CN113252307B - 一种星载辐射定标方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种星载辐射定标方法及其装置

技术领域

本发明涉及空间光学和辐射定标技术领域，具体涉及一种星载辐射定标方法及其装置。

背景技术

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，***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***对地重访周期，提高时间分辨率；第四，从成本和效费比的角度分析，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，本发明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，本发明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***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***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。

发明内容

针对上述技术问题，本发明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，本发明采用以下具体技术方案：

本发明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；通过所述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，所述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，所述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；所述薄膜集光器的光轴指向太阳。

优选地，所述两路光路分别为：探测器定标光纤束以及入瞳定标光纤束；所述入瞳定标光纤束传递至光学载荷入瞳附近，经入瞳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；所述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，所述光纤束由多根单丝光纤集束而成。

优选地，位于所述光学载荷入瞳附近的一路所述光纤束，其出射口与入瞳定标光纤准直窗口耦合。

优选地，所述入瞳定标光纤入射端与出射端采用“点对点”连接方式通过光纤束串联。

优选地，入瞳定标光纤束及所述入瞳定标光纤准直窗口间隔平行排列在光学载荷的入瞳附近；所述入瞳定标光纤准直窗口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。

优选地，准直后的光束分谱段照射进入光学载荷入瞳，由光学载荷探测器接收并输出对应DN值，并计算绝对辐射定标系数。

优选地，根据定标通道数量和光学载荷探测器的面积，在所述光学载荷探测器感光面附近设置至少两组探测器定标光纤出射端。

优选地，所述探测器定标光纤出射端出射光束直接照射进入光学载荷探测器，并以相同的倾角构造平场光源；光学载荷探测器输出DN值及其空间分布，实现光学载荷在轨相对辐射定标。

优选地，所述光纤定位与切换机构装卡定位入瞳定标光纤以及探测器定标光纤，在通过切换通光路线实现入瞳定标模式、探测器定标模式和休眠模式的切换。

本发明还提供一种星载辐射定标装置，包括薄膜集光器、光纤束以及光纤定位与切换机构；所述薄膜集光器具有不同光谱通道集光区域；所述光纤束通过特定排列组合实现光线传递，所述光纤定位与切换机构整体固连在卫星平台上，用于不同定标光谱通道和定标模式之间的切换。

优选地，所述薄膜集光器的光轴指向太阳。

优选地，所述薄膜集光器依据卫星轨道特性、定标时机及其与太阳之间的相对位置和夹角关系布置于卫星平台。

优选地，所述光纤束由多根单丝光纤集束而成。

优选地，还包括：探测器定标光纤束、入瞳定标光纤束、光学载荷以及光学载荷探测器；所述入瞳定标光纤束和所述探测器定标光纤束的入射端分别与所述薄膜集光器不同光谱通道集光区域耦合；所述入瞳定标光纤束的出射端耦合在所述光学载荷的入瞳附近；所述探测器定标光纤束的出射端部分直接在光学载荷探测器附近装卡固连；所述入瞳定标光纤束和探测器定标光纤束的出射光均由所述光学载荷探测器接收。

优选地，还包括入瞳定标光纤准直窗口；所述入瞳定标光纤准直窗口将所述入瞳定标光纤束收集的汇聚球面波准直为具有较小发散角的平行光束，再从光学载荷入瞳照射进透镜阵列，形成的入瞳定标光束由光学载荷探测器接收。

优选地，所述入瞳定标光纤入射端与入瞳定标光纤束出射端采用“点对点”连接方式通过光纤束串联。

优选地，根据定标通道数量和光学载荷探测器的面积，在所述光学载荷探测器感光面附近设置至少两组探测器定标光纤出射端。

优选地，所述光纤定位与切换机构包括：内环切换齿轮、入瞳定标光纤入射端定位支架、探测器定标光纤入射端定位支架、中环切换齿轮、步进电机以及外环切换齿轮；所述中环切换齿轮和所述步进电机串联，所述中环切换齿轮、内环切换齿轮以及外环切换齿轮之间为内外齿传动关系；所述光纤定位与切换机构通过休眠模式、入瞳定标模式、探测器定标模式实现不同光谱通道之间的切换。

优选地，所述探测器定标光纤入射端通过所述探测器定标光纤入射端定位支架来装卡定位；所述入瞳定标光纤入射端定位支架用于装卡和定位与光谱通道对应的入瞳定标光纤入射端。

优选地，还包括：探测器定标光纤入射端挡板以及入瞳定标光纤入射端挡板；所述探测器定标光纤入射端挡板以及入瞳定标光纤入射端挡板上以相同的分度圆直径和特殊角度间隔设置了多个通光孔。

优选地，探测器定标光纤入射端挡板与内环切换齿轮固连，在中环切换齿轮和步进电机的带动下小步进旋转，依据编码器反馈的旋转角度逐个切换通光孔与探测器定标光纤入射端之间的光学通断关系实现探测器定标模式；入瞳定标光纤入射端挡板与外环切换齿轮固连，在中环切换齿轮以及步进电机的带动下小步进旋转，逐个切换通光孔与入瞳定标光纤入射端之间的光学通断关系实现入瞳定标模式。

优选地，在步进电机驱动下，探测器定标光纤入射端挡板上的通光孔分别与不同定标谱段的光纤出射端耦合，将薄膜集光器收集的定标光通过探测器定标光纤入射端挡板上的圆孔照射进传输光纤。

优选地，通光孔的直径均为根据薄膜集光器收集光束的孔径角以及挡板距光纤入射端面的距离计算而得。

优选地，入瞳定标光纤入射端挡板和探测器定标光纤入射端挡板上的通光孔均与光纤入射端形成空间错位时，上述挡板完全遮挡住所述薄膜集光器与光纤之间的传光路径；通过定标光路的完全光学断路，定标装置进入在轨休眠模式。

本发明能够得到以下有益效果：

本发明提出了基于薄膜集光器和光纤束的星载定标装置新方案。

首先，薄膜集光器厚度为几十微米，并采用低密度特殊参杂高分子复合材料作为基底，其抗辐照特性和长期在轨稳定性优于传统材料。此外，薄膜集光器本质上依据相位衍射光学原理，实现太阳光的定量、定向、定谱段调控。其辐射传输特性仅受材料质量损耗影响，而不受宇宙辐射影响。因此可以在无需在轨配备绝对光谱辐射计的条件下，在轨长期保持一定的辐射定标精度。上述特性在实现定标装置轻巧化的同时，还可以提升在轨辐射定标时机选择的的灵活性。该发明不仅解决星上辐射定标装置质量、功耗大的问题，还有效提高了星载定标装置的长期在轨稳定性，以及定标装置的应用灵活性和适配性。

其次，光纤束具有灵活布置、不改变光线几何结构的特性。利用光纤束传递薄膜集光器收集的定标光，并将其传递至光学载荷入瞳和探测器附近实现在轨辐射定标，可在进一步降低定标装置质量、功耗的同时，提高定标装置适配性。采用光纤束传光并构建分布式平场定标源，可以满足不同口径、不同光路结构、光学载荷与卫星平台不同布置关系和各型号微小光学卫星的星上布置需求。上述创新点有助于提高本发明的实用性和经济性。

最后，本发明提出了不同光谱通道和定标模式切换装置的技术方案。基于齿轮速比差动和内/外齿反转驱动原理，在较小的质量和空间内实现了多个光谱通道、多种工作模式之间的电控切换。

本发明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的在对辐射定标数据的准确性，提升定标灵活性。

附图说明

图1是本发明的一种星载辐射定标方法及其装置的总体工作原理图；

图2a是本发明的一种星载辐射定标方法及其装置的入瞳定标光纤束的组成和传像原理图；

图2b是本发明的一种星载辐射定标方法及其装置的和探测器定标光纤束的组成和传像原理图；

图3是本发明的一种星载辐射定标方法及其装置的光纤定位与切换机构的组成和切换原理图。

其中附图标记为：

1、太阳；2、薄膜集光器；3、光纤定位与切换机构；4、探测器定标光纤束；41、探测器定标光纤入射端；411、第一光谱通道探测器定标光纤入射端；412、第二光谱通道探测器定标光纤入射端；413、第三光谱通道探测器定标光纤入射端；414、第四光谱通道探测器定标光纤入射端；415、第五光谱通道探测器定标光纤入射端；416、第六光谱通道探测器定标光纤入射端； 421、第一探测器定标光纤出射端；422、第二探测器定标光纤出射端；423、第三探测器定标光纤出射端；424、第四探测器定标光纤出射端；5、入瞳定标光纤束；51、入瞳定标光纤入射端；52、入瞳定标光纤出射端；53、入瞳定标光纤准直窗口；6、光学载荷；7、光学载荷探测器；8、卫星平台；31、探测器定标光纤入射端挡板；32、内环切换齿轮；33、入瞳定标光纤入射端挡板；34、入瞳定标光纤入射端定位支架；35、探测器定标光纤入射端定位支架；36、中环切换齿轮；37、步进电机；38、外环切换齿轮；39、光纤定位与切换机构支架。

具体实施方式

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，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。

下面将结合实施例对本发明提供的一种星载辐射定标方法及其装置进行详细说明。

为了解决微小光学卫星及其星座，在轨进行单星和星间快速绝对、相对辐射定标需求，本发明提出一种基于薄膜衍射光学元件，在轨收集太阳光，并通过注入地面标定系数和轨道参数对应的太阳幅亮度，获得微小卫星光学载荷绝对和相对定标系数的技术方案。通过不同空域设计分布的微纳孔阵构成的分光谱通道衍射区域，可将远场太阳光束分谱段聚焦至空间不同位置，再由光纤束传递至光学载荷入瞳附件，由微透镜阵列准直后，照射进入光学载荷入瞳，并聚焦在光学载荷的CCD或CMOS探测器上。根据地面获得的定标装置光谱透过率以及轨道参数，可以计算出等效的光学载荷入瞳幅亮度，再依据光学载荷的CCD或CMOS输出DN值，可解算并获得光学载荷绝对定标系数。由另一路光纤传像束传递的能量，可直接在光学载荷的CCD或CMOS探测器附近构成平场定标源，可实现光学载荷的CCD或CMOS探测器在轨相对辐射定标。

(1)定标装置设计原理

根据在轨辐射定标光谱需求，设定若干定标光谱通道以及对应的中心波长和光谱带宽。根据微小卫星光学载荷的相对孔径，确定各光谱通道对应的光束孔径角和放大倍率，即确定相对孔径。根据微小卫星光学载荷的焦距和探测器像元大小，确定各定标光谱通道的光学口径。依据上述参数，基于矢量衍射原理，可以在统一的空间坐标系定义下计算出衍射光学元件的各光学参数。即空间任意位置微纳孔的直径和圆心的空间坐标。依据上述参数，利用电子束或激光刻蚀制作掩膜板，再利用干法或湿法刻蚀复制在高分子材料薄膜表面，即可制成光子筛薄膜集光器。依据集光器的光学参数，以及光学载荷的光学指标，可以计算光纤束的相对孔径和光纤束的单丝直径、表面积的主要参数。依据光纤束的分辨率和单丝直径，以及光学载荷的焦距、探测器像元尺寸，计算微透镜光学准直窗口的分辨率和焦距。

(2)星上定标装置组成和工作原理

将上述设计结果，通过光学刻蚀的方法加工在改进的聚酰亚胺薄膜基底上，即获得本发明中的关键器件——具有微纳孔阵的薄膜集光器。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，可有效开展薄膜强度和理化特性在轨稳定性。薄膜集光器在空间上拥有多个汇聚焦点。可将发散角为32′(对应太阳准直角)的远场太阳光，分光谱汇聚于空间不同位置。不同谱段的汇聚光束以相同的入射角和孔径角聚焦在后续的传光光路上。

光纤束被布置在薄膜集光器的焦面上，入射窗口位于对应光谱通道中心波长的沿焦平面内。以相同孔径角将薄膜集光器收集的光束，分别传递至光学载荷的两个区域。其中一个区域位于光学载荷入瞳附近，用于在轨实现光学载荷全***、子孔径、全视场绝对辐射定标。另一个区域为光学载荷的焦平面探测器附近，用于在轨实现光学载荷的探测器相对辐射定标。其中，光纤束由多根单丝光纤集束而成。位于入瞳附近的一路光纤束，其出口需要与光纤准直窗口耦合，本发明采用微透镜阵列作为光纤准直窗口。微透镜阵列将每根单丝光纤出射的一定相对孔径的光束准直。微透镜阵列中的各微透镜单元可将光纤束出射光束整体准直为平行光，并提升光束准直度。多路准直光束分谱段照射进入光学载荷入瞳，由探测器接收并输出对应的DN值。依据地面注入的定标参数和根据轨道参数解算的太阳角度和距离值等，即可计算等效光学载荷在轨入瞳幅亮度(定标时刻的)。依据上述参数和输出DN值即可计算光学载荷绝对定标系数，实现微小卫星光学载荷在轨绝对辐射定标。另一路光纤传像束出射窗口位于载荷的焦平面探测器附近。分为多束后，再分别与光纤定位和夹持机构耦合，分别以一定的角度直接照射光学载荷的CCD或CMOS探测器，形成平场定标源。由光学载荷探测器输出的DN值及其空间分布，可以获得光学载荷的相对定标系数，进而实现微小卫星光学载荷在轨相对辐射定标。

由于定标系数的解算均需要利用光学载荷探测器各像元输出的DN值。因此不同光谱通道、入瞳和探测器之间需要采用分时定标模式，否则会出现定标数据混叠。此外，在非定标状态下还需要确保无定标光束照射进入光学载荷，否则会引入杂光影响光学载荷的正常在轨成像。因此，定标装置需要具备光路通断即休眠模式，以及多模式切换功能。因此，本发明还提出了用于不同定标光谱通道和模式之间的切换机构方案，可以实现用于耦合不同光谱通道的定标光纤分时接收。该切换机构还可实现光学载荷入瞳定标、探测器定标、休眠模式之间相互切换功能。

图1为本发明的一种星载辐射定标方法及其装置的总体工作原理图。

如图1所示，根据轨道参数及定标信噪比需求，计算出微小卫星在轨定标位置，使薄膜集光器2的光轴指向太阳1，在此状态下光学载荷6的入瞳和光轴指向深冷空间。薄膜集光器2将太阳1光分谱段聚焦于多个集光区，并成像为一定几何尺寸和能量分布的圆形光斑。光纤定位与切换机构3上固定装卡探测器定标光纤束4的入射端和入瞳定标光纤束5的入射端。探测器定标光纤束4和入瞳定标光纤束5的入射端分为多组在薄膜集光器2的多个集光区域附近分别与不同谱段的焦面光斑耦合(图1中仅示意一组光纤，并以此为例)。入瞳定标光纤束5的出射端通过装卡机构固连于光学载荷6的入瞳附近，并且与入瞳定标光纤准直窗口53耦合。入瞳定标光纤准直窗口53将光纤收集的汇聚球面波准直为具有较小发散角的平行光束，从光学载荷6入瞳照射进入光学***。并最终形成一定几何尺寸和能量分布的定标光束，由光学载荷探测器7接收，并经过图像处理后以代表灰度值的DN值形式输出。根据事先标定的薄膜集光器2、入瞳定标光纤束5、入瞳定标光纤准直窗口53的光谱透过率，以及对应定标时刻轨道参数的太阳1幅亮度分布，可以计算出光学载荷6的等效入瞳光谱幅亮度值，再依据DN值分布即可计算出光学载荷6的在轨绝对定标系数。

探测器定标光纤束4的出射端无需准直，直接与光学载荷6像面附近的装卡机构固连，以一定照射角将发散球面波倾斜照射在光学载荷探测器7的感光面上。根据特殊排列的光纤束，使探测器定标光纤束4出射端均可以传输6个定标谱段的入射光。多个探测器定标光纤束4的出射端依据一定倾角排列在探测器感光面附近，在不遮挡光学***成像光路的前提下，可以提高定标平场照明光的均匀性。基于定标平场的高均匀性指标，根据探测器在定标光照明条件下输出的DN值分布，依据最小二乘校正算法可以计算出每个像元的定标系数，实现光学载荷6在轨相对辐射定标。

上述定标装置中的薄膜集光器2的光纤定位与切换机构3整体固连在卫星平台8上，利用光纤的柔性将定标光传输至光学载荷6的入瞳和探测器附近，实现微小卫星光学载荷6的在轨绝对和相对辐射定标。光纤定位与切换机构3用于装卡和定位光纤束的多组入射端，并实现多个定标光谱通道和定标模式之间的程控切换。

图2a是本发明的一种星载辐射定标方法及其装置的入瞳定标光纤束的组成和传像原理图；

图2b是本发明的一种星载辐射定标方法及其装置的和探测器定标光纤束的组成和传像原理图。

在本发明的一个实施例中，为实现上述微小光学卫星在轨辐射定标方案，需要对定标光纤束进行特殊设计，如图2a所示为入瞳定标光纤束5的具体组成和传输原理。入瞳定标光纤束5采用相对简单的“点对点”连接关系，即光谱通道对应的入瞳定标光纤入射端51直接与光谱通道对应的入瞳定标光纤出射端52之间通过柔性光纤束串联。使入瞳定标光纤入射端51收集的中心波长为λ₁的定标光直接传输至入瞳定标光纤出射端52。由于薄膜集光器2将远场太阳1光束依据光谱通道成像至其集光面的多个不同区域，并转换为具有一定相对孔径的汇聚球面波。而成像光纤束具备不改变光束孔径角的特性，因此与光谱通道对应的入瞳定标光纤出射端52的出射光束均为发散球面波。本发明将微透镜阵列作为与光谱通道对应的入瞳定标光纤准直窗口53，可将发散球面波准直为平行光束并提高准直度，而后照射进入光学载荷6入瞳。所选的光纤束及准直窗口在给定定标谱段中心波长处均具有较高的光谱透过率，因此需要将图2a中的6种不同光纤集束分别与不同的准直窗口耦合。

如图2b所示，为探测器定标光纤束4的具体组成和传输原理。

本发明的一个实施例中，探测器定标光纤束4采用“6变4”编码排列方式。将探测器定标光纤入射端41分为λ₁至λ₆六组，第一光谱通道探测器定标光纤入射端411位于薄膜集光器2对应光谱通道的集光区域，并将成像光斑耦合进入光纤出射端。对应第一光谱通道探测器定标光纤入射端411的光纤一分为四，四组光纤分别与第一探测器定标光纤出射端421、第二探测器定标光纤出射端422、第三探测器定标光纤出射端423以及第四探测器定标光纤出射端424汇聚成束。上述光纤束排列方式，可以保证由薄膜集光器2收集的具有给定定标谱段的定标光由光纤入射端收集后，均分传输至光学载荷探测器7附近的四个空间位置，并以发散球面波输出，进而空间叠加形成给定定标谱段的平场定标光源。第二光谱通道探测器定标光纤入射端412、第三光谱通道探测器定标光纤入射端413、第四光谱通道探测器定标光纤入射端414、第五光谱通道探测器定标光纤入射端415以及第六光谱通道探测器定标光纤入射端416的排列组合方式与第一光谱通道探测器定标光纤入射端411同理，将第二光谱通道探测器定标光纤入射端412至第六光谱通道探测器定标光纤入射端416的光纤束均一分为四组，并分别汇集成束至第一探测器定标光纤出射端421至第四探测器定标光纤出射端424。上述排布形成基于光谱通道的空间编码思路，用于在探测器附近构建单光谱平场辐射定标源。

本发明还提供一种星载辐射定标装置，包括薄膜集光器2、光纤定位与切换机构3；薄膜集光器2的光轴指向太阳1，具有不同光谱通道集光区域；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。

光纤定位与切换机构3位于薄膜集光器2的集光区附近，通过光纤定位与切换机构支架39整体固连在卫星平台8上。主要功能包括两方面：第一，定标光纤入射端的装卡和定位；第二，利用切换挡板上不同通光孔与光纤入射端之间的对准关系实现不同定标光谱通道和模式之间的程控切换。光纤定位与切换机构3技术方案如图3所示。本发明以入瞳6个辐射定标光谱通道、探测器6个辐射定标光谱通道为例介绍具体技术方案。

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微小卫星上。入瞳定标光纤入射端51和探测器定标光纤入射端41依据不同的定标通道分别装卡在光纤定位与切换机构3的不同位置，并且分别与薄膜集光器2不同光谱通道集光区域耦合。其中入瞳定标光纤出射端52与入瞳定标光纤准直窗口53耦合，将光纤传输的发散球面波定标光准直为具有较小发散角的平行光。入瞳定标光纤束5及入瞳定标光纤准直窗口53依据一定角度间隔平行排列在微小卫星光学载荷6的入瞳附近，以相同视场将收集/传输的定标光束准直照射进入光学载荷6入瞳。经光学载荷6中光学***成像聚焦至其探测器感光面。再依据探测器输出的DN值，计算光学载荷6全成像链路的在轨绝对定标系数。

探测器定标光纤入射端41同样位于薄膜集光器2的集光区，但分别与不同的定标谱段耦合。用于光学载荷探测器7定标的光纤出射端无需准直，直接以一定的入射角，将发散球面波定标光束照射在光学载荷探测器7感光表面。

根据仿真分析，为确保定标平场光源的均匀性，在光学载荷探测器7感光面附近设置了4组光纤以相同的倾角构造平场光源(组数与探测器面积相关，并非定值)。

在本发明的一种实施例中，用于定标的光谱通道数为6，因此用于探测器定标的光纤采用了“6变4”设计。即来自每一个定标通道的光纤束均被分为4组，6个定标通道分束而成的24组光纤被汇集成4束，并装卡在光学载荷探测器7感光面附近，以一定照射角度构成不同光谱通道的平场定标源。

图3是本发明的一种星载辐射定标方法及其装置的光纤定位与切换机构的组成和切换原理图。

如图3所示，光纤定位与切换机构3包括：内环切换齿轮32、入瞳定标光纤入射端定位支架34、探测器定标光纤入射端定位支架35、中环切换齿轮36、步进电机37以及外环切换齿轮38；中环切换齿轮36和步进电机37串联，中环切换齿轮36、内环切换齿轮32以及外环切换齿轮38之间为内外齿传动关系；光纤定位与切换机构3通过休眠模式、入瞳定标模式、探测器定标模式实现不同光谱通道之间的切换。

光纤定位与切换机构3位于薄膜集光器2的集光区附近，用于装卡上述入瞳定标光纤束5和探测器定标光纤束4。通过光纤定位与切换机构3上设置的挡板切换装置，实现“休眠模式”、“入瞳定标模式”、“探测器定标模式”以及不同光谱通道之间的切换。

光纤定位与切换机构3中包含步进电机37、内环切换齿轮32、外环切换齿轮38以及中环切换齿轮36构成的传动单元。内环切换齿轮32和外环切换齿轮38分别与一组挡板固连，挡板上以相同的分度圆直径和特殊角度间隔设置了多个通光孔。在步进电机37的驱动下挡板上的通光孔分别与当前定标谱段的光纤出射端耦合，确保薄膜集光器2收集的定标光可以通过挡板上的圆孔照射进入传输光纤。当一组定标孔位与光纤耦合时，挡板会遮挡其它光纤的传光通路，确保每次只有选定的定标谱段处于光路“通开”状态。

内环切换齿轮32和外环切换齿轮38同时分别与另一组挡板固连，分别实现入瞳定标光纤和探测器定标光纤分时通光，且与薄膜集光器2的光谱通道耦合。当挡板遮挡住全部光纤入射端口时，所有的定标光路均处于“断路”状态，定标装置进入休眠模式，微小卫星光学载荷6不会接受任何来自于定标装置传输的光能，而保证成像状态不会引入杂散光。光纤定位与切换机构3上还设置了环带编码器和限位开关，用于与步进电机37构成测控闭环，保证光纤通断与耦合的定位精度。

在本发明的一个实施例中，探测器定标光纤入射端定位支架35用于装卡和定位第二光谱通道探测器定标光纤入射端412至第六光谱通道探测器定标光纤入射端416。探测器定标光纤入射端挡板31上依据事先设计好的位置加工具有一定角度间隔的小孔，小孔直径根据薄膜集光器2收集光束的孔径角以及挡板距光纤入射端面的距离计算而得。

在本发明的一个实施例中，步进电机37具体采用微小伺服电机，探测器定标光纤入射端挡板31与内环切换齿轮32固连，在中环切换齿轮36、微小伺服电机的带动下小步进旋转，依据编码器反馈的旋转角度逐个切换小孔与探测器定标光纤入射端41之间的光学通断关系，确保所需的定标通道的光线可以通过小孔，并耦合进入光纤入射端。

在本发明的一个实施例中，入瞳定标光纤入射端51定位支架用于装卡和定位六组与光谱通道对应的入瞳定标光纤入射端51。入瞳定标光纤入射端挡板33上依据事先设计好的位置加工具有一定角度间隔的小孔。小孔的直径根据薄膜集光器2收集光束的孔径角以及挡板距光纤入射端的距离计算而得。入瞳定标光纤入射端挡板33与外环切换齿轮38固连。在中环切换齿轮36、微小伺服电机的带动下小步进旋转，逐个切换小孔与探测器定标光纤入射端41之间的光学通断关系。确保所需定标通道的光线可以通过小孔，并耦合进探测器定标光纤入射端41。

在本发明的一个实施例中，探测器定标光纤入射端定位支架35和入瞳定标光纤入射端定位支架34均固连在光纤定位与切换机构3支架上，确保入瞳标定光纤入射端51和探测器定标光纤入射端41与薄膜集光器2集光区之间具备确定的位置和姿态关系。中环切换齿轮36和微小伺服电机串联，中环切换齿轮36与内环切换齿轮32、外环切换齿轮38之间为内外齿传动关系。当中环切换齿轮36旋转，内环切换齿轮32和外环切换齿轮38分别正时针旋转和逆时针旋转。本发明利用上述特性并巧妙设计通光小孔的角度间隔即可实现探测器不同光谱通道逐一相对辐射定标、入瞳不同光谱通道逐一绝对辐射定标功能，并且大幅缩小切换装置的体积和重量。

在本发明的一个实施例中，当入瞳定标光纤入射端挡板33和探测器定标光纤入射端挡板31上的小孔均与光纤入射端形成空间错位时，上述挡板完全遮挡住薄膜集光器2与光纤之间的传光路径。通过定标光路的完全光学断路，实现定标装置在轨休眠模式。

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作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。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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作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 (25)

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光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；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。

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，所述光纤束由多根单丝光纤集束而成。

5.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光纤束，其出射口与入瞳定标光纤准直窗口（53）耦合。

6.如权利要求1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与出射端采用“点对点”连接方式通过光纤束串联。

7.如权利要求5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）中的各准直单元将所述光纤束的每根单丝光纤出射光束整体准直为平行光。

8.如权利要求7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。

9.如权利要求1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。

10.如权利要求9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。

11.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）装卡定位入瞳定标光纤束（5）以及探测器定标光纤束（4），在通过切换通光路线实现入瞳定标模式、探测器定标模式和休眠模式的切换。

12.一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；星载辐射定标装置还包括：探测器定标光纤束（4）、入瞳定标光纤束（5）、光学载荷（6）以及光学载荷探测器（7）；所述入瞳定标光纤束（5）和所述探测器定标光纤束（4）的入射端分别与所述薄膜集光器（2）不同光谱通道集光区域耦合；所述入瞳定标光纤束（5）的出射端耦合在所述光学载荷（6）的入瞳附近；所述探测器定标光纤束（4）的出射端部分直接在光学载荷探测器（7）附近装卡固连；所述入瞳定标光纤束（5）和探测器定标光纤束（4）的出射光均由所述光学载荷探测器（7）接收。

13.权利要求12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）。

14.如权利要求12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）。

15.权利要求12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。

16.如权利要求12所述的星载辐射定标装置，其特征在于，还包括入瞳定标光纤准直窗口（53）；所述入瞳定标光纤准直窗口（53）将所述入瞳定标光纤束（5）收集的汇聚球面波准直为具有较小发散角的平行光束，再从光学载荷（6）入瞳照射进透镜阵列，形成的入瞳定标光束由光学载荷探测器（7）接收。

17.权利要求16所述的星载辐射定标装置，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。

18.如权利要求12所述的星载辐射定标装置，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。

19.如权利要求12所述的星载辐射定标装置，其特征在于，所述光纤定位与切换机构（3）包括：内环切换齿轮（32）、入瞳定标光纤入射端定位支架（34）、探测器定标光纤入射端定位支架（35）、中环切换齿轮（36）、步进电机(37)以及外环切换齿轮（38）；所述中环切换齿轮（36）和所述步进电机（37）串联，所述中环切换齿轮（36）、内环切换齿轮（32）以及外环切换齿轮（38）之间为内外齿传动关系；所述光纤定位与切换机构（3）通过休眠模式、入瞳定标模式、探测器定标模式实现不同光谱通道之间的切换。

20.如权利要求19所述的星载辐射定标装置，其特征在于，探测器定标光纤入射端（41）通过所述探测器定标光纤入射端定位支架（35）来装卡定位；所述入瞳定标光纤入射端定位支架（34）用于装卡和定位与光谱通道对应的入瞳定标光纤入射端（51）。

21.如权利要求19所述的星载辐射定标装置，其特征在于，还包括：探测器定标光纤入射端挡板（31）以及入瞳定标光纤入射端挡板（33）；所述探测器定标光纤入射端挡板（31）以及入瞳定标光纤入射端挡板（33）上以相同的分度圆直径和特殊角度间隔设置了多个通光孔。

22.如权利要求21所述的星载辐射定标装置，其特征在于，所述探测器定标光纤入射端挡板（31）与内环切换齿轮（32）固连，在中环切换齿轮（36）和步进电机（37）的带动下小步进旋转，依据编码器反馈的旋转角度逐个切换通光孔与探测器定标光纤入射端（41）之间的光学通断关系实现探测器定标模式；所述入瞳定标光纤入射端挡板（33）与外环切换齿轮（38）固连，在中环切换齿轮（36）以及步进电机（37）的带动下小步进旋转，逐个切换通光孔与入瞳定标光纤入射端（51）之间的光学通断关系实现入瞳定标模式。

23.如权利要求22所述的星载辐射定标装置，其特征在于，在所述步进电机（37）驱动下，所述探测器定标光纤入射端挡板（31）上的通光孔分别与不同定标谱段的光纤出射端耦合，将所述薄膜集光器（2）收集的定标光通过所述探测器定标光纤入射端挡板（31）上的圆孔照射进传输光纤。

24.如权利要求23所述的星载辐射定标装置，其特征在于，所述通光孔的直径均为根据所述薄膜集光器（2）收集光束的孔径角以及挡板距光纤入射端面的距离计算而得。

25.如权利要求22所述的星载辐射定标装置，其特征在于，入瞳定标光纤入射端挡板（33）和探测器定标光纤入射端挡板（31）上的通光孔均与光纤入射端形成空间错位时，上述挡板完全遮挡住所述薄膜集光器（2）与光纤之间的传光路径；通过定标光路的完全光学断路，定标装置进入在轨休眠模式。

Images