一种凝视型空间相机分时多光谱成像控制的相机系统及控制方法与流程

本发明涉及一种凝视型空间相机分时多光谱成像控制的相机系统及控制方法，属于航天光学遥感技术领域。

背景技术：

凝视型空间相机多用于地球静止轨道对地观测，地球静止轨道凝视相机因为其轨道特点所带来的监测范围广、时间分辨率高等特点可以为减灾、气象、地震、林业、海洋、国土、水利等多个行业的应用提供遥感数据服务，目前已成为国内外未来对地观测技术发展的重要方向。

地球静止轨道对地观测卫星具有多用户、多用途、可并行执行多任务的特点，根据观测任务不同，卫星可分为凝视成像模式、区域成像模式、机动巡查模式等，凝视型空间相机涉及单次成像、连续成像、全谱段成像、指定谱段成像等多种成像模式，每一次成像都需要对成像参数调整，同步控制精度需求也较高。现有空间相机工作模式多为卫星星务或数管分系统通过通讯总线直接控制，空间相机设计为指令解析执行式的工作模式，相机自主控制能力薄弱，而且总线控制执行式的工作模式设备间同步控制精度低，即使相机设计有一定的流程控制能力，但其控制方法都有模式单一、控制灵活性和多样性差等缺点。

为实现复杂的并行多任务观测需求，需要一种简洁且完备的凝视型空间相机分时多光谱成像控制方法，与卫星平台工作模式相配合可以实现各种类型观测任务。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，针对地球静止轨道对地观测卫星具有多用户、多用途、可并行执行多任务，工作模式复杂的特点，提出一种可用于地球静止轨道凝视相机的分时多光谱成像控制方法，该系统使用四种简洁的基本成像模式配合卫星系统，可以高效率完成多种类型的对地观测任务。

本发明的技术方案是：一种凝视型空间相机分时多光谱成像控制的相机系统，包括：光学镜头(1)、可变波段分光装置(2)、焦面组件(3)、信号处理装置(4)、控制器(5)；

可变波段分光装置(2)放置在光学镜头(1)和焦面组件(3)之间，用于选取成像的波段；

光学镜头(1)将来自目标的信息经过可变波段滤光装置(2)入射会聚在焦面组件(3)上形成光学像；

焦面组件(3)对光学像进行光电转换和信号读出，即将来自光学镜头(1)的入射光信号转换为电信号，对该电信号进行采样响应后，输出给信号处理装置(4)；

信号处理装置(4)对焦面组件(3)生成的电信号依次进行放大、滤波、模数转换以及编码后输出；

控制器(5)能够控制可变波段滤光装置(2)、焦面组件(3)和信号处理装置(4)，以实现成像控制。

成像控制能够设置四种基本成像工作模式，分别是单谱段单次成像模式(6)、单谱段连续成像模式(7)、全谱段单次成像模式(8)、全谱段连续成像模式(9)。

一种凝视型空间相机分时多光谱成像控制方法，能够实现单谱段单次成像模式(6)，步骤如下：

(1)控制器(5)收到谱段设置总线指令后，根据该指令控制可变波段分光装置(2)将指定的谱段滤光片置入光路中，待步进电机驱动指定的滤光片进入光路中即机构动作到位后，等待单谱段单次成像模式总线指令；

(2)当单谱段单次成像模式总线指令到达后，控制器(5)将内部预先缓存的积分时间，即成像参数包括相机曝光时间送至信号处理装置(4)；

(3)控制器(5)再产生成像同步控制信号给信号处理装置(4)，由信号处理装置(4)控制焦面组件(3)积分成像，至此完成一个单谱段单次成像流程；

(4)一个单谱段单次成像流程结束后，控制器(5)自动进入等待模式。

一种凝视型空间相机分时多光谱成像控制方法，能够实现单谱段连续成像模式(7)，步骤如下：

(1)控制器(5)收到谱段设置总线指令后，根据该指令控制可变波段分光装置(2)将指定的谱段滤光片置入光路中，待步进电机驱动指定的滤光片进入光路中即机构动作到位后，等待单谱段连续成像模式总线指令，当单谱段连续成像模式总线指令到达后，进行步骤(2)；

(2)控制器(5)将内部预先缓存的积分时间，即成像参数包括相机曝光时间送至信号处理装置(4)；

(3)控制器(5)再产生成像同步控制信号给信号处理装置(4)，由信号处理装置(4)控制焦面组件(3)积分成像，然后控制器(5)延时等待至一个设定的成像周期完成；

(4)返回步骤(2)，即以设定的成像周期进行单谱段连续成像，直至接到停止成像指令后，停止成像。

一种凝视型空间相机分时多光谱成像控制方法，能够实现全谱段单次成像模式(8)，步骤如下：

(1)控制器(5)完成加电复位，控制可变波段分光装置(2)寻找初始谱段滤光片，即第一个进入光路的滤光片的零位，每次寻零均按照同一固定的方向旋转寻零，使可变波段分光装置(2)中的各谱段滤光片逆时钟方向旋转寻找发出零位信号的初始滤光片，如果步进电机旋转一定角度找到初始谱段滤光片，则停止运动，判定寻零成功；如果步进电机旋转一圈仍未检测到零位信号，则停止运动，将当前光路中的谱段滤光片作为初始滤光片，即设置为零位滤光片，寻零结束后，控制器(5)等待控制指令；当全谱段单次成像模式总线指令到达后，进行步骤(2)

(2)控制器(5)控制可变波段分光装置(2)将该初始滤光片接入光路中；

(3)控制器(5)将内部预先缓存的积分时间，即成像参数包括相机曝光时间送至信号处理装置(4)；

(4)控制器(5)产生成像同步控制信号给信号处理装置(4)，由信号处理装置(4)控制焦面组件(3)积分成像，然后控制器(5)延时等待至一个设定的成像周期完成；

(5)控制器(5)控制可变波段分光装置的步进电机将向下一谱段滤光片置入光路中，返回步骤(3)，直至可变波段分光装置(2)中的所有谱段滤光片均一一置入光路中，完成所有谱段的全谱段单次成像工作，然后控制器进入等待成像模式。

一种凝视型空间相机分时多光谱成像控制方法，能够实现全谱段连续成像模式(9)，步骤如下：

(1)控制器(5)完成加电复位，控制可变波段分光装置(2)寻找初始谱段滤光片，即第一个进入光路的滤光片的零位，每次寻零均按照同一固定的方向旋转寻零，使可变波段分光装置(2)中的各谱段滤光片逆时钟方向旋转寻找发出零位信号的初始滤光片，如果步进电机旋转一定角度找到初始谱段滤光片，则停止运动，判定寻零成功；如果步进电机旋转一圈仍未检测到零位信号，则停止运动，将当前光路中的谱段滤光片作为初始滤光片，即设置为零位滤光片，寻零结束后，控制器(5)等待控制指令；当全谱段连续成像模式指令到达后，进行步骤(2)

(2)控制器(5)控制可变波段分光装置(2)将该初始滤光片接入光路中；

(3)控制器(5)将内部预先缓存的积分时间，即成像参数包括相机曝光时间送至信号处理装置(4)；

(4)控制器(5)产生成像同步控制信号给信号处理装置(4)，由信号处理装置(4)控制焦面组件(3)积分成像，然后控制器(5)延时等待至一个设定的成像周期完成；

(5)控制器(5)控制可变波段分光装置的步进电机将向下一谱段滤光片置入光路中，返回步骤(3)，直至可变波段分光装置(2)中的所有谱段滤光片均一一置入光路中，完成所有谱段的全谱段单次成像工作；

(6)返回步骤(2)，重复步骤(2)～(5)，直至接到停止成像指令后，停止成像。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明使用单谱段单次成像模式、单谱段连续成像模式、全谱段单次成像模式、全谱段连续成像模式四种简洁的基本模式配合卫星系统，可以完成多种类型的对地观测任务，操作简单、灵活、高效。

(2)本发明的相机自主控制能力强，控制设备集成度高。

(3)本发明的相机系统兼容性好，方便与卫星平台的多种工作模式进行匹配。

(4)本发明的系统和方法采用硬件同步控制信号接口实现多设备同步，成像控制精度高。

(5)本发明的控制方式简洁，灵活多样，功能覆盖全面，可作为空间凝视型相机基本控制方法使用。

附图说明

图1为本发明的采用的控制方法系统组成原理示意图；

图2为本发明采用的单谱段单次成像模式工作时序图；

图3为本发明采用的单谱段连续成像模式工作时序图；

图4为本发明采用的全谱段单次成像模式工作时序图；

图5为本发明采用的全谱段连续成像模式工作时序图；

图6为本发明采用的单谱段单次成像模式控制逻辑流程图；

图7为本发明采用的单谱段连续成像模式控制逻辑流程图；

图8为本发明采用的全谱段单次成像模式控制逻辑流程图；

图9为本发明采用的全谱段连续成像模式控制逻辑流程图；

图10为本发明采用的全谱段连续成像模式工作时序实施例图；

图11为本发明优选的模式可切换工作时序实施例图。

具体实施方式

本发明的基本思路为：提出一种凝视型空间相机分时多光谱成像控制的相机系统及控制方法，在具有可变波段滤光装置的凝视型空间相机中设置单谱段单次成像、单谱段连续成像、全谱段单次成像、全谱段连续成像四种基本成像模式，用于配合卫星平台实现多种对地观测模式。相机中使用一台控制器控制相机的可变波段滤光装置、焦面组件、信号处理装置按照设定的工作流程实现这四种基本工作模式，本发明方法与现有技术方法相比，相机自主控制能力强，系统所需控制设备少，机构动作与成像控制同步精度高，成像控制模式简洁、灵活多样、覆盖全面，能够简单可靠的与卫星平台工作模式匹配组合实现多种类型的对地观测任务，可作为静轨凝视型空间相机最基本的分时多光谱成像控制方法使用。

在具有可变波段滤光装置的凝视型空间相机中设置单谱段单次成像、单谱段连续成像、全谱段单次成像、全谱段连续成像四种基本成像模式，用于配合卫星平台实现多种对地观测模式。相机中使用一台控制器控制相机的可变波段滤光装置、焦面组件、信号处理装置按照设定的工作流程实现这四种基本工作模式。设定的控制流程分别是：单谱段单次成像控制流程(6)、单谱段连续成像控制流程(7)、全谱段单次成像控制流程(8)、全谱段连续成像控制流程(9)；

光学镜头(1)将来自地面物体信息的光束，汇聚在可见光焦面组件(3)上；

可变波段分光装置(2)用于切换不同谱段的滤光片进入光路中，使具有不同谱段范围的光线透过，实现谱段选择功能；

光焦面组件(3)接收来自光学镜头(1)的入射信号，并对探测目标信号进行采样响应后转换为电信号输入给信号处理装置(4)；

信号处理装置(4)将焦面组件生成的电信号进行放大、滤波、模数转换以及编码后输出；控制器(5)控制可变波段滤光装置、焦面组件和信号处理装置、设置成像参数，实现四种基本成像控制模式。

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的凝视型空间相机分时多光谱成像控制方法做进一步详细的说明。

如图1所示，根据本发明的凝视型空间相机分时多光谱成像控制方法包括光学镜头(1)、可变波段分光装置(2)、焦面组件(3)、信号处理装置(4)、控制器(5)组成.相机中使用一台控制器控制相机的可变波段滤光装置、焦面组件、信号处理装置按照设定的工作流程实现四种基本工作模式可使相机自主控制能力强，控制设备集成度高，同时设计系统间的差分硬件同步控制信号接口，确保系统不同设备间的高精度时序同步。

其中，光学镜头(1)将来自地面物体信息的光束，汇聚在可见光焦面组件(3)上；可变波段分光装置(2)用于切换不同谱段的滤光片进入光路中，使具有不同谱段范围的光线透过，实现谱段选择功能；焦面组件(3)接收来自光学镜头(1)的入射信号，并对探测目标信号进行采样响应后转换为电信号输入给信号处理装置(4)；信号处理装置(4)将焦面组件生成的电信号进行放大、滤波、模数转换以及编码后输出；

可变波段分光装置，包括步进电机和多个不同的谱段滤光片；步进电机可以使不同的滤光片进入光学镜头(1)至焦面组件(3)的光路；所有滤光片中只有一个滤光片能够发出零位信号，定义为初始滤光片，(零位是指滤光片的正中心和光路的正中心对齐)；

控制器(5)控制可变波段滤光装置(2)、焦面组件(3)和信号处理装置(4)实现四种基本成像控制模式，控制器直接控制可变波段分光装置(2)的歩进电机，驱动不同的滤光片进入光路中，同时控制器(5)能够产生成像同步控制信号，用于触发信号处理装置(4)控制焦面组件(3)进行积分成像，即控制信号处理装置(4)对焦面组件(3)生成的电信号依次进行放大、滤波、模数转换以及编码后输出。

本发明的成像模式实施步骤如下：

所有滤光片中只有初始滤光片能够发出零位信号；

首先，控制器(5)完成加电复位，控制可变波段分光装置(2)寻找初始滤光片(第一个进入光路的滤光片)的零位(滤光片的正中心和光路的正中心对齐)，每次寻零均按照同一固定的方向旋转寻零，使用可变波段分光装置(2)中的各普段滤光片逆时钟方向旋转寻找发出零位信号的初始滤光片，如果步进电机旋转一圈所走步数仍未检测到零位信号，则停止运动完成复位，将当前光路中的谱段滤光片作为初始滤光片，将该初始滤光片设置为零位滤光片。寻零结束后，控制器(5)等待控制指令，然后按照指令约定如图2～图5约定的流程，完成工作模式控制。

单谱段单次成像模式(6)：如图2和图6所示，控制器(5)收到“谱段设置”总线指令后，根据指令控制可变波段分光装置(2)，将指定谱段滤光片置入光路中，步进电机驱动指定的滤光片进入光路中即机构动作到位后，等待“单谱段单次成像模式”总线指令，“单谱段单次成像模式”总线指令到达后，控制器(5)将内部缓存的积分时间(即相机曝光时间)等成像参数送至信号处理装置(4)；

控制器(5)再产生成像同步控制信号给信号处理装置(4)，由信号处理装置(4)控制焦面组件(3)积分成像，至此完成一个单谱段单次成像流程，流程结束后，控制器(5)自动进入等待模式。

单谱段连续成像模式(7)：如图3和图7所示，控制器(5)收到“谱段设置”总线指令后，根据指令控制“可变波段分光装置”将指定谱段滤光片置入光路，机构动作完成后，如果收到工作模式“单谱段连续成像模式”总线指令，再将之前收到的积分时间等成像参数发送至信号处理电路，然后产生成像同步控制信号给信号处理电路，由信号处理电路控制焦面组件积分成像，然后控制器(5)延时等待至一个设定的成像周期完成，然后控制器(5)

再发送成像参数和成像同步控制信号，以固定的周期进行单谱段连续成像控制模式。

全谱段单次成像模式(8)：如图4和图8所示，控制器(5)收到工作模式“全谱段单次成像模式”总线指令后控制可变波段分光装置复位，即将默认谱段滤光片置入光路中，然后将之前收到的积分时间等成像参数发送至信号处理电路，并产生成像同步控制信号给信号处理电路，由信号处理电路控制焦面组件积分成像，然后延时等待至成像周期结束，再控制可变波段分光装置将向下一谱段滤光片置入光路中，之后再次发送之前收到的积分时间等成像参数发送至信号处理电路，并产生成像同步控制信号给信号处理电路，由信号处理电路控制焦面组件积分成像，如此循环，直至完成所有谱段的全谱段单次成像工作，然后控制器进入等待成像模式.

全谱段连续成像模式(9)：如图5和图9所示，控制器收到工作模式“全谱段连续成像模式”设置总线指令后控制可变波段分光装置复位，即将默认谱段滤光片置入光路中；然后将之前收到的积分时间等成像参数发送至信号处理电路，并产生成像同步控制信号给信号处理电路，由信号处理电路控制焦面组件积分成像，然后延时等待至成像周期结束；然后再控制可变波段分光装置将下一谱段滤光片置入光路中，然后再发送之前收到的积分时间等成像参数发送至信号处理电路，并产生成像同步控制信号给信号处理电路，由信号处理电路控制焦面组件积分成像；如此循环往复，控制器进入全谱段连续成像模式.

单谱段连续成像模式和全谱段连续成像模式，可由等待成像指令终止，控制器收到该指令后进入等待成像模式,四种工作模式由等待成像模式实现切换交互。

如图11所示，进一步优选方案为：一种凝视型空间相机分时多光谱成像控制方法，能够实现单谱段单次成像模式(6)、单谱段连续成像模式(7)、全谱段单次成像模式(8)、全谱段连续成像模式(9)这四种基本成像工作模式的切换，步骤如下：

1)当控制器(5)收到谱段设置总线指令后，控制器(5)根据该指令控制可变波段分光装置(2)，将指定的谱段滤光片置入光路中，步进电机驱动指定的滤光片进入光路中即机构动作到位，等待单谱段单次成像模式总线指令，

当控制器(5)收到单谱段单次成像模式总线指令后，进入单谱段单次成像模式(6)，即控制器(5)将内部预先缓存的积分时间，即相机曝光时间的成像参数送至信号处理装置(4)；

控制器(5)再产生成像同步控制信号给信号处理装置(4)，由信号处理装置(4)控制焦面组件(3)积分成像，至此完成一个单谱段单次成像流程；一个单谱段单次成像流程结束后，控制器(5)自动进入等待模式。

2)当控制器(5)收到单谱段连续成像模式总线指令后，进入单谱段连续成像模式(7)，步骤如下：

(2.1)即控制器(5)将内部预先缓存的积分时间，即相机曝光时间的成像参数送至信号处理装置(4)；

(2.2)控制器(5)再产生成像同步控制信号给信号处理装置(4)，由信号处理装置(4)控制焦面组件(3)积分成像，然后控制器(5)延时等待至一个设定的成像周期完成

(2.3)返回步骤(2.1)，即以设定的成像周期进行单谱段连续成像，直至接到停止成像指令后，停止成像。

3)当控制器(5)收到全谱段单次成像模式总线指令后，进入全谱段单次成像模式(8)，步骤如下：

3.1)控制器(5)完成加电复位，控制可变波段分光装置(2)寻找初始谱段滤光片，即第一个进入光路的滤光片的零位，每次寻零均按照同一固定的方向旋转寻零，使可变波段分光装置(2)中的各谱段滤光片逆时钟方向旋转寻找发出零位信号的初始滤光片，如果步进电机旋转一圈找到初始谱段滤光片，则判定寻零成功；如果步进电机旋转一圈仍未检测到零位信号，则停止运动，将当前光路中的谱段滤光片作为初始滤光片，将该初始滤光片设置为零位滤光片，寻零结束后，控制器(5)等待控制指令；当全谱段单次成像模式总线指令到达后，进行步骤(2)

3.2)控制器(5)控制可变波段分光装置(2)将该初始滤光片接入光路中；

3.3)控制器(5)将内部预先缓存的积分时间，即相机曝光时间的成像参数送至信号处理装置(4)；

3.4)控制器(5)再产生成像同步控制信号给信号处理装置(4)，由信号处理装置(4)控制焦面组件(3)积分成像，然后控制器(5)延时等待至一个设定的成像周期完成；

3.5)控制器(5)再控制可变波段分光装置的步进电机将向下一谱段滤光片置入光路中，返回步骤(3.3)，直至可变波段分光装置(2)中的所有谱段滤光片均一一置入光路中，完成所有谱段的全谱段单次成像工作，然后控制器进入等待成像模式。

4)当控制器(5)收到全谱段连续成像模式总线指令后，进入全谱段连续成像模式(9)，步骤如下：

4.1)控制器(5)完成加电复位，控制可变波段分光装置(2)寻找初始谱段滤光片，即第一个进入光路的滤光片的零位，每次寻零均按照同一固定的方向旋转寻零，使可变波段分光装置(2)中的各谱段滤光片逆时钟方向旋转寻找发出零位信号的初始滤光片，如果步进电机旋转一圈找到初始谱段滤光片，则判定寻零成功；如果步进电机旋转一圈仍未检测到零位信号，则停止运动，将当前光路中的谱段滤光片作为初始滤光片，将该初始滤光片设置为零位滤光片，寻零结束后，控制器(5)等待控制指令；当全谱段连续成像模式总线指令到达后，进行步骤(2)

4.2)控制器(5)控制可变波段分光装置(2)将该初始滤光片接入光路中；

4.3)控制器(5)将内部预先缓存的积分时间，即相机曝光时间的成像参数送至信号处理装置(4)；

4.4)控制器(5)再产生成像同步控制信号给信号处理装置(4)，由信号处理装置(4)控制焦面组件(3)积分成像，然后控制器(5)延时等待至一个设定的成像周期完成；

4.5)控制器(5)再控制可变波段分光装置的步进电机将向下一谱段滤光片置入光路中，返回步骤(3)，直至可变波段分光装置(2)中的所有谱段滤光片均一一置入光路中，完成所有谱段的全谱段单次成像工作；

4.6)重复步骤(4.2)～(4.5)，直至接到停止成像指令后，停止成像。

5)以全谱段连续成像模式为实施例，如图10示，步骤如下：

5.1)控制器(5)完成加电复位，优选在20s±500ms的时间内控制可变波段分光装置(2)复位，即将b1(全色)谱段滤光片置入光路中。可变波段分光装置(2)的滤光片旋转一周为2000步，如果步进电机驱动滤光片逆时针旋转过程中，收到霍尔传感器零位信号则立即停止运动，即闭环寻零成功；如果旋转2000步仍未收到零位信号，则停止运动置当前位置为零位。控制器(5)等待控制指令，当全谱段连续成像模式总线指令到达后，进行步骤(2)

5.2)控制器(5)控制可变波段分光装置(2)将该初始滤光片接入光路中；

5.3)控制器(5)将通过分系统间通讯总线(优选1553b总线)收到并缓存下的积分时间和当前机构的谱段位置信息等成像参数通过相机内部通讯总线(三线制通讯接口电路)发送至信号处理装置(4)；

5.4)控制器(5)产生成像同步控制信号给信号处理装置(4)，然后由信号处理装置(4)控制焦面组件(3)积分成像，再经过5s的延时等待至一个成像周期完成；

5.5)控制器(5)控制可变波段分光装置将b2谱段滤光片置入光路中，机构动作时间设计值小于5s,返回步骤(3)，等待步骤(4)的下一个硬件同步控制信号产生，如此循环往复，直至可变波段分光装置(2)中的所有谱段滤光片均一一置入光路中，完成所有谱段的全谱段单次成像工作；

5.6)重复步骤(5.2)～(5.5)，直至接到停止成像指令后，停止成像。

通过示波器测试全谱段连续成像模式中连续两个成像同步控制信号的下降沿时间间隔，测试结果满足10s±1μs.由于此信号由硬件计时、周期产生，计时周期设计为10s，考虑硬件电路的延时特性采用差分接口电路传输以减少信号之间的干扰，采用高精度晶振作为计时时钟，采用fpga器件实施全硬件机制进行高精度计时，计时精度能够很好的控制在正负1微秒内，与目前其它技术方法中的软件指令式计时精度相比，可由毫秒级提高至1微秒级。设备间的成像同步控制精度有了很大的提高。

在此需要说明的是，对于本说明书未作详细描述的内容，由于这些内容是本领域技术人员公知的，或者通过结合本说明书的描述以及现有技术能够容易地实现，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。