一种基于黑体的星上辐射定标系统和方法与流程

1.本发明涉及红外传感器在轨辐射定标技术领域，具体涉及一种基于黑体的星上辐射定标系统和方法。


背景技术：

2.导引头采用红外手段对目标进行观测，获取目标的辐射强度信息，积累目标特性。红外导引头长期在轨探测器性能易发生退化，同时受外界温度影响，很难保证导引头长期在轨观测的一致性和稳定性。因此需要进行在轨标定。提升导引头定标观测的一致性和稳定性。
3.传统星上定标装置主要目的是对红外相机载荷进行定标，定标装置与相机进行一体化安装设计。而导引头由于空间局促，需要与定标装置进行分置，并需要独立控制。传统的结构机构、热控系统设计等方面无法适应导引头定标的需求。
4.红外传感器的黑体定标属于高精度辐射定标，温度等因素会影响定标精度，从而导致观测性能下降。为支撑导引头观测需求，同时便于在局促空间中进行安装，定标黑体需要与导引头舱盖进行一体化设计，以形成一种集成化的星上黑体辐射定标系统。对于红外目标探测系统，需标定出点目标入瞳辐射照度与输出dn值的数学关系，进而准确反演目标辐射特性。由于光学系统的衍射及像差效应，点像在像面占几个像元，通常是将落入各个像元的能量累加作为点目标的总能量，实际上探测器并非100％填充，这种方法未考虑落入探测器间隙的点目标能量，影响定标精度，并且落入探测器间隙的点目标能量还与点目标的温度点采样相位有关，如何准确获取点目标的能量、消除采样相位的影响是点目标探测总体定标技术中的难点之一。
5.此外，导引头观测系统一般采用长波红外谱段，长波红外探测器对光机温度、焦面温度极为敏感，其温度波动均会影响辐射定标精度，精确的温度控制及数据处理是定标总体技术中的另一个难点。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提出了一种基于黑体的星上辐射定标系统和方法，能够适应导引头在轨随时辐射定标，实现精确的温度控制及数据处理。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
8.本发明的一种基于黑体的星上辐射定标系统，包括集成结构组件、开合机构组件和温控组件，其中集成结构组件由舱盖结构和定标黑体两部分组成，集成结构组件前部是舱盖结构，定标黑体组件安装于舱盖背部，用于对导引头的黑体辐射定标；开合机构组件用于定标系统的滑动开合和力学支撑，并具备隔热功能；温控组件对定标黑体进行控温，保证其在导引头定标过程中温度的稳定性和均匀性。
9.其中，集成结构组件中，定标系统安装在相机遮光罩前，在定标机构驱动下实现关闭、打开动作；舱盖位于最外侧，在关闭状态下起到遮挡阳光和外热流的作用；定标黑体位
于内侧，用于红外通道全口径和全光路星上辐射定标；定标黑体与舱盖之间采用多层辐射隔热和隔热垫固定安装；定标黑体集成在舱盖盖板之上，舱盖盖板通过舱盖机构控制，通过舱盖机构实现舱盖盖板的开合，从而实现定标。
10.其中，所述开合机构组件包括基座、驱动组件、舱盖转轴、转轴支撑轴承、霍尔组件、应急退出组件和应急退出齿轮齿条副件，采用步进电机加两级平行轴减速器驱动加霍尔位置传感器方式实现开合。
11.其中，温控组件包括电加热器、铂电阻测温组件和热敏电阻测温组件，其中，电加热器用于黑体的高精度控温，每个加热回路均包含主备份设计，主份用于黑体定标控温，用热敏电阻测温元件作为测控温参考点，备份作为加热去污用，用铂电阻测温组件作为控温参考点。
12.其中，舱门盖板采用铝面板和铝蜂窝夹层结构成型工艺；黑体采用铝蜂窝结构，表面喷高发射率材料发黑漆涂层。
13.本发明的一种基于黑体的星上辐射定标方法，采用本发明所述系统实现，包括如下步骤：
14.采集多个定标黑体温度点，进行不同谱段、不同成像参数定标；其中每个定标过程均为：导引头加电；成像参数设置；导引头成像；导引头待机；黑体升温并稳定后进行定标；
15.建立外定标方程时对输出dn值进行修正，得到相机的有效dn值，导引头有效dn值计算如下：
16.dnc(n)＝dn(n) δdn
esh
(n) δdnd(n)
17.式中，n为像元序号；dnc为定标黑体有效dn值；dn为定标黑体输出dn值；δdn
esh
为输出随导引头整体温度变化修正量；δdnd为输出随焦面温度变化的修正量；
18.其中，导引头主体整体变温的dn值修正量计算式如下：
19.δdn
esh
(n)＝k1·
(t
0-t
esh
)
20.式中，k1为导引头主体整体变温修正系数；tesh为等效导引头主体温度(℃)，t
esh
＝q1·
t1 q2·
t2 q3·
t3 ... q0；
21.导引头输出随焦面温度变化的修正量计算公式如下：
22.δdnd＝k2·
(t
0-td)
23.式中，k2为导引头输出随焦面温度变化修正系数；td为导引头焦面温度(℃)。
24.有益效果：
25.1、本发明辐射定标系统黑体经过发黑处理，保证定标时自身黑体反射带来的内辐射满足定标精度要求；辐射定标系统采用黑体切入导引头光路设计，缩短定标时间，保证黑体图像采集快速完成；导引头通过本定标系统获取数字量化数量(dn值)，通过处理可将数字量化数量(dn值)转换为辐射能量，用于导引头温度、焦面温度等对定标精度影响的修正；通过温控组件对黑体全面源进行高精度控温，保证黑体温度的稳定性和均匀性。基于导引头与定标黑体装置分置、独立控制，舱盖与黑体一体化集成的特点，本发明系统与导引头进行分置安装，并与滑动舱盖进行一体化设计，实现了局促空间下导引头在轨辐射定标和数据处理，支持了导引头在轨成像观测效果，定标系统辐射定标不确定度满足导引头在轨观测精度要求。
26.2、本发明系统为了实现重量最轻，舱门盖板采用铝面板/铝蜂窝夹层结构成型工
艺。黑体采用铝蜂窝结构，表面喷高发射率材料发黑漆涂层。
27.3、本发明具备多个控温采集点，由温控组件实现，可采集多个定标温度点。
附图说明
28.图1为本发明定标系统组成示意图。
29.图2为本发明开合机构组件示意图。
30.图3为本发明温控组件示意图。
31.图4为本发明定标过程示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
33.本发明基于黑体的星上辐射定标系统和方法中，采用一种舱盖与黑体一体化的导引头辐射定标系统，解决传统黑体定标一般面向红外相机载荷采用分体式独立安装，无法适应导引头在轨随时辐射定标问题。
34.本发明定标系统组成如图1所示，辐射定标系统包括集成结构组件(舱盖与定标黑体一体化设计)、开合机构组件和温控组件，其中集成结构组件由舱盖结构和定标黑体两部分组成，集成结构组件前部是舱盖结构，定标黑体组件安装于舱盖背部，主要用于对导引头的黑体辐射定标；开合机构组件用于定标系统的滑动开合和力学支撑，并具备隔热功能；温控组件对定标黑体进行控温，保证其在导引头定标过程中温度的稳定性和均匀性。
35.具体地，集成结构组件中，定标系统安装在相机遮光罩前，在定标机构驱动下实现关闭、打开动作。舱盖位于最外侧，能够完全覆盖红外通道入光口，在关闭状态下起到遮挡阳光和外热流的作用；定标黑体位于内侧，用于红外通道全口径和全光路星上辐射定标；定标黑体与舱盖之间采用多层辐射隔热和隔热垫固定安装，保证黑体温度不受外界温度干扰；定标黑体集成在舱盖盖板之上，舱盖盖板通过舱盖机构控制，通过舱盖机构实现舱盖盖板的开合，从而实现定标。进一步地为了实现重量最轻，舱门盖板采用铝面板和铝蜂窝夹层结构成型工艺。黑体采用铝蜂窝结构，表面喷高发射率材料发黑漆涂层。
36.开合机构组件如图2所示，包括基座、驱动组件、舱盖转轴、转轴支撑轴承、霍尔组件、应急退出组件和应急退出齿轮齿条副件，采用步进电机加两级平行轴减速器驱动加霍尔位置传感器方式实现开合。
37.温控组件如图3所示，包括电加热器、铂电阻测温组件和热敏电阻测温组件，其中，电加热器用于黑体的高精度控温，每个加热回路均包含主备份设计。主份用于黑体定标控温，用热敏电阻测温元件作为测控温参考点，备份作为加热去污用，用铂电阻测温组件作为控温参考点。
38.综上，本发明辐射定标系统黑体经过发黑处理，保证定标时自身黑体反射带来的内辐射满足定标精度要求；辐射定标系统采用黑体切入导引头光路设计，缩短定标时间，保证黑体图像采集快速完成；辐射定标系统对黑体全面源进行高精度控温，保证黑体温度的稳定性和均匀性；导引头通过本定标系统获取数字量化数量(dn值)，通过处理可将数字量化数量(dn值)转换为辐射能量，用于导引头温度、焦面温度等对定标精度影响的修正。
39.进一步地，辐射定标系统具备多个控温采集点，由温控组件实现，可采集多个定标
温度点。
40.本发明还提供了一种基于黑体的星上辐射定标方法，采用本发明系统实现，包括如下步骤：
41.采集多个定标黑体温度点，进行不同谱段、不同成像参数定标；其中每个定标过程均为：导引头加电；成像参数设置；导引头成像；导引头待机；黑体升温并稳定后进行定标，定标过程如图4所示。
42.建立外定标方程时对输出dn值进行修正，得到相机的有效dn值。导引头有效dn值计算如下：
43.dnc(n)＝dn(n) δdn
esh
(n) δdnd(n)
44.式中，n为像元序号；dnc为定标黑体有效dn值；dn为定标黑体输出dn值；δdn
esh
为输出随导引头整体温度变化修正量；δdnd为输出随焦面温度变化的修正量；
45.其中，导引头主体整体变温的dn值修正量计算式如下：
46.δdn
esh
(n)＝k1·
(t
0-t
esh
)
47.式中，k1为导引头主体整体变温修正系数(1k温差对应的dn值变化量)；tesh为等效导引头主体温度(℃)，t
esh
＝q1·
t1 q2·
t2 q3·
t3 ... q0；
48.导引头输出随焦面温度变化的修正量计算公式如下：
49.δdnd＝k2·
(t
0-td)
50.式中，k2为导引头输出随焦面温度变化修正系数(1k温差对应的dn值变化量)；td为导引头焦面温度(℃)。
51.通过建立输入辐亮度与输出有效dn值之间的关系，从而修正导引头温度、焦面温度等对定标精度影响。
52.针对相同目标，不同测量下，光机温度不同，输出数字量化数量(dn值)不同。因此，根据导引头输出dn值及定标系数反演目标能量时，会出现不同的反演结果，造成测量的不一致性。导引头整体温度变化和焦面温度变化影响输出dn值，本发明通过建立外定标方程时对输出dn值进行修正，得到相机的有效dn值。
53.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。