CN117387758A - 一种标准参考板模拟月球微光辐射定标系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种标准参考板模拟月球微光辐射定标系统及方法，属于卫星遥感载荷标定技术领域。该系统包括小标准参考板、激光跟踪仪、激光水平仪、平面反射镜、标准灯、待定标月球光谱辐照度仪、五维调整台。本发明通过标准灯照射小标准参考板的方式模拟月球，通过激光跟踪仪对标准灯和待定标微光光谱辐照度仪三维建模的方式，求得标准灯与标准参考板法线夹角以及相互之间的距离。根据定标公式，本发明直接将定标误差转换为距离测量误差，解决了标准灯传递微光灯传递链路复杂引起的定标不确定度增大的问题；本发明简易且装调操作简单，具有较高的精度，为微光类辐射定标提供了一种新思路。

Description

一种标准参考板模拟月球微光辐射定标系统及方法

技术领域

本发明属于卫星遥感载荷标定技术领域，尤其涉及一种标准参考板模拟月球微光辐射定标系统及方法。

背景技术

随着遥感仪器的不断发展及遥感产品定量化应用要求的进一步提高，空间遥感仪器的高精度定标日益显现其必要性和重要性。月球作为定标光源是当前国内外辐射定标领域研究的热点。月球反射率的高稳定性使得非常适合作为参考辐射源，并且对于卫星遥感仪器在轨稳定性监测也具有重要的研究价值。辐射定标是月球光谱辐照度仪定量化精确度的根本保障。然而目前市面上没有直接定标好的微光光源，以用于定标微光类辐照度仪器；现有技术中提出的通过标准灯传递微光灯的方式，会因为传递链路复杂引起定标不确定度增大的问题。

发明内容

针对现有微光定标装置存在的空白与不足，本发明提供一种基于激光跟踪仪的标准参考板模拟月球微光辐射定标系统及方法。该系统采用标准灯照射标准参考板，利用标准参考板朗伯特性模拟月球，通过激光跟踪仪对标准灯和待定标微光光谱辐照度仪三维建模的方式，求得标准灯与标准参考板法线夹角、以及相互之间的距离，从而计算出距离标准参考板不同距离处的辐照度值，以实现对待定标月球光谱辐照度仪进行实验室定标的目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种标准参考板模拟月球微光辐射定标系统，包括激光跟踪仪、小标准参考板、第一激光水平仪、第二激光水平仪、标准灯、待定标月球光谱辐照度仪；标准灯放置在与小标准参考板法线夹角为45°且距离小标准参考板的位置，待定标月球光谱辐照度仪放置在小标准参考板法线上、且距离小标准参考板/>的位置；第一激光水平仪放置在小标准参考板与待定标月球光谱辐照度仪之间，第二激光水平仪放置在小标准参考板与标准灯之间；激光跟踪仪放置在光学平台的旁侧；还包括第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一挡板、第二挡板、狭缝；在小标准参考板的机械固定件上贴上第一平面反射镜，待定标月球光谱辐照度仪贴上第二平面反射镜；标准灯前侧放置带有狭缝的第一挡板，并使狭缝的中心与标准灯的中心在与小标准参考板的法线夹角为45°的延长线上，在标准灯与小标准参考板法线之间放置第二挡板，防止标准灯发出的光直接进入待定标月球光谱辐照度仪。

本发明还提供一种标准参考板模拟月球微光辐射定标方法，包括如下步骤：

步骤1、理论计算标准灯、小标准参考板以及待定标月球光谱辐照度仪的位置关系；

步骤2、安装小标准参考板模拟月球的微光辐射定标系统；

步骤3、调节小标准参考板与标准灯的位置；

步骤4、调节小标准参考板与待定标月球光谱辐照度仪的位置；

步骤5、用激光跟踪仪进行三维建模得到角度和距离参数；

步骤6、进行微光光源辐射定标。

有益效果：

本发明提出直接通过标准灯照射小标准参考板的方式模拟月球，通过激光跟踪仪对标准灯和待定标微光光谱辐照度仪三维建模的方式，求得标准灯与标准参考板法线夹角、以及相互之间的距离。直接将定标误差转换为距离测量误差，解决了标准灯传递微光灯传递链路复杂引起的定标不确定度增大的问题；该定标装置简易且装调操作简单，具有较高的精度。

附图说明

图1为本发明的一种标准参考板模拟月球微光辐射定标系统的定标方法的原理示意图；

图2为本发明的一种标准参考板模拟月球微光辐射定标系统的总体示意图；

图3为本发明的一种标准参考板模拟月球微光辐射定标系统的位置关系示意图。

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作进一步详细说明。

本实施例提供一种基于激光跟踪仪的标准参考板模拟月球微光辐射定标系统及方法，可以直接通过标准灯照射小标准参考板的方式模拟月球对微光类辐照度仪进行定标，具有装置简易、操作简便、实时测量的特点。

如图1所示，已知距离标准灯1为 500mm处的辐照度值与月球辐照度值相差量级，本发明按照该量级进行衰减。当标准灯1所发出的光传播到小标准参考板2之后，由于小标准参考板2各个方向的反射率基本相同，小标准参考板2在整个半球空间辐照度分布均匀，待定标月球光谱辐照度仪3视场所看面积占半球空间的面积即为能量，如公式（1），待定标月球光谱辐照度仪3处的辐照度为公式（2）；

（1）

（2）

其中，代表小标准参考板接收的总能量；/>代表待定标月球光谱辐照度仪的探测镜头视场所接收的能量；/>为距离标准灯/>处小标准参考板所处位置的辐照度（虽然小标准参考板不同位置到标准灯的距离不同，但是由于小标准参考板较小，对小标准参考板每点辐照度积分求取平均值，与默认小标准参考板每点处的辐照度值与中心点辐照度值一样，进行了比较，差别在小数点后三位，基本一致，所以这里默认小标准参考板每点处的辐照度值与中心辐照度值一样）；/>为待定标月球光谱辐照度仪3的探测镜头所看面积；/>为以小标准参考板为球心该球的半空间表面积；/>为距离小标准参考板/>处的辐照度值；/>为小标准参考板的面积；/>为小标准参考板的半径。

（3）

（4）

其中，为国家计量院给出的距离标准灯500mm处的辐照度值，是已经溯源过的已知值。

可以根据该原理公式推导进行实验系统的搭建。

图1，标准灯1与小标准参考板2连线与小标准参考板2的法线夹角为，优选为45°。

如图2所示，本发明的基于激光跟踪仪的标准参考板模拟月球微光辐射定标系统包括标准灯1、小标准参考板2、待定标月球光谱辐照度仪3、第一激光水平仪4、第二激光水平仪5、激光跟踪仪6、激光靶球7、第一挡板8、狭缝9、第二挡板10、第一调整台11、第二调整台12、五维调整台13、第一平面反射镜14、第二平面反射镜15、计算机16、光学平台17、探测镜头18。

所述标准灯1与小标准参考板2的中心连线与标准灯1的法线夹角为45°，且两者相距；待定标月球光谱辐照度仪3放置在小标准参考板2的法线上，与小标准参考板2的距离为/>；激光跟踪仪6放置在光学平台17的旁侧；

第一激光水平仪4放置在小标准参考板2与待定标月球光谱辐照度仪3之间，第二激光水平仪5放置在小标准参考板2与标准灯1之间；在小标准参考板2机械固定件上贴上第一平面反射镜14，待定标月球光谱辐照度仪3贴上第二平面反射镜15；作用是使第一激光水平仪4发出的光线可以分别照射小标准参考板2与待定标月球光谱辐照度仪3上，便于调节同等高度，同时利用平面反射镜反射原理，调整小标准参考板2与待定标月球光谱辐照度仪3中心法线重合；激光跟踪仪6放置在光学平台17的旁侧，便于实时跟踪靶球对标准灯1、小标准参考板2以及探测镜头18进行三维扫描建模。在标准灯1前侧放置带有狭缝9的第一挡板8，并使狭缝9中心与标准灯1中心在与小标准参考板2法线夹角为45°的延长线上，作用是使标准灯1发出的光线通过狭缝9传播到小标准参考板2；在标准灯1与小标准参考板2法线之间放置第二块挡板10，作用是防止标准灯1发出的光直接进入待定标月球光谱辐照度仪3。激光跟踪仪6具有激光靶球7。

本发明的一种基于激光跟踪仪的标准参考板模拟月球微光辐射定标方法，包括如下步骤：

步骤1、理论计算标准灯1、小标准参考板2以及待定标月球光谱辐照度仪3的位置关系，包括：在搭建该定标系统之前进行方法的理论推导；已知距离标准灯1为500mm处辐照度值与月球辐照度值相差量级，本系统按照该量级进行衰减。当标准灯1所发出的光传播到小标准参考板2之后，由于标准参考板各个方向的反射率基本相同，小标准参考板1在整个半球空间辐照度分布均匀，待定标月球光谱辐照度仪的视场所看面积占半球空间的面积即为能量。

根据上文推导的公式，决定 />的量级；根据标准灯照度与月球照度的差值，按照/>倍进行衰减；所使用的小标准参考板2的直径为27mm，/>取值为500mm，标准灯1与小标准参考板2连线，与小标准参考板2的法线夹角为/>，优选为45°，待定标月球光谱辐照度仪3的探测镜头18的直径为66mm，将进行下式计算。

（5）

标准灯1与小标准参考板2的法线的垂直距离为：

（6）

由于待定标月球光谱辐照度仪3的全视场角是1°，半视场角为0.5°，则待定标月球光谱辐照度仪3在标准灯1处看的横向距离的计算如公式（7）所示，在小标准参考板2看的横向距离/>的计算如公式（8）所示：

（7）

（8）

其中，指探测镜头的直径；

如图3所示，小标准参考板2传播到探测镜头的张角α根据公式（9）计算，对应的传播到标准灯1位置处横向距离为：

（9）

（10）

待定标月球光谱辐照度仪3对小标准参考板2的张角β为：

（11）

按照月球直径以及地月距离进行计算，已知待定标月球光谱辐照度仪3对月球的张角约为0.5°；根据式（11），本发明中，待定标月球光谱辐照度仪3对小标准参考板2的张角为0.48°，基本吻合。

经过计算之后发现，第二挡板10放置的位置余量较大，在待定标月球光谱辐照度仪3视场角横向距离的左侧即可，并且定标系统与真实仪器观看月球比较接近。

步骤2、安装小标准参考板2模拟月球的微光辐射定标系统，包括：将小标准参考板2固定之后，将标准灯1放置在与小标准参考板2的法线夹角45°的方向上约500mm位置处，并将第二激光水平仪5放置在小标准参考板2与标准灯1之间；将待定标月球光谱辐照度仪3放置在小标准参考板2的法线方向上，距离小标准参考板2约3200mm的位置，并将第一激光水平仪4放置在小标准参考板2与待定标月球光谱辐照度仪3之间；将激光跟踪仪6放置在光学平台17的旁侧，并选取尺寸较小的靶球作为三维建模的跟踪目标。

步骤3、调节小标准参考板2与标准灯1的位置，包括：将小标准参考板2所在位置作为基准；调节第一激光水平仪4与第二激光水平仪5，使两者所发出的水平线重合并与小标准参考板2的水平中心线同高，两者所发出的竖直线夹角为45°。通过调节第一调整台11，使标准灯1的灯丝中心与第二激光水平仪5的水平线在同一高度；并且标准灯1的灯丝与小标准参考板2的中心竖直线连线与第二激光水平仪5的竖直线重合，保证了标准灯中心、小标准参考板中心连线与小标准参考板法线夹角在45°附近。

步骤4、调节小标准参考板2与待定标月球光谱辐照度仪3的位置，包括：打开第一激光水平仪4，发出水平与竖直激光线，调节五维调整台13，使待定标月球辐照度仪3的探测镜头中心与水平、竖直激光线重合；通过观察第一平面反射镜14与第二平面反射镜15，调节第二调整台12与五维调整台13的俯仰和旋转，分别使第一平面反射镜14与第二平面反射镜15反射的光线与第一激光水平仪5直接传播的光线重合；保证小标准参考板中心法线、与待定标月球辐照度仪3的探测镜头的中心法线重合，实现待定标月球辐照度仪探测镜头18所在平面，与小标准参考板2所在平面平行且中心对齐。

步骤5、用激光跟踪仪6进行三维建模，得到角度参数和距离参数，包括：打开激光跟踪仪6，根据被测对象选取合适大小的激光靶球7，将激光跟踪仪6所发激光与激光靶球7进行连接，手持激光跟踪仪6的靶球，紧贴标准灯1和小标准参考板2的外围进行三维轮廓建模，根据计算机输出的数值，实时调节第一调整台11，使其标准灯1的灯面法线与小标准参考板的法线夹角为45°，两者的距离为500mm。对待定标月球光谱辐照度仪3的探测镜头进行扫描，精准读出小标准参考板2的中心到探测镜头中心的距离。

步骤6、进行微光光源辐射定标，包括：已知小标准参考板2距离标准灯1的距离和夹角，虽然小标准参考板2不同位置到标准灯1的距离不同，但是由于小标准参考板较小，对小标准参考板每点辐照度积分求取平均值，与默认小标准参考板2每点处的辐照度值与中心点辐照度值一样，进行了比较，差别在小数点后三位，基本一致，所以这里默认小标准参考板2每点处的辐照度值与中心辐照度值一样。此外，查看小标准参考板2的参数，对应半球空间反射率基本接近全反射；并且根据激光跟踪仪6测得的距离d1已知，可以求出探测镜头处的辐照度为；

（12）

其中，为标准灯中心距离标准参考板中心500mm距离；/>为标准灯距离标准参考板/>距离；/>为标准灯距离标准参考板500mm距离处的辐照度值，为已知的；/>为标准灯距离标准参考板/>距离处的辐照度值；

由于待定标月球光谱辐照度仪3的探测镜头处的辐照度值已知，其输出的信号响应DN值已知，根据定标公式（13）可以求出待定标月球光谱辐照度仪3的定标系数；

（13）

其中，为距离小标准参考板/>位置处的辐照度值；/>为待定标月球光谱辐照度仪测得的输出信号响应值；/>为该待定标月球光谱辐照度仪的定标系数。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

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 (9)

1.一种标准参考板模拟月球微光辐射定标系统，其特征在于：包括激光跟踪仪、小标准参考板、第一激光水平仪、第二激光水平仪、标准灯、待定标月球光谱辐照度仪；标准灯放置在与小标准参考板法线夹角为45°且距离小标准参考板的位置，待定标月球光谱辐照度仪放置在小标准参考板法线上、且距离小标准参考板/>的位置；第一激光水平仪放置在小标准参考板与待定标月球光谱辐照度仪之间，第二激光水平仪放置在小标准参考板与标准灯之间；激光跟踪仪放置在光学平台的旁侧；还包括第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一挡板、第二挡板、狭缝；在小标准参考板的机械固定件上贴上第一平面反射镜，待定标月球光谱辐照度仪贴上第二平面反射镜；标准灯前侧放置带有狭缝的第一挡板，并使狭缝的中心与标准灯的中心在与小标准参考板的法线夹角为45°的延长线上，在标准灯与小标准参考板法线之间放置第二挡板，防止标准灯发出的光直接进入待定标月球光谱辐照度仪。

2.根据权利要求1所述的一种标准参考板模拟月球微光辐射定标系统，其特征在于：所述第一激光水平仪发出的光线分别照射小标准参考板与待定标月球光谱辐照度仪，便于调节小标准参考板与待定标月球光谱辐照度仪，使得小标准参考板与待定标月球光谱辐照度仪同等高度，同时利用平面反射镜的反射原理，调整小标准参考板与待定标月球光谱辐照度仪中心法线重合。

3.根据权利要求1或2所述的一种标准参考板模拟月球微光辐射定标系统的定标方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、计算标准灯、小标准参考板以及待定标月球光谱辐照度仪的位置关系的理论值；

步骤2、安装使用小标准参考板模拟月球的微光辐射定标系统；

步骤3、调节小标准参考板与标准灯的位置；

步骤4、调节小标准参考板与待定标月球光谱辐照度仪的位置；

步骤5、用激光跟踪仪进行三维建模得到角度参数和距离参数；

步骤6、进行微光光源辐射定标。

4.根据权利要求3所述的定标方法，其特征在于，所述步骤1包括：当标准灯所发出的光传播到小标准参考板之后，待定标月球光谱辐照度仪的探测镜头视场所看面积占半球空间的面积即为能量，待定标月球光谱辐照度仪处的辐照度根据下式计算：

，

其中，代表小标准参考板接收的总能量；/>代表待定标月球光谱辐照度仪镜头视场所接收的能量；/>为距离标准灯/>处小标准参考板所处位置的辐照度；/>为待定标月球光谱辐照度仪探测镜头所看面积；/>为以小标准参考板为球心该球的半空间表面积；/>为距离小标准参考板/>处的辐照度值；/>为小标准参考板的面积；

根据上式得到待定标月球光谱辐照度仪的探测镜头处的辐照度，即距离小标准参考板处的辐照度值/>为下式：

，

其中，为距离标准灯500mm处的辐照度值，是已知值；/>为小标准参考板的半径；

由上式推出，决定距离小标准参考板/>处的辐照度值/>的量级；根据标准灯照度与月球照度的差值，按照/>倍进行衰减；所使用的小标准参考板的直径为27mm，/>取值为500mm，标准灯与小标准参考板的连线与小标准参考板的法线夹角为45°，待定标月球光谱辐照度仪的探测镜头的直径为66mm，代入上式进行计算得到/>为3200mm；

根据几何关系计算，待定标月球光谱辐照度仪对小标准参考板的张角β为0.48°；小标准参考板传播到探测镜头的半角α为0.36°，对应的传播到标准灯位置处的横向距离为1572mm；标准灯与小标准参考板的法线距离/>为353.55mm；待定标月球光谱辐照度仪的全视场角是1°，半视场角为0.5°，则待定标月球光谱辐照度仪在标准灯处看到的横向距离为57.84mm，在小标准参考板看的横向距离/>为60mm。

5.根据权利要求4所述的定标方法，其特征在于，所述步骤2包括：将小标准参考板固定之后，将标准灯放置在与小标准参考板的法线夹角45°的方向上500mm位置处，并将第二激光水平仪放置在小标准参考板与标准灯之间；将待定标月球光谱辐照度仪放置在小标准参考板法线方向上、且距离小标准参考板3200mm的位置，并将第一激光水平仪放置在小标准参考板与待定标月球光谱辐照度仪之间；将激光跟踪仪放置在光学平台的旁侧，并选取尺寸为0.5″的激光靶球作为三维建模的跟踪目标。

6.根据权利要求5所述的定标方法，其特征在于，所述步骤3包括：将小标准参考板所在位置作为基准；调节第一激光水平仪与第二激光水平仪，使两者所发出的水平线重合并与小标准参考板的水平中心线同高，两者所发出的竖直线夹角为45°；通过调节第一调整台，使标准灯的灯丝中心与第二激光水平仪水平线在同一高度；并且标准灯的灯丝与小标准参考板的中心竖直线连线与第二激光水平仪的竖直线重合，保证标准灯的中心、小标准参考板的中心连线与小标准参考板的法线夹角在45°。

7.根据权利要求6所述的定标方法，其特征在于，所述步骤4包括：打开第一激光水平仪发射水平、竖直激光线，调节五维调整台，使待定标月球辐照度仪的探测镜头的中心与水平、竖直激光线重合；通过观察第二平面反射镜，调节第二调整台与五维调整台的俯仰和旋转，分别使第一平面反射镜、第二平面反射镜反射的光线与第一激光水平仪直接传播的光线重合；保证小标准参考板的中心法线、与待定标月球辐照度仪的探测镜头的中心法线重合，实现待定标月球辐照度仪的探测镜头所在平面与小标准参考板所在平面平行且中心对齐。

8.根据权利要求7所述的定标方法，其特征在于，所述步骤5包括：打开激光跟踪仪，根据被测对象选取激光靶球，将激光跟踪仪所发激光与激光靶球进行连接，手持激光跟踪仪的激光靶球，紧贴标准灯和小标准参考板的外围进行三维轮廓建模，根据计算机输出的数值，实时调节第一调整台，使标准灯的灯面法线与小标准参考板的法线夹角为45°，两者的距离为500mm；对待定标月球光谱辐照度仪的探测镜头进行扫描，精准读出小标准参考板的中心到探测镜头的中心的距离。

9.根据权利要求8所述的定标方法，其特征在于，所述步骤6包括：已知小标准参考板距离标准灯的距离和夹角，并且根据激光跟踪仪测得的距离是已知的，代入求出待定标月球光谱辐照度仪的探测镜头处的辐照度；

由于待定标月球光谱辐照度仪的探测镜头处的辐照度值已知，其输出的信号响应DN值已知，根据定标公式（13）求出待定标月球光谱辐照度仪的定标系数；

（13）

其中，为距离小标准参考板/>位置处的辐照度值；/>为待定标月球光谱辐照度仪测得的输出信号响应值；/>为该待定标月球光谱辐照度仪的定标系数。