CN117664336A - 一种大视场分孔径极轨多光谱相机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空间遥感技术领域，具体提供一种大视场分孔径极轨多光谱相机，包括子通道光学系统、子通道滤光片以及探测器子通道光学系统为N个，子通道滤光片为N个；N个子通道滤光片分别与N个子通道光学系统对应，N个子通道光学系统以及N个子通道滤光片共用一个探测器；本发明提供的相机采用多通道直接分孔径的形式实现同一探测器不同光谱图像以及空间信息的同时获取，避免分时方法测量带来的误差；对地球全盘成像且空间分辨率能够达到5km，避免地球不同纬度地区精度不一以及不同时间序列载荷数据拼接误差；而且，不需要多角度观测以及复杂的在轨扫描也能够获取地球同一场景不同辐亮度信息。
Description
技术领域
本发明涉及空间遥感技术领域，具体提供一种大视场分孔径极轨多光谱相机。
背景技术
地球辐射收支是指地球大气系统从太阳接收紫外、可见和近红外电磁辐射和地球大气系统向外层空间放射红外辐射的辐射交换过程。高精度地球辐射收支测量对于研究天气气候变化、生态环境保护等都具有重要作用。地球辐射收支的过程中存在诸多气候驱动因子不断扰动大气顶辐射从而进行辐射平衡调节，其中云辐射强迫、区域场景反照率等辐射强迫一直是了解地球辐射收支反馈机制的重要因子，如何定量化识别此类场景是实现高精度地球辐射测量一项重要研究内容。此外，地球辐亮度或辐照度的反演精度亦取决于地球辐亮度空间分布模型(ADM)。
现有技术中，地球辐射收支仪获取ADM模型的主要两种方式为(1)使用多个固定角度的辐射计沿轨观测，获取同一地区不同辐亮度信息；(2)使用沿轨扫描、跨轨扫描以及多方位旋转扫描获取同一地区不同辐亮度信息。这要求仪器进行长时间观测并具备复杂且精准的扫描机构。评估云辐射强迫因子等则需要仪器的空间分辨率优15km，并且对于地球不同季节、不同纬度地区数据精度一致且可以快速获取全球数据。现有技术中地球辐射收支仪依赖于光谱成像仪数据评估辐射强迫因子，多采用滤光轮、光栅、或者可调谐滤光片等方式进行分时扫描对地测量。这存在地球不同纬度地区精度不一以及不同时间序列载荷数据拼接误差大、地球辐射瞬态变化数据缺失等问题。
发明内容
本发明为了弥补现有技术不足，提供一种适用于极轨卫星使用的地球多光谱相机，其具备140°大视场能够对地球全盘进行成像并且空间分辨率为5km，采用直接分孔径技术在350～1000nm的紫外-可见-近红外光谱范围内划分多个光谱，在同一探测器上同时获取多辐地球光谱图像，以进行云、沙漠、冰雪、植被和海洋、水汽场景识别及光谱辐射信息定量化提取。
目前的微透镜阵列成像需要分割视场，无法提供所有通道对地全视场成像，并且多相机阵列需要多个传感器，结构复杂，无法实现应用需求。本发明所提供的多光谱相机相比于传统多光谱相机，能够实现地球空间信息以及光谱辐射信息二维同时测量，并且能够直接获取地球全盘场景辐射数据；随着地球自转过程中同一场景以不同角度成像于探测器不同位置，可以不同场景的ADM模型所需数据。
本发明提供的一种大视场分孔径极轨多光谱相机，所述大视场分孔径极轨多光谱相机包括子通道光学系统、子通道滤光片以及探测器；
所述子通道光学系统与所述子通道滤光片的数量相同，所述子通道光学系统为N个，所述子通道滤光片为N个，所述N为大于1的整数；N个所述子通道滤光片分别与N个所述子通道光学系统对应，N个所述子通道光学系统以及N个所述子通道滤光片共用一个所述探测器。
优选的，每个所述子通道光学系统中均设有广角成像望远镜，所述广角成像望远镜用于实现140°视场成像。
优选的，每个所述子通道光学系统均包括九个透镜，分别为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8以及第九透镜L9。
优选的，所述第一透镜L1的曲率半径为224.831mm，中心厚度为7.652mm，材料为BK1；所述第二透镜L2的曲率半径为-231.565mm，中心厚度为9.180mm，材料为SK12；所述第三透镜L3的曲率半径为69.260mm，中心厚度为35.753mm，材料为N-SF15；所述第四透镜L4的曲率半径为-81.549mm，中心厚度为5.000mm，材料为LAKN7；所述第五透镜L5的曲率半径为64.002mm，中心厚度为12.269mm，材料为LAK9G15；所述第六透镜L6的曲率半径为23.273mm，中心厚度为43.548mm，材料为PSK3；所述第七透镜L7的曲率半径为-34.868mm，中心厚度为5.064mm，材料为P-SF69；所述第八透镜L8的曲率半径为44.040mm，中心厚度为17.235mm，材料为PSK3；所述第九透镜L9的曲率半径为-33.104mm，中心厚度为6.336mm，材料为N-SF1。
优选的，所述第一透镜L1与所述第二透镜L2之间的距离间隔为47.348mm；所述第二透镜L2与所述第三透镜L3之间的距离间隔13.868mm；所述第三透镜L3与所述第四透镜L4形成第一双胶合透镜；所述第四透镜L4与所述第五透镜L5之间的距离间隔为104.024mm；所述第五透镜L5与所述第六透镜L6形成第二双胶合透镜；所述第六透镜L6与所述第七透镜L7之间的距离间隔为2.007mm；所述第七透镜L7与所述第八透镜L8之间设置孔径光阑，所述第七透镜L7与所述孔径光阑之间的距离间隔为2.892mm，所述孔径光阑与所述第八透镜L8之间的距离间隔为3.182mm；所述第八透镜L8与所述第九透镜L9之间的距离间隔为3.486mm。
优选的，每个所述子通道滤光片均位于每个所述子通道光学系统中所述第九透镜L9的后端，所述子通道滤光片与所述第九透镜L9之间的距离间隔为7mm。
优选的，所述探测器与所述第九透镜L9之间的距离为37.362mm。
优选的，设置N个所述子通道光学系统在所述大视场分孔径极轨多光谱相机中的偏心离轴距离为20mm。
优选的，所述探测器为CMOS单色传感器。
优选的，所述大视场分孔径极轨多光谱相机的空间分辨率达到5km。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明提供一种大视场分孔径极轨多光谱相机，具体采用多通道直接分孔径的形式实现同一探测器不同光谱图像以及空间信息的同时获取，避免分时方法测量带来的误差；对地球全盘成像且空间分辨率能够达到5km，避免地球不同纬度地区精度不一以及不同时间序列载荷数据拼接误差；而且，不需要多角度观测以及复杂的在轨扫描也能够获取地球同一场景不同辐亮度信息，能够提供350-1000nm紫外-可见-近红外的多光谱ADM模型所需数据。
附图说明
图1是根据本发明具体实施方式的大视场分孔径极轨多光谱相机的结构示意图；
图2是根据本发明具体实施方式的大视场分孔径极轨多光谱相机中观测区域重叠示意图；
图3是根据本发明具体实施方式的子通道光学系统的结构示意图；
图4是根据本发明具体实施方式的大视场分孔径极轨多光谱相机中ADM数据获取示意图；
图5是根据本发明具体实施方式的大视场分孔径极轨多光谱相机中子通道点列图；
图6是根据本发明具体实施方式的大视场分孔径极轨多光谱相机中子通道光扇图；
图7是根据本发明具体实施方式的大视场分孔径极轨多光谱相机中子通道MTF图。
附图说明：
子通道光学系统1、子通道滤光片2、探测器3。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
如图1所示，为本发明具体实施方式的大视场分孔径极轨多光谱相机的结构示意图，从图中可以看出，本发明具体实施方式中提供一种大视场分孔径极轨多光谱相机，所述大视场分孔径极轨多光谱相机包括子通道光学系统1、子通道滤光片2以及探测器3；在该实施方式中，N为2，即两个子通道光学系统1分别对应两个子通道滤光片2，共用同一个探测器3。
具体的实施方式中，所述子通道光学系统与所述子通道滤光片的数量相同，所述子通道光学系统为N个，所述子通道滤光片为N个，所述N为大于1的整数；N个所述子通道滤光片分别与N个所述子通道光学系统对应，N个所述子通道光学系统以及N个所述子通道滤光片共用一个所述探测器。
具体的实施方式中，以N等于四为例，即所述子通道光学系统1为四个，包括第一子通道光学系统、第二子通道光学系统、第三子通道光学系统以及第四子通道光学系统；所述子通道滤光片2为四个，包括第一子通道滤光片、第二子通道滤光片、第三子通道滤光片以及第四子通道滤光片；四个所述子通道滤光片2分别与N个所述子通道光学系统1对应，四个所述子通道光学系统1以及N个所述子通道滤光片2共用一个所述探测器3；所述探测器3可以为CMOS单色传感器；具体的，每个所述子通道光学系统1中均设有广角成像望远系统，用于实现140°视场成像。
具体实施方式中，N个子通道采用2x2矩阵排列方式，具体如图2所示，是在N等于四时，根据本发明具体实施方式的大视场分孔径极轨多光谱相机中观测区域重叠示意图，其中，第一子通道光学系统与第一子通道滤光片以及探测器3共同形成通道1观测区域，第二子通道光学系统与第二子通道滤光片以及探测器3共同形成通道2观测区域，第三子通道光学系统与第三子通道滤光片以及探测器3共同形成通道3观测区域，第四子通道光学系统与第四子通道滤光片以及探测器3共同形成通道4观测区域，从图中可以看出，四个子通道的观测区域之间都会有重叠部分，可以获取同一时刻同一地区的不同光谱图像，其辐射数据可以进行比对。
具体的实施方式中，如图3所示，为本发明具体实施方式的大视场分孔径极轨多光谱相机中，单个子通道光学系统的结构示意图，从图中可以看出，每个所述子通道光学系统均包括九个透镜，分别为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8以及第九透镜L9，通过九个透镜的设置进行像差消除。
具体的实施方式中，在广角成像望远系统的作用下，N个通道直接分孔径，视场为140°，F数为2.2，每个子通道滤光片除了光谱范围不同，其余参数全部相同，N个子通道间视场部分重叠，以保证地球全盘充分采样观测。具体的，所述第一透镜L1的曲率半径为224.831mm，中心厚度为7.652mm，材料为BK1；所述第二透镜L2的曲率半径为-231.565mm，中心厚度为9.180mm，材料为SK12；所述第三透镜L3的曲率半径为69.260mm，中心厚度为35.753mm，材料为N-SF15；所述第四透镜L4的曲率半径为-81.549mm，中心厚度为5.000mm，材料为LAKN7；所述第五透镜L5的曲率半径为64.002mm，中心厚度为12.269mm，材料为LAK9G15；所述第六透镜L6的曲率半径为23.273mm，中心厚度为43.548mm，材料为PSK3；所述第七透镜L7的曲率半径为-34.868mm，中心厚度为5.064mm，材料为P-SF69；所述第八透镜L8的曲率半径为44.040mm，中心厚度为17.235mm，材料为PSK3；所述第九透镜L9的曲率半径为-33.104mm，中心厚度为6.336mm，材料为N-SF1。
具体的实施方式中，所述第一透镜L1与所述第二透镜L2之间的距离间隔为47.348mm；所述第二透镜L2与所述第三透镜L3之间的距离间隔13.868mm；所述第三透镜L3与所述第四透镜L4形成第一双胶合透镜；所述第四透镜L4与所述第五透镜L5之间的距离间隔为104.024mm；所述第五透镜L5与所述第六透镜L6形成第二双胶合透镜；所述第六透镜L6与所述第七透镜L7之间的距离间隔为2.007mm；所述第七透镜L7与所述第八透镜L8之间设置孔径光阑，所述第七透镜L7与所述孔径光阑之间的距离间隔为2.892mm，所述孔径光阑与所述第八透镜L8之间的距离间隔为3.182mm；所述第八透镜L8与所述第九透镜L9之间的距离间隔为3.486mm；每个所述子通道滤光片均位于每个所述子通道光学系统中所述第九透镜L9的后端，所述子通道滤光片与所述第九透镜L9之间的距离间隔为7mm。所述探测器3与所述第九透镜L9之间的距离为37.362mm，通过这些镜组间距的特殊设置，使得多光谱相机的成像质量最优。
具体的实施方式中，如图4所示，是根据本发明具体实施方式的大视场分孔径极轨多光谱相机中ADM数据获取示意图，探测器3的像素设置为8K×8K，像元大小为4.6μm×4.6μm，在不同时刻同一区域可以以不同亮度入射，以获取地球场景辐射亮度分布模型。
优选的实施方式中，设置N个所述子通道光学系统在所述大视场分孔径极轨多光谱相机中的偏心离轴距离为20mm，可以更好的防止相机中光线出现混叠。本发明具体实施方式所提供的所述大视场分孔径极轨多光谱相机的空间分辨率能达到5km。
为了进一步说明本发明具体实施方式的大视场分孔径极轨多光谱相机的实际效果，通过仿真测试验证如下。
本发明具体实施方式的大视场分孔径极轨多光谱相机的单通道点列图如图5所示，表1为486nm～656nm光谱通道相机在各个视场弥散斑RMS值，由Zemax仿真结果可知，全视场下点列图RMS均小于4.6μm，满足4个通道空间分辨率均优于5km，且从各视场光扇图6明显看出光学系统像差得到了较好的校正，满足应用需求。
表1多光谱空间全景相机子通道不同视场弥散斑数据
本发明具体实施方式的大视场分孔径极轨多光谱相机中子通道MTF图如图7所示，数值如表2所示，可以看出，系统在奈奎斯特频率109lp/mm下轴上视场MTF优于0.7，成像质量较好，满足全视场奈奎斯特频率下的5km空间分辨率清晰成像。
表2多光谱空间全景相机子通道不同视场MTF数据
本发明具体实施方式提供一种大视场分孔径极轨多光谱相机，具体采用四通道直接分孔径的形式实现同一探测器不同光谱图像以及空间信息的同时获取，避免分时方法测量带来的误差；对地球全盘成像且空间分辨率能够达到5km，避免地球不同纬度地区精度不一以及不同时间序列载荷数据拼接误差；而且，不需要多角度观测以及复杂的在轨扫描也能够获取地球同一场景不同辐亮度信息，能够提供350-1000nm紫外-可见-近红外的多光谱ADM模型所需数据。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种大视场分孔径极轨多光谱相机，其特征在于，所述大视场分孔径极轨多光谱相机包括子通道光学系统、子通道滤光片以及探测器；
所述子通道光学系统与所述子通道滤光片的数量相同，所述子通道光学系统为N个，所述子通道滤光片为N个，所述N为大于1的整数；
N个所述子通道滤光片分别与N个所述子通道光学系统对应，N个所述子通道光学系统以及N个所述子通道滤光片共用一个所述探测器。
2.根据权利要求1所述的大视场分孔径极轨多光谱相机，其特征在于，每个所述子通道光学系统中均设有广角成像望远镜，所述广角成像望远镜用于实现140°视场成像。
3.根据权利要求1所述的大视场分孔径极轨多光谱相机，其特征在于，每个所述子通道光学系统均包括九个透镜，分别为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8以及第九透镜L9。
4.根据权利要求3所述的大视场分孔径极轨多光谱相机，其特征在于，所述第一透镜L1的曲率半径为224.831mm，中心厚度为7.652mm，材料为BK1；
所述第二透镜L2的曲率半径为-231.565mm，中心厚度为9.180mm，材料为SK12；
所述第三透镜L3的曲率半径为69.260mm，中心厚度为35.753mm，材料为N-SF15；
所述第四透镜L4的曲率半径为-81.549mm，中心厚度为5.000mm，材料为LAKN7；
所述第五透镜L5的曲率半径为64.002mm，中心厚度为12.269mm，材料为LAK9G15；
所述第六透镜L6的曲率半径为23.273mm，中心厚度为43.548mm，材料为PSK3；
所述第七透镜L7的曲率半径为-34.868mm，中心厚度为5.064mm，材料为P-SF69；
所述第八透镜L8的曲率半径为44.040mm，中心厚度为17.235mm，材料为PSK3；
所述第九透镜L9的曲率半径为-33.104mm，中心厚度为6.336mm，材料为N-SF1。
5.根据权利要求4所述的大视场分孔径极轨多光谱相机，其特征在于，所述第一透镜L1与所述第二透镜L2之间的距离间隔为47.348mm；所述第二透镜L2与所述第三透镜L3之间的距离间隔13.868mm；所述第三透镜L3与所述第四透镜L4形成第一双胶合透镜；所述第四透镜L4与所述第五透镜L5之间的距离间隔为104.024mm；所述第五透镜L5与所述第六透镜L6形成第二双胶合透镜；所述第六透镜L6与所述第七透镜L7之间的距离间隔为2.007mm；所述第七透镜L7与所述第八透镜L8之间设置孔径光阑，所述第七透镜L7与所述孔径光阑之间的距离间隔为2.892mm，所述孔径光阑与所述第八透镜L8之间的距离间隔为3.182mm；所述第八透镜L8与所述第九透镜L9之间的距离间隔为3.486mm。
6.根据权利要求5所述的大视场分孔径极轨多光谱相机，其特征在于，每个所述子通道滤光片均位于每个所述子通道光学系统中所述第九透镜L9的后端，所述子通道滤光片与所述第九透镜L9之间的距离间隔为7mm。
7.根据权利要求6所述的大视场分孔径极轨多光谱相机，其特征在于，所述探测器与所述第九透镜L9之间的距离为37.362mm。
8.根据权利要求1所述的大视场分孔径极轨多光谱相机，其特征在于，设置N个所述子通道光学系统在所述大视场分孔径极轨多光谱相机中的偏心离轴距离为20mm。
9.根据权利要求1所述的大视场分孔径极轨多光谱相机，其特征在于，所述探测器为CMOS单色传感器。
10.根据权利要求1所述的大视场分孔径极轨多光谱相机，其特征在于，所述大视场分孔径极轨多光谱相机的空间分辨率达到5km。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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