用，该方式具有广泛的工程应用前景。

针对于上述空间相机在轨成像的测试系统，本发明实施例还提供了一种空间相机在轨成像的测试评价系统，如图5所示，该测试评价系统包括结果判读系统50和空间相机在轨成像的测试系统51。

上述空间相机在轨成像的测试系统51用于输出空间相机形成的与模拟景物对应的景物图像；结果判读系统50用于基于景物图像测试空间相机的成像性能。针对于上述空间相机在轨成像的测试系统51的描述可以参考上述实施例，在此不再赘述。

进一步地，上述空间相机的成像性能包括空间相机的图像对比度、在轨MTF（Modulation Transfer Function，调制传递函数）和信噪比。

上述空间相机在轨成像的测试评价系统，可在实验室内模拟可见光空间相机在轨成像的测试系统，测试空间相机的图像对比度、在轨MTF和信噪比等，对空间相机的在轨成像性能进行评估。

本发明中，所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种空间相机在轨成像的测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：景物模拟装置、相机运动模拟成像装置、平行光管和空间相机；其中，所述相机运动模拟成像装置包括平面反射镜；

所述景物模拟装置用于模拟地球表面的景物，得到模拟景物，其中，所述模拟景物包括典型太阳光照条件下地面景物输出的光谱辐射亮度和景物的形态；

所述平面反射镜用于照射所述模拟景物，以使所述相机运动模拟成像装置根据所述平面反射镜的转折光路接收到照射的景物；

所述相机运动模拟成像装置用于形成所述照射的景物的景物实像；其中，所述景物实像成像于所述平行光管的焦面上；所述景物实像经由所述平行光管成像于所述空间相机的焦面上；

所述空间相机根据焦面上形成的所述景物实像，输出与所述模拟景物对应的景物图像，以基于所述景物图像测试所述空间相机的成像性能；

其中，所述平面反射镜距离所述景物模拟装置的距离不小于5米，所述相机运动模拟成像装置的物距扩展至不小于10米，且所述景物模拟装置水平放置在指定位置，所述景物模拟装置包括景物模拟器、太阳光模拟源和太阳高角调节支撑架，所述景物模拟器的一侧放置所述太阳高角调节支撑架，在所述太阳高角调节支撑架上安装太阳光模拟源，所述景物模拟器上布设有多种虚拟景物；所述太阳光模拟源用于在所述太阳高角调节支撑架上通过调节高度和照射角度，模拟不同太阳高角入射到所述景物模拟器上。

2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述平面反射镜能够匀速转动；所述平面反射镜的转动速度根据所述空间相机的成像行频进行调整，以使所述转动速度与所述空间相机的成像行频相匹配。

3.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述相机运动模拟成像装置还包括转角平面反射镜、主镜、次镜、三镜和像面；

所述平面反射镜中照射到的景物，经由所述平面反射镜转折后入射到所述转角平面反射镜上；

所述转角平面反射镜上射入的景物依次入射到所述主镜、所述次镜和所述三镜上；

所述像面根据所述三镜上入射的景物形成景物实像。

4.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述景物模拟器的尺寸为1.6m×0.8m×0.2m。

5.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述虚拟景物包括：地球表面的真实景物按照预设的比例缩小后的景物；所述虚拟景物均采用真实材料。

6.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述景物模拟装置内布设有刃边靶标和三线靶标。

7.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述平行光管的焦距为所述空间相机的焦距的3倍，所述平行光管的口径大于所述空间相机的入瞳；所述平面反射镜的有效尺寸能够使所述相机运动模拟成像装置获取到所述景物模拟装置中场景的全部图像。

8.一种空间相机在轨成像的测试评价系统，其特征在于，所述测试评价系统包括结果判读系统和权利要求1-7任一项所述的空间相机在轨成像的测试系统；

所述空间相机在轨成像的测试系统用于输出空间相机形成的与模拟景物对应的景物图像；所述结果判读系统用于基于所述景物图像测试所述空间相机的成像性能。

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