CN117091811A - 一种可用于定标场多种靶标辐亮度观测的自动分时测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于定标场多种靶标辐亮度观测的自动分时测量方法及装置。此方法通过设置指定的测量时间周期，控制观测镜头在不同时间片段内依次自动测量不同反射率靶标的辐亮度数据，实现了对多种靶标辐亮度的自动周期性测量；该装置包括有光谱测量单元、一维水平转台、电子学控制单元。所述光谱测量单元包括有观测镜头、光谱色散模块、光谱数据采集模块等；所述一维水平转台包括有步进电机、步进电机驱动模块等；所述电子学控制单元包括有电源管理模块、主控模块、GPS授时与定位模块等。本发明实现了对不同靶标辐亮度的自动、长期、高频次测量，省去了人工跑场测量的麻烦，保证了野外定标实验的高效率、低成本。

Description

一种可用于定标场多种靶标辐亮度观测的自动分时测量方法 及装置

技术领域

本发明涉及卫星遥感器定标、光学辐射测量领域，尤其是一种可用于定标场多种靶标辐亮度观测的自动分时测量方法及装置。

背景技术

卫星遥感器在轨运行期间，受到宇宙辐射影响，探测器的响应与实际值具有一定的偏差，为了尽量减小这种偏差，需要对卫星遥感器进行在轨定标。场地替代定标属于在轨定标的一种方法，需要在地面上选取一块足够大的场地，且要求场地地表平整、物质单一，上空无云。当卫星遥感器飞过场地上空时，场地辐亮度仪与卫星遥感器同时测量场地的辐亮度，以此计算出反射率，再经过后期处理，从而达到对卫星遥感器定标的目的。随着卫星遥感器数量的增加，现有的场地已无法满足对卫星遥感器的实时、高频次定标，通过人工铺设不同反射率的靶标，突破了场地的限制，让实时、高频次定标成为可能。

目前测量多种不同反射率靶标辐亮度的方式主要是通过人工手持光谱仪竖直依次观测不同靶标的方式，缺点是费时费力劳动强度大、具有一定的人工误差、且无法做到实时、高频次、长期自动化测量。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足，提供一种全自动化控制、周期性分时测量不同靶标辐亮度的方法及装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种可用于定标场多种靶标辐亮度观测的自动分时测量装置，该装置包括光谱测量单元、一维水平转台、电子学控制单元，所述光谱测量单元包括有观测镜头、测量支架、测量臂、光谱色散模块、光谱数据采集模块、光谱数据通讯模块；观测镜头固定于测量臂一端，测量臂另一端固定于一维水平转台，所述一维水平转台固定于测量支架顶部；所述一维水平转台包括有步进电机、步进电机驱动模块、一维水平转台通讯模块；前述光谱色散模块、光谱数据采集模块、光谱数据通讯模块、步进电机、步进电机驱动模块、一维水平转台通讯模块，均固定于一维水平转台内部；所述电子学控制单元放置于控制箱内，共同固定于测量支架侧边，所述电子学控制单元包括有电源管理模块、主控模块、GPS授时与定位模块、时钟计时模块、主控通讯模块、数据存储模块。

进一步，提出一种可用于定标场多种靶标辐亮度观测的自动分时测量装置的测量方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：设置指定的测量时间周期，时钟计时模块进行计时，达到指定的测量时间周期时，主控模块向一维水平转台发送测量指令，装置开始进行一组测量，时钟计时模块清零，此时将测量完成一组数据所需时长分为M个时间片段；

步骤二：在第一个时间片段，主控模块向一维水平转台发送转动指令，一维水平转台转至θ₁角度，此时观测镜头指向第一靶标，光谱数据采集模块打开快门，测量第一靶标的辐亮度数据，完成后关闭快门，测量当时的本底数据，完成后对数据进行暂时保存，之后立即进入第二个时间片段；

步骤三：在第二个时间片段，主控模块向一维水平转台发送转动指令，一维水平转台转至θ₂角度，此时观测镜头指向第二靶标，光谱数据采集模块打开快门，测量第二靶标的辐亮度数据，完成后关闭快门，测量当时的本底数据；完成后对数据进行暂时保存，之后立即进入第三个时间片段，其中每个时间片段长度近似等于一维水平转台从上个位置转至目标位置所需时长与测量时长之和；

步骤四：以此类推，在第M个时间片段测量第M靶标的信号与本底数据，直到测完最后一块靶标为止；

步骤五：一组测量结束，将数据通过主控通讯模块发送至数据中心，并存入SD卡进行备份，测量结束；待到达下一次指定的测量时间周期时，继续进行下一组测量。

进一步，靶标辐亮度的测量必须建立在太阳升起的条件下，以及为了避免场地夜间低温对测量结果的影响，进一步提高装置的可靠性，设定装置在日出到日落期间进行持续测量，夜间则待机停止测量，具体流程如下：

步骤一：在每日进行第一次测量时，通过GPS授时与定位模块对装置所处位置的经纬度进行一次校准，并将装置时间校准至北京时间；

步骤二：依据时间经纬度数据计算太阳高度角，在太阳高度角大于0度也即日出到日落期间，装置每隔一定测量时间周期进行测量，其他时间装置停止测量；

步骤三：日复一日，实现长期、高频次测量。

进一步，基于卫星在轨定标的需要，在卫星遥感器经过场地上空时，能够通过转动一维水平转台与之同步测量指定靶标的辐亮度，具体流程如下：

步骤一：数据中心提前计算出卫星遥感器飞过靶标场地上空时的北京时间，并将此时间数据、指定靶标的靶标序号与同步测量时长发送给装置；

步骤二：装置的时钟计时模块对时间持续计时，与北京时间保持一致，距离遥感器卫星过境时间还剩一定时间间隔时，停止当前所有测量动作，并将一维水平转台转至指定靶标位置等待；

步骤三：到达卫星过境时间时，多次测量指定靶标的辐亮度数据，并进行上传与保存。

进一步，场地优选铺设1到4块靶标，M的取值为1到4。

目前测量多种不同反射率靶标辐亮度的方式主要是通过人工手持光谱仪竖直依次观测不同靶标的方式，缺点是费时费力劳动强度大、具有一定的人工误差、且无法做到实时、高频次、长期自动化测量。

本发明与现有技术相比，显著优点为：

此装置通过自动化控制一维水平转台分时测量不同靶标辐亮度数据，实现了对不同靶标辐亮度的自动、长期、高频次测量，省去了人工跑场测量的麻烦，保证了野外定标实验的高效率、低成本；此外在卫星遥感器经过场地上空时，能够通过转动一维水平转台与之同步测量指定靶标的辐亮度，给卫星遥感器定标带来了一定的便利性。

附图说明

图1为本发明装置构成图。

图2为本发明自动分时测量靶标辐亮度的顶视图。

图3为本发明电子学控制单元组成图。

图4为本发明自动分时测量靶标辐亮度的程序流程图。

图5为本发明装置与卫星遥感器同步测量指定靶标辐亮度框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理进行进一步详细说明。

可用于定标场多种靶标辐亮度观测的自动分时测量装置，装置构成图见图1所示。整个装置主要由观测镜头1、测量臂2、导光光纤3、一维水平转台4、光谱色散模块5、光谱数据采集模块6、光谱数据通讯模块7、一维水平转台通讯模块8、步进电机驱动模块9、步进电机10、水平转轴11、控制箱12、测量支架13、底座14构成。

自动分时测量靶标辐亮度的顶视图如图2所示。地面可铺设1到4种不同反射率的靶标，图中用不同颜色代表不同的反射率，分别是第一靶标、第二靶标、第三靶标、第四靶标，本装置固定于4块靶标的中心。开始测量前一维水平转台4会围绕着水平转轴11复位至角度零位15，测量臂2一端固定于一维水平转台4，另一端用于固定观测镜头1，观测镜头1竖直向下，指向靶标，测量臂2顺着顺时针方向与角度零位15之间的夹角为θ，工作时一维水平转台4围绕水平转轴11逆时针旋转测量。

装置的电子学控制单元组成图见图3所示。电子学控制单元包括有控制箱电子学组件、一维水平转台电子学组件、光谱测量单元电子学组件。所述控制箱电子学组件包括有主控模块、GPS授时与定位模块、时钟计时模块、数据存储模块、主控通讯模块，且集成于一块电路板上；所述一维水平转台电子学组件包括步进电机10、步进电机驱动模块9以及一维水平转台通讯模块8；所述光谱测量单元电子学组件包括有光谱数据采集模块6，光谱数据通讯模块7；电源管理模块同时为控制箱电子学组件、一维水平转台电子学组件、光谱测量单元电子学组件供电，并且与控制箱电子学组件共同固定于控制箱12中，控制箱12电源的输出端与一维水平转台电子学组件电源的输入端、光谱测量单元电子学组件电源的输入端相连接，主控通讯模块、一维水平转台通讯模块8、光谱数据通讯模块7与数据中心通过CAN总线连接。

自动分时测量靶标辐亮度的程序流程图如图4所示，步骤如下：

步骤一：装置上电后，首先进行初始化，包括对各个模块进行配置、设置测量时间间隔(如10分钟)、读取时钟计时模块的时间经纬度信息、以及主控模块控制一维水平转台转至角度零位；

步骤二：分钟计数模块进行清零与计数，一旦分钟计数模块计数到10，则进入步骤三，否则继续等待。

步骤三：分钟计数模块达到10后，首先根据当前时间经纬度数据计算太阳高度角，并根据太阳高度角是否大于0度判断当前是否是白天，若不是白天则不用测量，返回步骤二，若是白天则继续判断当前测量是否是今日第一次测量，若不是则进入步骤四，若是则通过GPS授时与定位模块对经纬度进行校准，并将装置当前时间校准至北京时间，校准完成后再进入步骤四。

步骤四：主控模块向一维水平转台发送转动到θ₁角度指令，之后主控模块处于等待状态，一维水平转台转动完成后向主控模块反馈转动完成信息，主控模块接收到反馈信息后，进入步骤五。

步骤五：主控模块向光谱数据采集模块发送测量第一块靶标信号指令，之后主控模块处于等待状态，光谱数据采集模块打开快门，测量第一块靶标的辐亮度数据，完成后关闭快门，测量当时的本底数据，完成后向主控模块反馈测量完成信息，主控模块接收到反馈信息后，进入步骤六。

步骤六：地面可铺设1到4块靶标，根据靶标数量程序重复执行步骤四与步骤五，直到测完最后一块靶标，之后将测量的全部数据发送至主控模块，主控模块接收到反馈信息与数据后，进入步骤七。

步骤七：主控模块将全部数据发送至数据中心，并存入SD卡备份，以供后期读取使用。完成后，装置进入等待状态，待到下一个10分钟时，进入步骤二开始新一轮测量。

针对步骤三中根据时间经纬度信息计算得到太阳高度角，这里给出说明：

太阳高度角可由公式(1)得出：

其中h是太阳高度角，δ是太阳赤纬角，为当地的地理纬度，τ为当时的太阳时角。赤纬角可由公式(2)得出：

δ＝0.3723+23.2567sinω+0.1149sin2ω-0.1712sin3ω-0.758cosω+0.3656cos2ω+0.0201cos3ω (2)

其中ω指的是日角，可以由公式(3)计算得出：

ω＝2π(N-N₀)/365.2422 (3)

其中N是按天数顺序排列的积日，1月1日为1，2日为2，3日为3，以此类推，平年12月31日的积日为365，闰年为366；N₀可由公式(4)得出：

N₀＝79.6764+0.2422*(Y-1985)-INT((Y-1985)/4) (4)

其中Y为测量年份，INT为取整符号。太阳时角可由由公式(5)得出：

τ＝(S_⊙-12)*15° (5)

其中τ为太阳时角，S_⊙为真太阳时，以小时为单位，可由公式(6)得出：

S_⊙＝S_d+E/60 (6)

其中S_d为装置所处地的当地时间，即平太阳时，以小时为单位，可由公式(7)得出：

其中S为北京时间的小时，F为北京时间的分钟，JD为装置所在地的经度，JF为装置所在地的经分。公式(6)的E为平太阳时与真太阳时的差值，除以60将分钟化成以小时为单位，可由公式(8)得出：

E＝0.0028-7.0924cosω-1.9857sinω-0.6882cos2ω+9.9059sin2ω (8)

由此，根据北京时间与装置所处位置经纬度信息即可计算出太阳高度角。

在卫星遥感器经过场地上空时，本装置与卫星遥感器同步测量指定靶标辐亮度的方法框图如图5所示：

步骤一：基于卫星在轨定标的需要，人为向数据中心输入需要卫星遥感器与本装置进行同步测量的某块靶标的靶标序号以及同步测量时长，数据中心计算出卫星遥感器经过场地上空的起始北京时间，并将此北京时间、靶标序号与同步测量时长通过CAN总线发送给控制箱电子学组件；

步骤二：控制箱电子学组件计算出步骤一起始北京时间与当前时间的差值，当此差值的绝对值小于一定值时，装置强制停止当前所有测量动作，开始执行同步测量动作，控制箱电子学组件将步骤一的靶标序号转换为转动的角度θ₁/θ₂/θ₃/θ₄，并向一维水平转台发送转动命令，一维水平转台转动至角度θ₁/θ₂/θ₃/θ₄处，转动完成后一维水平转台向控制箱电子学组件反馈转动完成信息；

步骤三：当控制箱电子学组件计时到步骤一起始北京时间时，向光谱测量单元发送连续测量指令，光谱测量单元以先测靶标辐亮度，再测本底的方式循环测量多组数据，持续时间等于步骤一的同步测量时长，同步测量结束后，光谱测量单元将数据传回至控制箱电子学组件，控制箱电子学组件接收到数据后，先传回数据中心，再存储进SD卡进行备份，至此整个过程结束。

本发明的另一个实施例提供一种可用于定标场多种靶标辐亮度观测的自动分时测量装置，该装置通过设置指定的测量时间周期(如10分钟)，控制观测镜头在不同时间片段内依次自动测量不同反射率靶标的辐亮度数据，实现了对多种靶标辐亮度的自动周期性测量；基于卫星在轨定标的需要，在卫星遥感器经过场地上空时，能够与之同步测量相同靶标的辐亮度；该装置包括有光谱测量单元、一维水平转台、电子学控制单元。所述光谱测量单元包括有观测镜头、光谱色散单元、光谱数据采集模块、光谱数据通讯模块，测量光谱范围为400nm-1700nm，观测镜头固定于测量臂一端，测量臂另一端固定于一维水平转台；所述一维水平转台固定于测量支架顶部，包括有步进电机、步进电机驱动模块、一维水平转台通讯模块，前述光谱色散模块、光谱数据采集模块、光谱数据通讯模块、步进电机、步进电机驱动模块、一维水平转台通讯模块，均固定于一维水平转台内部；所述电子学控制单元放置于控制箱内，共同固定于测量支架侧边，包括有电源管理模块、主控模块、GPS授时与定位模块、时钟计时模块、数据存储模块、主控通讯模块。

所述的一种可用于定标场多种靶标辐亮度观测的自动分时测量装置，所述光谱测量单元负责接收主控模块的测量指令，将测量所得的靶标辐亮度数据通过光谱数据通讯模块发送至主控模块；所述一维水平转台负责接收主控模块的转动指令并驱动步进电机旋转对应的角度θ，从而控制观测镜头指向不同靶标；所述电子学控制单元中的电源管理模块负责将220V、50Hz的交流电转换成相应的直流电，供给各个模块使用；所述电子学控制单元中的主控模块负责整个电子学部分的信息集中、存储、分析和决策；所述电子学控制单元中的GPS授时与定位模块负责对装置时间以及装置所处位置的经纬度进行校准；所述电子学控制单元中的时钟计时模块负责对时间进行计时，每隔一定时间间隔(如10分钟)通知主控模块开始进行测量；所述电子学控制单元中的主控通讯模块负责指令与数据的及时准确传输；所述电子学控制单元中的数据存储模块负责将测量的数据以当前时间为文件名进行保存，同时在主控模块的控制下，完成对已测量数据的读取。

进一步，靶标辐亮度的测量必须建立在太阳升起的条件下，以及为了避免场地夜间低温对测量结果的影响，进一步提高装置的可靠性，装置从日出到日落持续测量，夜间待机停止测量，具体方法如下：

步骤一：在每日进行第一次测量时，通过GPS授时与定位模块对装置所处位置的经纬度进行一次校准，并将装置时间校准至北京时间；

步骤二：依据时间经纬度数据计算太阳高度角，在太阳高度角大于0度也即日出到日落期间，装置每隔一定时间间隔(如10分钟)进行周期性测量，其他时间装置停止工作；

步骤三：日复一日，实现长期、高频次测量。

进一步，基于卫星在轨定标的需要，在卫星遥感器经过场地上空时，能够通过转动一维水平转台与之同步测量指定靶标的辐亮度，流程如下：

步骤一：基于卫星在轨定标的需要，人为向数据中心输入需要卫星遥感器与本装置进行同步测量的某块靶标的靶标序号(如第一靶标，序号为1)以及同步测量时长(如10分钟)，数据中心计算出卫星遥感器经过场地上空的起始北京时间(如2023年8月24日12时14分18秒)，并将此北京时间(如2023年8月24日12时14分18秒)、靶标序号(如第一靶标，序号为1)与同步测量时长(如10分钟)通过CAN总线发送给控制箱电子学组件；

步骤二：控制箱电子学组件计算出步骤一起始北京时间(如2023年8月24日12时14分18秒)与当前时间(如2023年8月24日10时14分18秒)的差值(7200秒)，当此差值的绝对值小于一定值(如600秒)时，装置强制停止当前所有测量动作，开始执行同步测量动作，控制箱电子学组件将步骤一的靶标序号(如第一靶标，序号为1)转换为转动的角度θ₁/θ₂/θ₃/θ₄(如135°，第一靶标的角度为135°)，并向一维水平转台发送转动命令，一维水平转台转动至角度θ₁/θ₂/θ₃/θ₄(如135°)处，转动完成后一维水平转台向控制箱电子学组件反馈转动完成信息；

步骤三：当控制箱电子学组件计时到步骤一起始北京时间时(如2023年8月24日12时14分18秒)，向光谱测量单元发送连续测量指令，光谱测量单元以先测靶标辐亮度，再测本底的方式循环测量多组数据，持续时间等于步骤一的同步测量时长(如10分钟)，同步测量结束后，光谱测量单元将数据传回至控制箱电子学组件，控制箱电子学组件接收到数据后，先传回数据中心，再存储进SD卡进行备份，至此整个过程结束。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可用于定标场多种靶标辐亮度观测的自动分时测量装置，其特征在于：该装置包括有光谱测量单元、一维水平转台、电子学控制单元，所述光谱测量单元包括有观测镜头、测量支架、测量臂、光谱色散模块、光谱数据采集模块、光谱数据通讯模块；观测镜头固定于测量臂一端，测量臂另一端固定于一维水平转台，所述一维水平转台固定于测量支架顶部；所述一维水平转台包括有步进电机、步进电机驱动模块、一维水平转台通讯模块；前述光谱色散模块、光谱数据采集模块、光谱数据通讯模块、步进电机、步进电机驱动模块、一维水平转台通讯模块，均固定于一维水平转台内部；所述电子学控制单元放置于控制箱内，共同固定于测量支架侧边，所述电子学控制单元包括有电源管理模块、主控模块、GPS授时与定位模块、时钟计时模块、主控通讯模块、数据存储模块。

2.根据权利要求1所述的一种可用于定标场多种靶标辐亮度观测的自动分时测量装置的测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一：设置指定的测量时间周期，时钟计时模块进行计时，达到指定的测量时间周期时，主控模块向一维水平转台发送测量指令，装置开始进行一组测量，时钟计时模块清零，此时将测量完成一组数据所需时长分为M个时间片段；

步骤二：在第一个时间片段，主控模块向一维水平转台发送转动指令，一维水平转台转至θ₁角度，此时观测镜头指向第一靶标，光谱数据采集模块打开快门，测量第一靶标的辐亮度数据，完成后关闭快门，测量当时的本底数据，完成后对数据进行暂时保存，之后立即进入第二个时间片段；

步骤三：在第二个时间片段，主控模块向一维水平转台发送转动指令，一维水平转台转至θ₂角度，此时观测镜头指向第二靶标，光谱数据采集模块打开快门，测量第二靶标的辐亮度数据，完成后关闭快门，测量当时的本底数据；完成后对数据进行暂时保存，之后立即进入第三个时间片段，其中每个时间片段长度近似等于一维水平转台从上个位置转至目标位置所需时长与测量时长之和；

步骤四：以此类推，在第M个时间片段测量第M靶标的信号与本底数据，直到测完最后一块靶标为止；

步骤五：一组测量结束，将数据通过主控通讯模块发送至数据中心，并存入SD卡进行备份，测量结束；待到达下一次指定的测量时间周期时，继续进行下一组测量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：靶标辐亮度的测量必须建立在太阳升起的条件下，以及为了避免场地夜间低温对测量结果的影响，进一步提高装置的可靠性，设定装置在日出到日落期间进行持续测量，夜间则待机停止测量，具体流程如下：

步骤一：在每日进行第一次测量时，通过GPS授时与定位模块对装置所处位置的经纬度进行一次校准，并将装置时间校准至北京时间；

步骤二：依据时间经纬度数据计算太阳高度角，在太阳高度角大于0度也即日出到日落期间，装置每隔一定测量时间周期进行测量，其他时间装置停止测量；

步骤三：日复一日，实现长期、高频次测量。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：基于卫星在轨定标的需要，在卫星遥感器经过场地上空时，能够通过转动一维水平转台与之同步测量指定靶标的辐亮度，具体流程如下：

步骤一：数据中心提前计算出卫星遥感器飞过靶标场地上空时的北京时间，并将此时间数据、指定靶标的靶标序号与同步测量时长发送给装置；

步骤二：装置的时钟计时模块对时间持续计时，与北京时间保持一致，距离卫星遥感器过境时间还剩一定时间间隔时，停止当前所有测量动作并开始进行同步测量动作，一维水平转台转至指定靶标位置等待；

步骤三：到达卫星过境时间时，多次测量指定靶标的辐亮度数据，并进行上传与保存。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：场地优选铺设1到4块靶标，M的取值为1到4。