本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種地球靜止軌道高分辨率可見光面陣凝視相機(jī)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

地球靜止軌道高分辨探測技術(shù)因?yàn)槠滠壍捞攸c(diǎn)所帶來的探測范圍大、對熱點(diǎn)區(qū)域可長時間高分辨率實(shí)時監(jiān)視探測等特點(diǎn)目前已成為國內(nèi)外未來對地觀測技術(shù)發(fā)展的重要方向。

空間分辨率優(yōu)于1m的低地球軌道(leo)光學(xué)成像遙感衛(wèi)星已經(jīng)廣泛應(yīng)用多年，但時間分辨率較低。地球靜止軌道(geo)氣象衛(wèi)星的空間分辨率較低。為滿足同時需要高時間分辨率和較高空間分辨率的對地觀測需求，提供一種切實(shí)可行的地球靜止軌道高分辨率可見光面陣凝視相機(jī)總體技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：相比于現(xiàn)有技術(shù)，提供了一種地球靜止軌道高分辨率可見光面陣凝視相機(jī)系統(tǒng)，解決現(xiàn)有相機(jī)對高時間分辨率和高空間分辨率難以兼顧的難題。

本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種地球靜止軌道高分辨率可見光面陣凝視相機(jī)系統(tǒng)，包括：可見光遮光罩、可見光光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)焦機(jī)構(gòu)、可見光面陣濾光輪組件、可見光大面陣焦面組件和可見光信號處理裝置；其中，所述可見光遮光罩罩設(shè)于所述可見光光學(xué)系統(tǒng)；所述調(diào)焦機(jī)構(gòu)與所述可見光光學(xué)系統(tǒng)相連接；所述可見光光學(xué)系統(tǒng)采集地面物體光信號，所述調(diào)焦機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)所述可見光光學(xué)系統(tǒng)使得所述可見光光學(xué)系統(tǒng)輸出校正后的地面物體光信號，可見光面陣濾光輪組件將校正后的地面物體光信號分為不同譜段信號匯聚到可見光大面陣焦面組件上，可見光大面陣焦面組件對不同譜段信號進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換為電信號輸入給可見光信號處理裝置，可見光信號處理裝置對電信號進(jìn)行放大、濾波以及編碼后得到地面物體圖像信號。

上述地球靜止軌道高分辨率可見光面陣凝視相機(jī)系統(tǒng)中，所述可見光面陣濾光輪組件包括可見光面陣濾光輪和濾光片；其中，所述可見光面陣濾光輪沿其圓周方向均勻開設(shè)了若干個通孔；所述濾光片的數(shù)量與通孔的數(shù)量一致，每個濾光片設(shè)置于相對應(yīng)的通孔的位置處。

上述地球靜止軌道高分辨率可見光面陣凝視相機(jī)系統(tǒng)中，所述通孔的數(shù)量為五個，相對應(yīng)的，所述濾光片的數(shù)量也為五個。

上述地球靜止軌道高分辨率可見光面陣凝視相機(jī)系統(tǒng)中，可見光大面陣焦面組件采用基于全局電子快門曝光方式的cmos面陣探測器。

上述地球靜止軌道高分辨率可見光面陣凝視相機(jī)系統(tǒng)中，所述可見光遮光罩的內(nèi)壁設(shè)置有擋光環(huán)。

上述地球靜止軌道高分辨率可見光面陣凝視相機(jī)系統(tǒng)中，所述可見光遮光罩的內(nèi)表面噴設(shè)有黑漆層。

上述地球靜止軌道高分辨率可見光面陣凝視相機(jī)系統(tǒng)中，所述可見光光學(xué)系統(tǒng)為rc雙反結(jié)合消像差透鏡組的光學(xué)系統(tǒng)。

上述地球靜止軌道高分辨率可見光面陣凝視相機(jī)系統(tǒng)中，所述調(diào)焦機(jī)構(gòu)包括：步進(jìn)調(diào)焦電機(jī)、減速齒輪、滾珠絲杠付、角接觸球軸承、滑動軸、電位計組件、活動板、滑動座、固定座；其中，步進(jìn)調(diào)焦電機(jī)通過一對減速齒輪與滾珠絲杠付連接，滾珠絲杠付與一對角接觸球軸承相連接，當(dāng)步進(jìn)調(diào)焦電機(jī)轉(zhuǎn)動而帶動滾珠絲杠付時，滾珠絲杠付就能前后運(yùn)動，電位計組件安裝于滾珠絲杠付一端，進(jìn)行移動距離位置遙測反饋，滑動軸安裝于固定座上，滑動座與滑動軸相連起導(dǎo)向作用，活動板通過軸承安裝在兩根滑動軸上，從而使可見光光學(xué)系統(tǒng)能隨著活動板沿光軸方向前后自由滑動，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦功能。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

(1)采用較大規(guī)模的面陣探測器，實(shí)現(xiàn)了高時間分辨率、較高空間分辨率以及較大單景成像幅寬。

(2)本發(fā)明利用大口徑旋轉(zhuǎn)濾光輪將入射可見光近紅外輻射分成5個譜段，5個譜段分時成像，保證了成像的準(zhǔn)確性。

(3)本發(fā)明采用基于全局電子快門曝光方式的cmos面陣探測器，成像時所有像元同時曝光，不存在曝光不同時引起的景內(nèi)圖像畸變。

(4)本發(fā)明的cmos面陣探測器的積分時間準(zhǔn)連續(xù)可調(diào)，可根據(jù)需要靈活設(shè)置每個譜段的積分時間，提升信噪比；

(5)本發(fā)明的調(diào)焦機(jī)構(gòu)保證了能夠得到高時間分辨率和高空間分辨率的圖像。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的地球靜止軌道高分辨率可見光面陣凝視相機(jī)系統(tǒng)的框圖；

圖2是本發(fā)明的遮光罩及其擋光環(huán)圖；

圖3是本發(fā)明的rc雙反結(jié)合透鏡組消像差的光學(xué)系統(tǒng)圖；

圖4(a)是本發(fā)明的調(diào)焦機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4(b)是本發(fā)明的調(diào)焦機(jī)構(gòu)的又一結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4(c)是本發(fā)明的調(diào)焦機(jī)構(gòu)的另一結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的地球靜止軌道高分辨率可見光面陣凝視相機(jī)包括可見光遮光罩1、可見光光學(xué)系統(tǒng)2、調(diào)焦機(jī)構(gòu)3、可見光面陣濾光輪組件4、可見光大面陣焦面組件5、可見光信號處理裝置6。

可見光遮光罩1罩設(shè)于可見光光學(xué)系統(tǒng)2；

如圖2所示，可見光遮光罩1的內(nèi)壁設(shè)置有擋光環(huán)1-1；

調(diào)焦機(jī)構(gòu)3與可見光光學(xué)系統(tǒng)2相連接；

可見光光學(xué)系統(tǒng)光路圖如圖3所示，包括rc雙反2-1和透鏡組2-2；

可見光光學(xué)系統(tǒng)2采集地面物體光信號，入射光信號依次通過rc雙反2-1和透鏡組2-2，調(diào)焦機(jī)構(gòu)3調(diào)節(jié)可見光光學(xué)系統(tǒng)2使得可見光光學(xué)系統(tǒng)2輸出校正后的地面物體光信號，可見光面陣濾光輪組件4將校正后的地面物體光信號分為不同譜段信號匯聚到可見光大面陣焦面組件5上，可見光大面陣焦面組件5對不同譜段信號進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換為電信號輸入給可見光信號處理裝置6，可見光信號處理裝置6對電信號進(jìn)行放大、濾波以及編碼后得到地面物體圖像信號。

可具體的，見光遮光罩1在整個星載可見光相機(jī)的最前端，保證可見光光學(xué)系統(tǒng)2工作時不受太陽光等雜散輻射影響，可見光光學(xué)系統(tǒng)2將地面物體信息通過可見光面陣濾光輪組件4，分為不同譜段信號匯聚到可見光大面陣焦面組件5上，可見光大面陣焦面組件5對不同譜段信號進(jìn)行采樣響應(yīng)后轉(zhuǎn)換為電信號輸入給信號處理裝置6，信號處理裝置6對焦面組件5生成的海量電信號進(jìn)行放大、濾波以及編碼后輸出。通過透鏡調(diào)焦方式實(shí)現(xiàn)在軌調(diào)焦。

可見光面陣濾光輪組件4包括可見光面陣濾光輪和濾光片；其中，可見光面陣濾光輪沿其圓周方向均勻開設(shè)了若干個通孔；濾光片的數(shù)量與通孔的數(shù)量一致，每個濾光片設(shè)置于相對應(yīng)的通孔的位置處。具體的，通孔的數(shù)量為五個，相對應(yīng)的，濾光片的數(shù)量也為五個。進(jìn)一步的，可見光面陣濾光輪為旋轉(zhuǎn)式。

可見光大面陣焦面組件5采用基于全局電子快門曝光方式的cmos面陣探測器。

由于相機(jī)工作在可見光譜段，對可見雜散光有較高要求，因此針對地球靜止軌道面陣光學(xué)系統(tǒng)，相機(jī)遮光罩內(nèi)壁需設(shè)置擋光環(huán)配合表面噴消雜光黑漆的方式來削減雜散光。

為滿足大成像幅寬及較高像元分辨率要求，可見光光學(xué)系統(tǒng)2選擇rc雙反結(jié)合透鏡組消像差的光學(xué)系統(tǒng)方案，以滿足像質(zhì)和空間布局要求。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，地球靜止軌道可見光光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型布局：主光學(xué)為rc雙反系統(tǒng)，主鏡為拋物面，次鏡為雙曲面，可見光近紅外譜段經(jīng)次鏡反射進(jìn)入可見光校正鏡組，通過光路后端設(shè)置的濾光片實(shí)現(xiàn)光譜設(shè)定。如圖3所示，圖中的2-1為rc雙反系統(tǒng)，圖中的2-2為消像差的透鏡組。本實(shí)施例采用大口徑主鏡，可見光光學(xué)系統(tǒng)2的焦距為長焦距。本實(shí)施例通過采用較大規(guī)模的面陣探測器，配合大口徑、長焦距光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高時間分辨率、較高空間分辨率以及較大單景成像幅寬。

可見光光學(xué)系統(tǒng)2中部分光學(xué)元件安裝在調(diào)焦機(jī)構(gòu)3上，主要用于校正像差及空間環(huán)境與地面不同可能引起的離焦，校正后將光信號成像在可見光焦面組件上。需要說明的是，調(diào)焦機(jī)構(gòu)可以有多種結(jié)構(gòu)形式，本實(shí)施例的調(diào)焦機(jī)構(gòu)如圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)所示，調(diào)焦機(jī)構(gòu)3包括：步進(jìn)調(diào)焦電機(jī)3-3、減速齒輪3-2、滾珠絲杠付3-7、角接觸球軸承3-8、滑動軸3-9、電位計組件3-5、活動板3-1、滑動座3-4、固定座3-6。步進(jìn)調(diào)焦電機(jī)3-3通過一對傳動比為4：1的減速齒輪3-2與滾珠絲杠付3-7連接，滾珠絲杠付架3-7在一對角接觸球軸承3-8上，當(dāng)步進(jìn)調(diào)焦電機(jī)3-3轉(zhuǎn)動而帶動滾珠絲杠付3-7轉(zhuǎn)動時，滾珠絲杠付3-7的絲杠滑塊就能前后運(yùn)動，電位計組件3-5安裝于滾珠絲杠付3-7一端，進(jìn)行移動距離位置遙測反饋。滑動軸3-9安裝于固定座3-6上，滑動座3-4與滑動軸3-9相連起導(dǎo)向作用?；顒影?-1通過軸承安裝在兩根滑動軸3-9上，從而使可見光光學(xué)系統(tǒng)2中部分光學(xué)元件能隨著活動板3-1沿光軸方向前后自由滑動，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦功能。

為了使相機(jī)只對規(guī)定的五個工作譜段響應(yīng)，濾光片設(shè)計為旋轉(zhuǎn)濾光輪的形式，針對地球靜止軌道面陣光學(xué)系統(tǒng)，濾光輪上五個通孔圓周均布了五片大口徑方形濾光片，通過給濾光片鍍膜使得其在工作譜段透過率大于92％，相機(jī)工作時其通光視場對準(zhǔn)濾光輪一個通孔，保證某一個工作譜段的光透過濾光片，要對另一工作譜段的光響應(yīng)時，濾光輪旋轉(zhuǎn)，下一通孔對準(zhǔn)相機(jī)通光視場。

地球靜止軌道可見光大面陣焦面組件采用基于全局電子快門曝光方式的cmos面陣探測器，探測器的積分時間準(zhǔn)連續(xù)可調(diào)，根據(jù)需要靈活設(shè)置每個譜段的積分時間，提升信噪比snr。

利用基于面陣cmos圖像傳感器的相機(jī)視頻電路的設(shè)計方案解決了對cmos圖像傳感器模塊輸出的高速、多通道、超大數(shù)據(jù)量的快速實(shí)時處理技術(shù)難點(diǎn)。

本發(fā)明采用較大規(guī)模的面陣探測器，實(shí)現(xiàn)了高時間分辨率、較高空間分辨率以及較大單景成像幅寬；本發(fā)明利用大口徑旋轉(zhuǎn)濾光輪將入射可見光近紅外輻射分成5個譜段，5個譜段分時成像，保證了成像的準(zhǔn)確性；本發(fā)明采用基于全局電子快門曝光方式的cmos面陣探測器，成像時所有像元同時曝光，不存在曝光不同時引起的景內(nèi)圖像畸變；本發(fā)明的探測器的積分時間準(zhǔn)連續(xù)可調(diào)，可根據(jù)需要靈活設(shè)置每個譜段的積分時間，提升snr。

以上所述的實(shí)施例只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。