一种星载辐射定标方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种星载辐射定标方法及其装置，采用薄膜集光器在轨收集太阳发出的光束，分谱段聚焦至空间不同位置后，通过光纤束分为两路装卡定位到光纤定位与切换机构；通过光纤定位与切换机构切换绝对/相对辐射定标通道及模式，依据注入地面标定系数和轨道参数对应的太阳幅亮度，获得光学载荷绝对和相对定标系数。本发明专利技术提供的在轨辐射定标技术和装置方案不仅在微小光学遥感卫星技术领域具备应用潜力，还可应用于诸如海岸带观测成像光谱仪、海洋观测卫星、农林普查高光谱成像仪等传统中大型光学遥感卫星的在轨辐射定标，进一步提高光学载荷长期在轨辐射定标数据的准确性，提升定标灵活性。

【技术实现步骤摘要】
一种星载辐射定标方法及其装置
本专利技术涉及空间光学和辐射定标
，具体涉及一种星载辐射定标方法及其装置。
技术介绍
1、微小光学卫星的技术优势随着技术发展，原来需要几吨甚至十几吨重的大型卫星来完成的观测任务，现在可以通过几颗、十几颗甚至几十颗微小光学卫星构成的星座来共同实现，这已经成为未来航天应用和光学遥感领域的重要发展趋势之一。相对于大型光学遥感卫星，微小卫星及其星座体系的优势主要体现在如下几方面：第一，研制周期非常短，发射简洁快速，且发射成本低，能够满足快速响应需求；第二，系统应用灵活，整体可靠性高，通过将一颗大卫星的任务分散为众多微小卫星来共同承担，可实现任务灵活增减与组合；第三，通过数量优势来实现星座编队的组网运行，可大幅度缩短整个卫星系统对地重访周期，提高时间分辨率；第四，从成本和消费比的角度分析，在保证任务功能的前提下，微小卫星可以大量使用商业货架产品与器件，有望大幅降低空间光学遥感卫星的研制和使用成本，进而拓展空天信息产品的应用领域。2、开展微小光学卫星在轨辐射定标的目的和意义通过对光学信号进行辐射量值的定标和溯源，可获得光学载荷的绝对辐亮度响应，给出遥感信息在不同波段内的电磁波对应地表物质的定量物理量。只有在这些定量物理量基础上，才能通过实验或者物理模型将遥感信息与地理学参量、生物学参量、目标属性等联系起来，并有针对性的开展定量反演工作。随着光学遥感技术的发展和应用需求不断拓展，与传统大型遥感卫星的应用场景类似，来自微小遥感卫星的遥感信息数据不仅可应用于定性或半定量的描绘地物目标的几何特征，还深入应用到定量化分析地面景物的生物属性、目标理化特性分析等精细化定量遥感领域。微小卫星由定性几何成像走向定量化精细遥感的技术能力提升，有赖于辐射定标技术的支持，并且针对微小卫星光学载荷低功耗、轻量化、机动灵活的特点，在绝对和相对辐射定标和量值溯源传递方面提出了更高的精度和在轨稳定性要求。并且，为适应微小卫星搭载要求，对定标装置的重量、功耗等均提出了更加严苛的限制。3、现有星载辐射定标技术的局限性空间光学载荷辐射定标根据其研制和运行阶段不同可以分为实验室辐射定标、星上内定标和在轨辐射校正场定标三种主要定标方式，其中实验室辐射定标又包括光谱定标和辐射定标两方面，本专利技术属于辐射定标和星上内定标技术范畴。传统的星上内定标有基于天体的定标方法，或基于内置定标源传递的定标方法。按是否溯源到辐射量值基准划分，辐射定标可分为绝对辐射定标和相对辐射定标(又称平场校正)两种类别，本专利技术所提方法可实现光学载荷在轨绝对、相对辐射定标。目前星上内定标常用的技术路线是，利用标准灯通过反射率已知的漫射板转化为辐亮度对传感器进行定标。其局限性在于：(1)光路只能从传感器中间某个部位切入，不能进行全光路定标。(2)将漫射板整体置于整个光路的最前方，采用可展开和收起的机械结构方式虽可以解决全光路定标的问题，但切换机构的重量和功耗过大，不易满足微小卫星光学载荷对星上定标装置边界条件需求。(3)使用太阳辐射取代标准灯构成绝对基准，有望解决上述问题。但传统漫射板是使用朗伯特性化学材料制成，在外太空强烈紫外照射下，漫射板材料容易发生分解。上述因素都会引起反射率的变化，带来辐射定标的误差，且这种误差是辐射源定标方法本身无法消除的。(4)目前国际上开始初步探讨采用基于探测器的星上定标方法，其借鉴了可收放式漫射板能够全光路定标的优点，采用日光作为辐射源，但不以它们作为绝对标准，绝对标准由星上标准辐亮度计提供，这种星上定标方法虽然解决了漫射板反射率变化的难题，但仍会引入辐射计功耗较高和在轨长期稳定性保证困难方面的问题。综上所述，目前对于星上内辐射定标根据遥感器的工作谱段和轨道特性包含了利用自然光源的反射式辐射定标方法，以及利用人造光源的直接照明辐射定标方法。但对于微小光学卫星单星，由于其具备小尺寸、紧凑化、低功耗、低成本的设计特点，现有的基于平板辐射源的星上定标方法由于需要复杂的驱动和扫描切换机构，难以满足微小遥感卫星的上述辐射定标需求。而对于单独采用LED光源作为照明的星上辐射定标系统则存在无法实现全链路辐射定标、定标精度相对较低、且由于定标源之间的相对差异及其在轨变化的不一致，导致微小卫星光学载荷之间缺少统一基准，难以实现在轨星间相对辐射定标的技术问题。微小光学卫星具备灵活机动、组网观测、星座化和型谱化布置、发射和研制成本低等多种优势。搭载多种中小口径光学载荷的微小遥感卫星具备光学合成孔径成像、组合立体测绘、可见光与多光谱融合成像等多种探测模式。伴随技术进步，微小光学卫星星座有望代替传统大型光学遥感卫星实现多种对地遥感观测功能。微小卫星的上述协同观测模式，有赖于在轨辐射定标技术的支持。星座内的多颗微小卫星在轨同源辐射定标，可以实现光学系统的辐射响应的共基准溯源。使多颗微小光学卫星获得的同一地面景物的灰度和光谱图像具备一致的响应基准和灰度基准。但微小卫星自身的重量较小，能源供给能力相对较弱，难以搭载目前的大型、复杂在轨辐射定标光路及其装置。基于上述的质量、功耗、灵活性等方面的约束条件。现有在轨辐射定标装置大多采用积分球作为内定标源，实现在轨相对辐射定标。利用大尺寸漫反射板反射太阳光，配合绝对光谱辐射计实现在轨绝对辐射定标。现有方案存在定标装置质量、功耗较大难以满足微小卫星对星上定标装置轻质、低功耗的应用需求的问题。此外上述定标装置受宇宙射线长期照射后，其辐射传输的长期稳定性不易保证。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提出一种采用光学刻蚀方法加工的薄膜衍射光学器件，实现远场太阳光束的空间和光谱定量、定向调控，并配合光纤束柔性导出和离散分布等技术路线，在实现微小卫星光学载荷全链路、子孔径绝对辐射定标、探测器全视场相对辐射定标的同时，有效解决星上辐射定标装置的低功耗和轻量化问题，以此满足微小卫星对星载定标装置设计相对严苛的边界条件要求，并且满足微小卫星星座间在轨辐射定标的新需求。为实现上述目的，本专利技术采用以下具体技术方案：本专利技术提供一种星载辐射定标方法，采用薄膜集光器在轨收集太阳发出的光束，分谱段聚焦至空间不同位置后，通过光纤束分为两路装卡定位到光纤定位与切换机构；通过光纤定位与切换机构切换绝对/相对辐射定标通道及模式，依据注入地面标定系数和轨道参数对应的太阳幅亮度，获得光学载荷绝对和相对定标系数。优选地，薄膜集光器采用低密度特殊参杂高分子复合材料作为基底。优选地，薄膜集光器通过不同空域设计分布的微纳孔阵构成分光谱通道衍射区域，将远场太阳光束分谱段汇聚至空间不同位置；薄膜集光器的光轴指向太阳。优选地，两路光路分别为：探测器定标光纤束以及入瞳定标光纤束；入瞳定标光纤束传递至光学载荷入瞳附近，经入瞳定标光纤准直窗口准直后，照射进入光学载荷入瞳，聚焦在光学载荷探测器上；探测器定标光纤束直接在光学载荷探测器附近构成平场定标源。优选地，光纤束由多根单丝光纤集束而成。优选地，位于光学载荷入瞳附近的一路入瞳定标光纤束，其出射口与入瞳定标光纤准直窗口耦合。...

【技术保护点】
1.一种星载辐射定标方法，其特征在于，采用薄膜集光器(2)在轨收集太阳(1)发出的光束，分谱段聚焦至空间不同位置后，通过光纤束分为两路装卡定位到光纤定位与切换机构(3)；通过所述光纤定位与切换机构(3)切换绝对/相对辐射定标通道及模式，依据注入地面标定系数和轨道参数对应的太阳(1)幅亮度，获得光学载荷(6)绝对和相对定标系数。/n

【技术特征摘要】
1.一种星载辐射定标方法，其特征在于，采用薄膜集光器(2)在轨收集太阳(1)发出的光束，分谱段聚焦至空间不同位置后，通过光纤束分为两路装卡定位到光纤定位与切换机构(3)；通过所述光纤定位与切换机构(3)切换绝对/相对辐射定标通道及模式，依据注入地面标定系数和轨道参数对应的太阳(1)幅亮度，获得光学载荷(6)绝对和相对定标系数。


2.如权利要求1所述的星载辐射定标方法，其特征在于，所述薄膜集光器(2)采用低密度特殊参杂高分子复合材料作为基底。


3.如权利要求1所述的星载辐射定标方法，其特征在于，所述薄膜集光器(2)通过不同空域设计分布的微纳孔阵构成分光谱通道衍射区域，将远场太阳(1)光束分谱段汇聚至空间不同位置；所述薄膜集光器(2)的光轴指向太阳(1)。


4.如权利要求1所述的星载辐射定标方法，其特征在于，所述两路光路分别为：探测器定标光纤束(4)以及入瞳定标光纤束(5)；所述入瞳定标光纤束(5)传递至光学载荷(6)入瞳附近，经入瞳定标光纤准直窗口(53)准直后，照射进入光学载荷(6)入瞳，聚焦在光学载荷探测器(7)上；所述探测器定标光纤束(4)直接在光学载荷探测器(7)附近构成平场定标源。


5.如权利要求1所述的星载辐射定标方法，其特征在于，所述光纤束由多根单丝光纤集束而成。


6.如权利要求4所述的星载辐射定标方法，其特征在于，位于所述光学载荷(6)入瞳附近的一路所述入瞳定标光纤束(5)，其出射口与入瞳定标光纤准直窗口(53)耦合。


7.如权利要求4所述的星载辐射定标方法，其特征在于，入瞳定标光纤入射端(51)与入瞳定标光纤出射端(52)采用“点对点”连接方式通过光纤束串联。


8.如权利要求6所述的星载辐射定标方法，其特征在于，入瞳定标光纤束(5)及所述入瞳定标光纤准直窗口(53)间隔平行排列在所述光学载荷(6)的入瞳附近；所述入瞳定标光纤准直窗口(53)中的各准直单元将每根单丝光纤出射光束整体准直为平行光。


9.如权利要求8所述的星载辐射定标方法，其特征在于，准直后的光束分谱段照射进入光学载荷(6)入瞳，由光学载荷探测器(7)接收并输出对应DN值，并计算绝对辐射定标系数。


10.如权利要求4所述的星载辐射定标方法，其特征在于，根据定标通道数量和光学载荷探测器(7)的面积，在所述光学载荷探测器(7)感光面附近设置至少两组探测器定标光纤出射端(42)。


11.如权利要求10所述的星载辐射定标方法，其特征在于，所述探测器定标光纤出射端(42)出射光束直接照射进入光学载荷探测器(7)，并以相同的倾角构造平场光源；光学载荷探测器(7)输出DN值及其空间分布，实现光学载荷(6)在轨相对辐射定标。


12.如权利要求1所述的星载辐射定标方法，其特征在于，所述光纤定位与切换机构(3)装卡定位探测器定标光纤束(4)以及入瞳定标光纤束(5)，再通过切换通光路线的方法实现入瞳定标模式、探测器定标模式和休眠模式的切换。


13.一种星载辐射定标装置，其特征在于，包括薄膜集光器(2)、光纤束以及光纤定位与切换机构(3)；所述薄膜集光器(2)具有不同光谱通道集光区域；所述光纤束通过特定的排列组合实现光线传递，所述光纤定位与切换机构(3)整体固连在卫星平台(8)上，用于不同定标光谱通道和定标模式之间的切换。


14.权利要求13所述的星载辐射定标装置，其特征在于，所述薄膜集光器(2)的光轴指向太阳(1)。


15.如权利要求13所述的星载辐射定标装置，其特征在于，所述薄膜集光器(2)依据卫星轨道特性、定标时机及其与太阳(1)之间的相对位置和夹角关系布置于卫星平台(8)。


16.权利要求13所述的星载辐射定标装置，其特征在于，所述光纤束由多根单丝光纤集束而成。


17.权利要求13所述的星载辐射定标装置，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：何煦，张天一，万志，罗敬，
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