一种空间相机积分级数调整方法技术

本发明专利技术提供的一种空间相机积分级数调整方法，在轨摄影过程中自动调整积分级数时所用的相机入瞳辐亮度通过拟合的函数简单计算得到，提高积分级数调整的实时性，调整过程是由相机控制器在航天器上自动完成，不需要地面干预，因而更为实用和高效，积分级数的计算以当前实时计算的行周期为依据，可以保证相机尽量工作在满行积分状态，在满足像移补偿要求的同时，使信噪比最大化，采用大的积分级数可以实现能量的数倍至数十倍以上的倍增，在轨摄影过程中自动调整积分级数可以大幅度提高空间相机的动态范围和工作时长，增强对摄影条件的适应性。

An Integral Series Adjustment Method for Space Camera

The method of adjusting integral series of space camera provided by the invention can improve the real-time performance of adjusting integral series by simply calculating the brightness of the camera entering pupil when adjusting integral series automatically in the process of on-orbit photography. The adjusting process is automatically completed by the camera controller on the spacecraft without ground interference, so it is more practical and efficient. The calculation of the number is based on the current line period of real-time calculation, which can ensure that the camera works in full line integral state as far as possible. While satisfying the requirements of image motion compensation, the signal-to-noise ratio is maximized. The energy can be multiplied by several times or more by using large integral series, and the dynamic range of the space camera can be greatly improved by automatically adjusting the integral Series in the process of on-orbit photography. Long working hours, enhance the adaptability to photographic conditions.

【技术实现步骤摘要】
一种空间相机积分级数调整方法
本专利技术涉及以遥感卫星或空间站为平台对地球进行观测的空间相机领域，特别涉及一种空间相机积分级数调整方法。
技术介绍
随着空间相机地面像元分辨率的提高，空间相机的焦距越来越长，同时为了避免空间相机的体积和重量过于庞大，通常采用较大的F数和较小的像元尺寸，而长的焦距导致相机行周期较短，这就导致进入空间相机探测器单位像元的光能量较少，为此目前高分辨率的空间相机通常采用时间延迟积分(TimeDelayIntegration，简称TDI)方式工作。TDI方式将对同一景物的能量信号进行多级叠加，解决输入光能量不足的问题。对地观测的空间相机的入瞳辐亮度主要由光照条件、地物目标的反射率和空间相机的波段范围等决定，对于以TDI方式工作的空间相机，当相机的积分级数和增益不变时，相机输出图像的数字量化输出值随入瞳辐亮度而变化。通常要求空间相机满足最大辐亮度要求，即在光照条件最强时，对用户要求的目标最大反射率对应的地物成像时相机输出的图像接近饱和或不饱和，以免损失地物细节。为此目前在以TDI方式工作的空间相机研制中调整积分级数和增益，使相机在最大辐亮度下输出的图像刚好饱和或接近饱和，在发射后采用这一固定的积分级数。这种方式保证了满足用户最大辐亮度的要求，但导致获取的部分图像存在信噪比低、整体偏暗、图像层次不丰富等问题。如果单纯为了解决整体偏暗、图像层次不丰富的问题也可以调整增益，但调整增益时有效的光信号和噪声同时被放大，因此信噪比保持不变。以TDI方式工作的空间相机可以通过调整积分级数提高图像灰度层次，解决整体偏暗的问题，更重要的是，增加积分级数可以增加有效曝光时间，从而大幅度提高图像的信噪比。目前已提出的积分级数调整方法主要通过对摄影时获取的成像传感器输出的模拟电压或图像数据进行统计分析，而后对积分级数进行调整,这些方法的主要问题在于，空间相机多采用推扫摄影方式，单次摄影过程中每个时刻拍摄的地物目标各不相同，而且经常有高反射率目标夹在大量低反射率目标之中。由于单次摄影即可能覆盖上千公里，横跨较大的纬度，导致不同地物目标处的光照条件差别很大。由于下一时刻要拍摄的地物目标的类型和反射率是未知的，因此对前一时刻获取的成像传感器输出的模拟电压或图像数据进行统计分析得到的积分级数很可能并不适用下一时刻的地物目标，而出现本应减小积分级数却增大积分级数的现象，导致达不到调整目的。由于航天器、地球和太阳之间的相对运动，摄影过程中光照条件不断变化，采用大的积分级数可以实现能量的数倍至数十倍以上的倍增，可以大幅度提高空间相机的动态范围和工作时长，增强对摄影条件的适应性，因此实现空间相机不需要地面干预，自动实时地进行积分级数的调整具有很高的实用价值。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种空间相机积分级数调整方法，满足最大辐亮度要求，导致获取的部分图像信噪比低、整体偏暗、图像层次不丰富，实现不需要地面干预、自动实时地调整积分级数。本专利技术提供一种空间相机积分级数调整方法，空间相机位于航天器上，所述方法包括：在航天器发射前获取空间相机的波段范围以及所需的目标最大反射率，采用大气辐射传输工具得到空间相机对目标最大反射率对应的地物成像得到不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度，并通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间对应关系；所述空间相机在轨摄影时相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置和时间，计算星下点处的太阳天顶角；相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置、速度和时间数据，计算空间相机进行像移匹配所需的行周期Trow；利用所述对应关系和所述太阳天顶角确定当前对目标最大反射率对应的地物成像时的相机入瞳辐亮度Lc；所述相机控制器根据相机入瞳辐亮度Lc确定最优有效曝光时间，具体地，设定发射前实验室辐射定标时，在最大辐亮度Lmax下图像饱和时对应的相机有效曝光时间为Imax，则当前的最优有效曝光时间Ic的计算公式为：根据所述最优曝光时间和像移匹配所需的行周期Trow确定当前积分级数，具体地，设定空间相机能够采用的最高积分级数为Mmax，采用的最低积分级数为Mmin，则当前积分级数的计算公式为：其中，为向下取整函数，当相机可取的积分级数不连续时，取最接近Mc的值；将所述当前积分级数转换为对应的码值并通过内部总线将所述码值发送至成像控制FPGA，通过所述成像控制FPGA对所述空间相机的积分级数进行调整。可选地，发射前所述空间相机的增益在实验室辐射定标完成确定后在轨摄影时保持不变，图像灰度层次与受积分级数的变化影响正相关。可选地，所述通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间对应关系，包括：通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间的函数关系，采用的拟合的函数模型为：L＝a1·sin(b1·θ+c1)+a2·sin(b2·θ+c2)+a3·sin(b3·θ+c3)；其中θ为太阳天顶角，L为相机入瞳辐亮度，a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3和c3为通过拟合得到的参数。本专利技术提供的一种空间相机积分级数调整方法，在轨摄影过程中自动调整积分级数时所用的相机入瞳辐亮度通过拟合的函数简单计算得到，提高积分级数调整的实时性。调整过程是由相机控制器在航天器上自动完成，不需要地面干预，因而更为实用和高效；并且在轨摄影过程中保持增益不变，通过调整积分级数改变图像灰度可以一方面解决图像层次不丰富、整体偏暗的问题，另一方面还能够提高图像的信噪比；积分级数的调整以目标最大反射率和光照条件为依据，避免了根据前一时刻获取的成像传感器输出的模拟电压或图像数据进行统计分析调整积分级数导致的本应减小积分级数却增大积分级数的问题，积分级数的计算以当前实时计算的行周期为依据，可以保证相机尽量工作在满行积分状态，在满足像移补偿要求的同时，使信噪比最大化，采用大的积分级数可以实现能量的数倍至数十倍以上的倍增，在轨摄影过程中自动调整积分级数可以大幅度提高空间相机的动态范围和工作时长，增强对摄影条件的适应性。附图说明图1为本专利技术实施例中的空间相机积分级数调整方法一种实施例的流程图；图2为本专利技术实施例中的空间相机积分级数调整方法另一种实施例的流程图；图3为本专利技术实施例中的空间相机积分级数调整方法种获取的不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度数据及曲线拟合的结果示意图；图4为本专利技术实施例中的空间相机积分级数调整方法中太阳天顶角随摄影时刻(时间码)的变化曲线示意图；图5为本专利技术实施例中的空间相机积分级数调整方法中像移匹配所需的相机行周期随摄影时刻(时间码)的变化曲线示意图；图6为本专利技术实施例中的空间相机积分级数调整方法中相机入瞳辐亮度(对目标最大反射率对应的地物成像时)随摄影时刻(时间码)的变化曲线示意图；图7为本专利技术实施例中的空间相机积分级数调整方法中相机最优曝光时间随摄影时刻(时间码)的变化曲线示意图；图8为本专利技术实施例中的空间相机积分级数调整方法中相机积分级数随摄影时刻(时间码)的变化曲线示意图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间相机积分级数调整方法，其特征在于，空间相机位于航天器上，所述方法包括：在航天器发射前获取空间相机的波段范围以及所需的目标最大反射率，采用大气辐射传输工具得到空间相机对目标最大反射率对应的地物成像得到不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度，并通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间对应关系；所述空间相机在轨摄影时相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置和时间，计算星下点处的太阳天顶角；相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置、速度和时间数据，计算空间相机进行像移匹配所需的行周期Trow；利用所述对应关系和所述太阳天顶角确定当前对目标最大反射率对应的地物成像时的相机入瞳辐亮度Lc；所述相机控制器根据相机入瞳辐亮度Lc确定最优有效曝光时间，具体地，设定发射前实验室辐射定标时，在最大辐亮度Lmax下图像饱和时对应的相机有效曝光时间为Imax，则当前的最优有效曝光时间Ic的计算公式为：

【技术特征摘要】
1.一种空间相机积分级数调整方法，其特征在于，空间相机位于航天器上，所述方法包括：在航天器发射前获取空间相机的波段范围以及所需的目标最大反射率，采用大气辐射传输工具得到空间相机对目标最大反射率对应的地物成像得到不同太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度，并通过曲线拟合建立太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间对应关系；所述空间相机在轨摄影时相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置和时间，计算星下点处的太阳天顶角；相机控制器通过航天器总线接收航天器的当前位置、速度和时间数据，计算空间相机进行像移匹配所需的行周期Trow；利用所述对应关系和所述太阳天顶角确定当前对目标最大反射率对应的地物成像时的相机入瞳辐亮度Lc；所述相机控制器根据相机入瞳辐亮度Lc确定最优有效曝光时间，具体地，设定发射前实验室辐射定标时，在最大辐亮度Lmax下图像饱和时对应的相机有效曝光时间为Imax，则当前的最优有效曝光时间Ic的计算公式为：根据所述最优曝光时间和像移匹配所需的行周期Trow确定当前积分级数，具体地，设定空间相机能...

【专利技术属性】
技术研发人员：武星星，杨亮，王灵杰，刘金国，周怀得，徐东，孔德柱，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22