3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标系统及方法与流程

本发明涉及空间光学技术领域，具体涉及一种3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标系统及方法。

背景技术：

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1.5m、2.0m、3.0m、未来将达到10.0m量级，如此大口径可见光空间相机实验室辐射定标方法，通常有两种方法，一是常用的积分球光源定标法，一是采用小口径辐射定标源对大口径空间相机进行辐射定标的琼斯法。采用大口径积分球光源为空间相机实施辐射定标是较为理想的定标方法，积分球光源球体内径一般为积分球开口直径的2.5倍以上，才能满足积分球光源出光口及光源开口面积之和小于积分球内表面面积的5％基本要求，使积分球光源出光口均匀性和余弦特性满足空间相机定标的技术指标要求，目前国内最大的积分球光源直径8m，出光口直径3.2m，电功率80kw，可满足3.0m口径空间光学相机的辐射定标需求。当空间相机口径继续增加，就需要更大口径的积分球光源，需要功率几百千瓦供电电源，例如开口直径4m的积分球光源，需要电功率140kw，而开口6m的积分球光源，需要电功率约为320kw，以满足积分球光源出口辐射亮度需求。导致积分球光源结构庞大，供电功率巨大，制造成本高等难题。另外一种定标方法是琼斯定标法，即采用小口径定标光源为大口径空间相机定标方法，小口径辐射定标源的光学口径一般为空间相机口径的1/3～1/4，且小口径辐射定标光源提供的辐射亮度为积分球光源的6倍～8倍。空间相机为了实现大宽幅成像，焦平面采用多片图像探测器拼接，该方法一次只能对其中的1片至2片探测器定标，即局部视场定标，要覆盖所有探测器定标需要较长的定标时间。

针对上述问题，提出一种3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标方法，该方法采用太阳光、漫反射器和光谱辐射计构成的大型辐射定标系统，可满足3.0m以上口径乃至10m口径的空间光学相机的辐射定标。

技术实现要素：

本发明为解决现有3.0m量级以上大口径可见光空间相机实验室辐射定标难题，提供一种3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标系统及定标方法。

3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标系统，该系统包括漫反射器、漫反射器驱动机构、驱动机构控制器、光谱辐射计、空间相机和清洁实验室；所述漫反射器、漫反射器驱动机构、驱动机构控制器、光谱辐射计和空间相机均设置在清洁实验室内，所述清洁实验室的顶部设置有太阳光入射窗口；所述漫反射器的背部固定漫反射器驱动机构，驱动机构控制器控制漫反射器驱动机构驱动所述漫反射器的俯仰角，使漫反射器随太阳高度角运动，所述漫反射器反射太阳光形成的漫反射光被空间相机接收，所述光谱辐射计与空间相机在漫反射器的同一侧，且与漫反射器的中心法线成45度角放置，同步采集光谱辐射亮度和定标图像数据。

3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、太阳光经太阳光入射窗口入射到漫反射器上发生漫反射，漫反射光入射至空间相机内，空间相机获得定标图像；漫反射器上依次切换不同反射率的漫反射板，获得不同辐射亮度等级的定标图像数据。

步骤二、在空间相机采集定标图像的时刻，光谱辐射计实时采集漫反射板上的光谱辐射亮度，根据所述光谱辐射亮度和空间相机的相对光谱响应度计算各个辐射亮度等级的对应谱段内的积分辐射亮度；

步骤三、根据各个辐射亮度等级的定标图像数据和对应谱段内的辐射亮度，采用最小二乘法计算每个像元绝对辐射响应函数和相对辐射校正系数，完成绝对辐射定标和相对辐射定标。

本发明的有益效果是：本发明采用太阳光、漫反射器和光谱辐射计构成的大口径可见光相机辐射定标系统，可满足3.0m口径以上的可见光空间相机的绝对和相对辐射定标，解决了大口径积分光源研制的一系列难题，借助太阳自然光完成大口径空间相机全口径、全视场、端对端的辐射定标。在未来大口径空间相机辐射定标中将发挥重要作用，具有广泛的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明所述的3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标系统的结构框图。

图1中，1、太阳光，2、漫反射器，3、漫反射器驱动机构，4、驱动机构控制器，5、光谱辐射计，6、空间相机，7、洁净实验室，8、太阳光入射窗口。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标系统，包括漫反射器2、漫反射器驱动机构3、驱动机构控制器4、光谱辐射计5和空间相机6；所述上述各部件均置于洁净实验室7内；

所述洁净实验室7的顶部设置有太阳光入射窗口8，漫反射器2的背部固定漫反射器驱动机构3，驱动机构控制器4控制漫反射器驱动机构3驱动所述漫反射器2的俯仰角，使漫反射器2随太阳光高度角运动，太阳光1经阳光入射窗口8，入射到漫反射器2的漫反射板上，形成的漫反射光被空间相机6接收，所述光谱辐射计5与空间相机6在漫反射器2的同一侧，且与漫反射器2的中心法线成45度角放置，同步采集光谱辐射亮度和定标图像数据。

本实施方式中，所述漫反射器2由不少于10种反射率的大面积漫反射板组成，由驱动机构3控制漫反射板切换，用于实现不同的辐射亮度等级的定标图像数据采集。各漫反射板的光谱反射率平坦，平均光谱反射率分别为5％，10％，20％，30％，40％，50％，60％，70％，80％，90％，或者更多。

所述漫反射器2俯仰方向与空间相机6的夹角为45°±5°，大小充满空间相机入光口和全部视场，水平方向与相机入光口垂直。驱动机构控制器4控制驱动机构使得漫反射器完成两项运动，一是控制漫反射器俯仰角，使漫反射器俯仰随太阳高度角运动，二是根据定标需求迅速切换漫反射板，实现不同辐射亮度等级的定标图像数据采集。所述驱动机构控制器4控制漫反射器2使得太阳高度角与所述漫反射器2的法线与太阳光夹角小于10°。

具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标系统的定标方法，该方法由以下步骤实现：

一、太阳光1经太阳光入射窗口8入射到漫反射器2上的漫反射板反射后，入射到空间相机6内，空间相机6获得对应的定标图像。漫反射器2上依次切换不同反射率的漫反射板，获得不同辐射亮度等级的定标图像数据。

二、在空间相机采集定标图像的时刻，利用光谱辐射计5实时采用漫反射板上的光谱辐射亮度。漫反射器驱动机构3控制漫反射器2更换不同漫反射板，提供不同的辐射亮度等级，并获取对应辐射亮度的图像。

三、利用光谱辐射亮度和相机相对光谱响应度计算各个辐射亮度等级的谱段积分辐射亮度，结合对应辐射亮度等级的像元灰度值，利用最小二乘法计算空间相机的像元绝对辐射响应度和相对辐射校正系数，完成绝对辐射定标和相对辐射定标。

本实施方式所述的方法实现了3.0m量级以上大口径空间相机全口径、全视场、端对端的实验室辐射定标。

技术特征：

1.3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标系统，其特征是：该系统包括漫反射器(2)、漫反射器驱动机构(3)、驱动机构控制器(4)、光谱辐射计(5)、空间相机(6)和清洁实验室(7)；

所述漫反射器(2)、漫反射器驱动机构(3)、驱动机构控制器(4)、光谱辐射计(5)和空间相机(6)均设置在清洁实验室(7)内，所述清洁实验室(7)的顶部设置有太阳光入射窗口(8)；

所述漫反射器(2)的背部固定漫反射器驱动机构(3)，驱动机构控制器(4)控制漫反射器驱动机构(3)驱动所述漫反射器(2)的俯仰角，使漫反射器(2)随太阳高度角运动，所述漫反射器(2)反射太阳光形成的漫反射光被空间相机(6)接收，所述光谱辐射计(5)与空间相机(6)在漫反射器(2)的同一侧，且与漫反射器(2)的中心法线成45度角放置。

2.根据权利要求1所述的3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标系统，其特征在于：所述漫反射器(2)由至少10种反射率的大面积漫反板组成，实现不同的辐射亮度等级的定标图像数据采集。

3.根据权利要求2所述的3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标系统，其特征在于：所述驱动机构控制器(4)控制漫反射器(2)使得所述漫反射器(2)的法线与太阳光夹角小于10°。

4.根据权利要求1所述的3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标系统，其特征在于：所述漫反射器(2)水平方向与空间相机(6)的入光口垂直。

5.根据权利要求1所述的3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标系统及定标方法，其特征在于：该方法由以下步骤实现：

步骤一、太阳光(1)经太阳光入射窗口(8)入射到漫反射器(2)上发生漫反射，漫反射光被空间相机(6)接收，空间相机(6)获得定标图像；漫反射器驱动机构(3)控制漫反射器(2)依次切换不同反射率的漫反射板，获得不同辐射亮度等级的定标图像数据；

步骤二、在空间相机采集定标图像的时刻，光谱辐射计(5)实时采集漫反射板上的光谱辐射亮度，根据所述光谱辐射亮度和空间相机的相对光谱响应度计算各个辐射亮度等级的对应谱段内的积分辐射亮度；

步骤三、根据各个辐射亮度等级的定标图像数据和对应谱段内的辐射亮度，采用最小二乘法计算每个像元绝对辐射响应函数和相对辐射校正系数，完成绝对辐射定标和相对辐射定标。

6.根据权利要求5所述的定标方法，其特征在于：所述漫反射器驱动机构(3)控制漫反射器(2)切换漫反射板，提供不同的辐射亮度等级，并获取对应辐射亮度的图像和光谱辐射亮度，通过数据处理完成空间相机辐射定标。

技术总结
3.0m量级以上大口径空间相机实验室辐射定标系统及方法，涉及空间光学技术领域，为解决现有可见光空间相机实验室辐射定标难题，由太阳光、漫反射器和光谱辐射计构成的大型辐射定标系统；漫反射器的背部固定漫反射器驱动机构，由驱动控制器控制，驱动漫反射器的俯仰角，使漫反射器随太阳高度角运动，漫反器上有不少于10种光谱反射率等级的漫反射板，驱动机构控制漫反射板切换，利用太阳光形成定标所需的辐射亮度等级。太阳光入射到漫反射器的漫反射板上，形成的漫反射光被空间相机接收，光谱辐射计与空间相机在漫反射器的同一侧，且与漫反射器的中心法线成45度角，同步采集定标图像和光谱辐射亮度，完成辐射定标。本发明具有广泛的工程应用价值。

技术研发人员：李宪圣;刘洪兴;聂婷;陈长征;韩双丽
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2019.12.27
技术公布日：2020.04.21