CN114323277B - 临边大气扫描观测相机与扫描镜时序控制方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明的一种临边大气扫描观测相机与扫描镜时序控制方法及存储介质，包括当临边扫描光谱仪处于某角度最后一帧拍照时序的帧转移阶段时，该帧转移阶段完成后立即通知主控器转动电机至下一个观测角度；等待最后一帧拍照时序读出阶段完成后，查看电机是否转动到位并处于稳定状态；如果已稳定到位，则直接进入下一个观测角度拍照时序；如果未稳定到位，则进入慢速帧转移时序，进行曝光区电荷清除，等待电机转动到位且稳定后即可直接进入下一观测角度拍照时序，以保证在进入下一观测角度拍照时序时CCD曝光区处于清空状态。本发明通过扫描观测相机与扫描镜的时序配合，减小电机稳定时间对有限的观测时间的占用，从而提高光谱仪的拍照效率。

Description

临边大气扫描观测相机与扫描镜时序控制方法及存储介质

技术领域

本发明涉及大气扫描观测技术领域，具体涉及一种临边大气扫描观测相机与扫描镜时序控制方法及存储介质。

背景技术

某星载光谱仪通过天底推扫和临边扫描两种方式监测全球痕量污染气体的分布与变化。天底推扫光谱仪通过对地推扫的方式用于监测我国上空及全球空气质量变化的水平分布，而临边扫描光谱仪则通过大气临边扫描用于监测观测区域上方的痕量污染气体的垂直变化。

其中临边扫描是一种空间大气遥感的新型观测方式。太阳光经大气分子、气溶胶、云和地球表面的混合散射作用在地球外围形成了一个约100KM的临边大气层，临边扫描光谱仪通过探测大气层的光谱辐射，通过分析临边大气层的光谱辐射特点，再根据反演算法即可得出部分污染气体的高空垂直分布规律。

临边扫描光谱仪主要由成像光谱仪、摆扫电机与扫描镜组成，扫描镜固定在摆扫电机上，通过摆扫电机转动扫描大气层切线方向进行扫描，将不同高度的大气层信息传递至光谱仪。

临边光谱仪主要由摆扫电机、扫描镜和光谱仪相机组成。具体工作过程是：当卫星进入临边探测区域后，摆扫电机带动扫描镜从起始位置向一个方向摆动，每次摆动一个角度，停下来由光谱相机拍摄指定帧数的图像，拍摄完成后扫描镜随摆扫电机转动进入下一个角度，并重新开始指定帧数的拍照。如此循环往复，直到扫描摆镜从大气层最高的切线扫到底层大气。当完成整个临边大气层的扫描观测后，扫描摆镜连续转动回到起始位置等待进入下一个观测区域，具体过程如图1所示；

经过测试，电机联动扫描镜每次转动到一个角度停止时，由于电机本身特性，需要0.2～0.4S稳定时间。由于光谱仪拍照时，扫描镜不能处于不稳定的状态，所以需要等待电机稳定后再通知主控器电机已转动到位，然后主控器才能通知光谱仪开始拍照。此时电机的稳定时间会占用有限的观测时间。为了在一次摆扫观测过程中尽可能多的拍摄照片，此时临边扫描光谱仪与摆扫电机的配合就变得尤为重要。由于临边光谱仪在观测区域内扫描角度多，且每个角度拍照张数有限，为了在有限的扫描时间中，获取观测区域更多的光谱数据，于是本发明了提出用于星载临边大气扫描观测的相机与扫描镜时序设计。

在以往的设计中，当光谱仪相机进入观测区域后，开始进行该角度的拍照。等待完成指定拍照帧数后，通知主控器转动电机。经过测试电机转动到位并稳定的最大运动时间为0.4S。此外，由于每一帧拍照时间是固定可知的，所以根据该观测角度的扫描时间则由拍照帧数决定。此时，光谱仪扫描过程为：光谱仪相机进入观测区域后，主控器通知相机开始拍照，等待对应帧数的拍照时间后，主控器通知电机开始转动并延时0.4S后，再通知相机开始拍照。如图2所示，图中“n”为一个位置拍照的帧数。“FT”是帧转移动作。

发明内容

本发明提出的一种临边大气扫描观测相机与扫描镜时序控制方法及存储介质，可至少解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种临边大气扫描观测相机与扫描镜时序控制方法，包括当临边扫描光谱仪处于某角度最后一帧拍照时序的帧转移阶段时，该帧转移阶段完成后立即通知主控器转动电机至下一个观测角度；

等待最后一帧拍照时序读出阶段完成后，查看电机是否转动到位并处于稳定状态；

如果已稳定到位，则直接进入下一个观测角度拍照时序；

如果未稳定到位，则进入慢速帧转移时序，进行曝光区电荷清除，等待电机转动到位且稳定后即可直接进入下一观测角度拍照时序，以保证在进入下一观测角度拍照时序时CCD曝光区处于清空状态。

由上述技术方案可知，本发明的临边大气扫描观测相机与扫描镜时序控制方法，通过扫描观测相机与扫描镜的时序配合，减小电机稳定时间对有限的观测时间的占用，从而提高光谱仪的拍照效率，即扫描镜处于每个观测位置时，在有限的时间内，尽可能增加拍照帧数。

另一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。

具体的说，本发明的优点如下：

1、本发明通过临边光谱仪帧转移型CCD本身的工作特性，利用该CCD拍照过程中的读出阶段作为等待电机转动时间，为临边光谱仪在观测区域获取了更多的光谱数据。

2、当电机转动到位提前于上一观测角度最后一帧的读出阶段时，为了防止CCD曝光区域积累电荷，此时CCD曝光区进去慢速帧转移进行电荷清除，等待读出阶段完成即可进入下一角度拍照工作，从而进一步提高了临边光谱仪扫描观测的效率。

附图说明

图1是临边光谱仪工作过程示意图；

图2是以往设计的CCD驱动时序与摆扫电机配合过程示意图；

图3是临边大气扫描光谱仪CCD结果及工作过程示意图；

图4是临边大气扫描光谱仪CCD曝光区与存储区读出时序示意图；

图5是本发明设计的CCD驱动时序与摆扫电机配合过程示意图；

图6是本发明的方法流程图。

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。

通常连续成像的光谱相机不使用快门以提高曝光效率。没有快门机构的相机就要使用类似电子快门的帧转移CCD。帧转移CCD包括曝光区和存储区两个像元面。其探测过程主要分为：帧转移阶段和读出阶段，其中读出阶段还包括行转移和水平转移两部分。帧转移阶段就是将CCD曝光区光电转换积累的电荷逐行转移到存储区中，而读出阶段，就是将存储区的电荷逐行转移到水平读出区，并由水平转移驱动时钟将每个像元的电荷逐个进行读出。

例如分辨率1K×1K的帧转移CCD(CCD47-20)，由1K×1K的曝光区和1K×1K的存储区，共2M像元组成。曝光区在曝光阶段，积累电荷，曝光结束后，将曝光区的电荷转到存储区，该过程称为帧转移。存储区是相同的像元面阵，但不感光，只保存电荷。由于帧转移的过程是整行在垂直方向上并行移动(1K行，如图3所示)，所以时间很短，以CCD47-20为例，帧转移时间为5至10mS。这个时间相当于相机的快门时间。帧转移完成后，曝光区的电荷被移出，曝光区重新开始下一幅的曝光(电荷积累)。在这个曝光时间内，存储区的电荷被成像电路读出。读出的过程是，先将一行电荷并行转入读出寄存器，再将读出寄存器的电荷逐像元水平转移至输出放大器，供成像电路采样，这个过程称为CCD读出。因为水平转移过程是逐像元串行转移，所以读出一幅图像(1M像元)，需要较长时间。高精度的科学级CCD的读出时间尤其长。以CCD47-20为例，一幅图像最快的读出时间是400mS。

基于帧转移结构的CCD，可以实现连续拍摄。如图4所示，在曝光区曝光的同时，存储区读出。此时成像电路读出的图像，实际上是上一幅曝光的图像。只要曝光时间大于最小读出时间，帧转移CCD就能实现连续曝光，提高拍摄效率。根据图4所示，每次连续拍摄的第一幅图像，没有读出动作。最后一幅图像曝光之后，需要有一个读出的时间。因此，完成一次M幅图像的拍摄，需要M个曝光时间加一个读出时间。而最后一幅图像的读出时段，曝光区没有动作。由此，可以考虑使用最后一幅的读出时间段做电机转动，提高拍照效率。

由于帧转移阶段时间较短且功能是将曝光区的电荷转移到存储区，所以读出阶段所耗费的时间则可以被认为是曝光时间，此时第N-1帧图像的读出阶段所消耗的时间，则是第N帧图像的曝光时间。

由于成临边扫描某角度最后一帧图片时，其拍照过程中的读出阶段可以不再作为下一帧图像的曝光时间。此时，根据帧转移型CCD的工作特性，在该角度拍摄最后一帧图像时，当其完成了帧转移阶段就可以立即通知主控器控制电机开始转动到下一个角度。即利用最后一帧图像拍摄过程中的读出阶段的时间就开始完成电机的转动和稳定，如图5所示。临边光谱仪设计的曝光时间为0.4S～3.2S，由于临边大气的特性，其中0.4S曝光时间为主要的工作模式。由于临边光谱仪使用的帧转移型CCD在保证完整读出全部存储区电荷的极限时间是0.4S。于是这种扫描相机和扫描镜的时序设计，在每个角度固定的拍摄时间中则可以增加一帧图像。

则本实施例所述的临边大气扫描观测相机与扫描镜时序控制方法，包括：于是临边扫描相机与扫描镜的时序配合过程，如图6所示。当临边扫描光谱仪处于某角度最后一帧拍照时序的帧转移阶段时，该帧转移阶段完成后立即通知主控器转动电机至下一个观测角度。等待最后一帧拍照时序读出阶段完成后，查看电机是否转动到位并处于稳定状态。如果已稳定到位，则直接进入下一个观测角度拍照时序；如果未稳定到位，则进入慢速帧转移时序，进行曝光区电荷清除，等待电机转动到位且稳定后即可直接进入下一观测角度拍照时序，以保证在进入下一观测角度拍照时序时CCD曝光区处于清空状态，从而进一步提高临边扫描光谱仪拍照效率。

具体的说，由于CCD驱动时序精度要求在10ns以内，所以所有时序驱动全部采用FPGA实现。整个过程主要分为帧转移阶段和读出阶段，其中读出阶段还包括行转移和水平读出。这个过程由FPGA产生的时序信号完成。CCD驱动时序主要由三路帧转移信号：I_Phase_1、I_Phase_2、I_Phase_3；三路行转移信号：S_Phase_1、S_Phase_2、S_Phase_3；三路水平读出信号R_Phase_1、R_Phase_2、R_Phase_3；一路电荷清除信号DG；一路CCD放大器复位信号Phase_R，共11路信号组成。

帧转移阶段时，主要由帧转移信号和行转移型号6路驱动时钟的共同驱动下将CCD曝光区的光生电荷逐行转移到水平读出区。读出阶段完成后，即曝光区的电荷全部转移清空后，曝光区则开始曝。

在曝光区曝光的同时开始读出阶段，读出阶段由行转移和水平读出两个阶段组成。其中读出阶段由行转移时钟完成，行转移驱动时钟每次驱动一行信号到水平读出区后，水平读出区在水平读出信号的驱动下，将该区的信号逐个转移到放大器进行放大，每次放大一个信号，Phase_R信号驱动放大器复位一次。当水平读出区一行信号全部读出后，电荷清除信号DG则将水平读出区的残余信号全部倾泻一次。此时，行转移驱动时钟再转移一行存储区的信号到水平读出区，如此循环往复，将CCD存储区的信号全部读出。

由于在读出阶段时曝光区开始曝光，此时读出阶段读出的图像信号为上一帧曝光的图像信号。所以最后一帧图像拍照时，读出阶段期间，曝光区产生的光电信号则不再作为图像数据。

当临边扫描光谱仪处于某个角度最后一帧图像读出阶段时，即FPGA时序判断当前角度拍照是否处于最后一帧的帧转移时钟转移最后一行，此时FPGA通过RS422立即通知主控器转动电机至下一个观测角度，RS422通讯协议有FPGA完成。等待最后一帧拍照时序读出阶段完成后，查看电机是否转动到位并处于稳定状态。如果已稳定到位，则直接进入下一个观测角度拍照时序；如果未稳定到位，则进入慢速帧转移时序，进行曝光区电荷清除，等待电机转动到位且稳定后即可直接进入下一观测角度拍照时序，以保证在进入下一观测角度拍照时序时CCD曝光区处于清空状态，从而进一步提高临边扫描光谱仪拍照效率。

本发明的特点如下：

1、由于每次进入下一个观测角度时都需要进行摆扫电机转动，这个过程包括转动时间和电机稳定时间。而通过临边光谱仪拍照时序与摆扫电机时序的配合，利用帧转移型CCD读出阶段进行摆扫电机转动，减小了进入下一个观测角度时临边光谱仪的等待时间，从而在相同目标区域飞跃时间内，可以拍摄更多的图像。

2、当CCD读出阶段已完成，而摆扫电机还未转动到位，则进入慢速帧转移时序进行曝光区电荷清除，等待电机转动到位，即可进入下一个观测角度的拍照时序，从而进一步压缩临边光谱仪等待时间。

本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。

可理解的是，本发明实施例提供的存储介质与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。

本申请实施例还提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信，

存储器，用于存放计算机程序；

处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述控制方法。

上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(英文：PeripheralComponent Interconnect，简称：PCI)总线或扩展工业标准结构(英文：Extended IndustryStandard Architecture，简称：EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。

通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。

存储器可以包括随机存取存储器(英文：Random Access Memory，简称：RAM)，也可以包括非易失性存储器(英文：Non-Volatile Memory，简称：NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。

上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(英文：Central ProcessingUnit，简称：CPU)、网络处理器(英文：Network Processor，简称：NP)等；还可以是数字信号处理器(英文：Digital Signal Processing，简称：DSP)、专用集成电路(英文：ApplicationSpecific Integrated Circuit，简称：ASIC)、现场可编程门阵列(英文：Field-Programmable Gate Array，简称：FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一临边大气扫描观测相机与扫描镜时序控制方法。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种临边大气扫描观测相机与扫描镜时序控制方法，其特征在于：通过计算机设备执行以下步骤，

当临边扫描光谱仪处于某角度最后一帧拍照时序的帧转移阶段时，该帧转移阶段完成后立即通知主控器转动电机至下一个观测角度；

等待最后一帧拍照时序读出阶段完成后，查看电机是否转动到位并处于稳定状态；

如果已稳定到位，则直接进入下一个观测角度拍照时序；

如果未稳定到位，则进入慢速帧转移时序，进行曝光区电荷清除，等待电机转动到位且稳定后即可直接进入下一观测角度拍照时序，以保证在进入下一观测角度拍照时序时CCD曝光区处于清空状态；

读出阶段完成后，即曝光区的电荷全部转移清空后，曝光区则开始曝。

2.根据权利要求1所述的临边大气扫描观测相机与扫描镜时序控制方法，其特征在于：

帧转移阶段时，由帧转移信号和行转移型号6路驱动时钟的共同驱动下将CCD曝光区的光生电荷逐行转移到水平读出区。

3.根据权利要求2所述的临边大气扫描观测相机与扫描镜时序控制方法，其特征在于：

在曝光区曝光的同时开始读出阶段，读出阶段由行转移和水平读出两个阶段组成；其中读出阶段由行转移时钟完成，行转移驱动时钟每次驱动一行信号到水平读出区后，水平读出区在水平读出信号的驱动下，将该区的信号逐个转移到放大器进行放大，每次放大一个信号，Phase_R信号驱动放大器复位一次；当水平读出区一行信号全部读出后，电荷清除信号DG则将水平读出区的残余信号全部倾泻一次；

此时，行转移驱动时钟再转移一行存储区的信号到水平读出区，如此循环往复，将CCD存储区的信号全部读出。

4.根据权利要求3所述的临边大气扫描观测相机与扫描镜时序控制方法，其特征在于：

最后一帧图像拍照时，读出阶段期间，曝光区产生的光电信号则不再作为图像数据。

5.根据权利要求4所述的临边大气扫描观测相机与扫描镜时序控制方法，其特征在于：

当临边扫描光谱仪处于某个角度最后一帧图像读出阶段时，即FPGA时序判断当前角度拍照是否处于最后一帧的帧转移时钟转移最后一行，此时FPGA通过RS422立即通知主控器转动电机至下一个观测角度，RS422通讯协议有FPGA完成；

等待最后一帧拍照时序读出阶段完成后，查看电机是否转动到位并处于稳定状态；

如果已稳定到位，则直接进入下一个观测角度拍照时序；如果未稳定到位，则进入慢速帧转移时序，进行曝光区电荷清除，等待电机转动到位且稳定后即可直接进入下一观测角度拍照时序。

6.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。