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1、(10)申请公布号 CN 103344222 A (43)申请公布日 2013.10.09 CN 103344222 A *CN103344222A* (21)申请号 201310251525.8 (22)申请日 2013.06.24 G01C 11/02(2006.01) (71)申请人 中国科学院长春光学精密机械与物 理研究所 地址 130033 吉林省长春市东南湖大路 3888 号 (72)发明人 武星星 魏君成 刘金国 周怀得 余达 (74)专利代理机构 长春菁华专利商标代理事务 所 22210 代理人 陶尊新 (54) 发明名称 一种空间相机增益自动实时调整方法 (57) 摘要 一种。
2、空间相机增益自动实时调整方法， 涉及 空间相机在轨摄影时增益的自动实时调整方法。 克服目前已提出的增益调整方法难以适应地面目 标和光照条件变化等缺点， 包括航天器发射前， 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 ； 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 星下点的经度和纬度 ； 并根据该信息计算当前星 下点处的太阳天顶角 ； 同时根据已获得的函数关 系， 得到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 ； 计算当前的增益倍数 ； 将 当前增益倍数转换为对应的码值后， 通过内部总 线将该码值发送至视频处理器， 对相机的增益进 。
3、行调整。本发明在光照条件较差时获取的图像灰 度层次丰富。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103344222 A CN 103344222 A *CN103344222A* 1/1 页 2 1. 一种空间相机增益自动实时调整方法， 其特征是， 该方法由以下步骤实现 ： 步骤一、 航天器发射前， 根据空间相机的波段范围、 用户要求的目标最大反射率， 使用 MODTRAN 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时，。
4、 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的 函数关系 ； 步骤二、 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， 计算星下点的经度和纬度 ； 步骤三、 相机控制器根据步骤二获得的当前时间和星下点的经度与纬度计算当前星下 点处的太阳天顶角 ； 步骤四、 相机控制器根据步骤一获得的太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间的函数关 系， 以及步骤三获得的当前星下点处的太阳天顶角， 得到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； 步骤五、 相机控制器根据步骤四获得的相机入瞳辐亮度 Lc， 计算当前的增益倍数 G。
5、c； 具体计算过程为 ： 设定发射前实验室辐射定标时， 在用户要求的最大辐亮度 Lmax下图 像饱和时对应的相机增益倍数为 Gmax， 空间相机设置的最小和最大增益倍数分别为 GDOWN和 GUP， 则当前的增益倍数 Gc的计算公式为 ： 步骤六、 相机控制器将步骤五获得当前的增益倍数 Gc转换为对应的码值后， 通过内部 总线将所述码值发送至视频处理器， 对空间相机的增益进行调整 ； 返回至步骤二， 实现对空 间相机增益的实时调整。 2. 根据权利要求 1 所述的空间相机增益自动实时调整方法， 其特征在于， 步骤一所述 的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 ； 具体采用的。
6、拟合的函 数模型为 ： L a1sin(b1+c1)+a2sin(b2+c2)+a3sin(b3+c3) 其中 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。 3. 根据权利要求 1 所述的空间相机增益自动实时调整方法， 其特征在于， 步骤三所述 的当前星下点处的太阳天顶角的范围为大于等 0小于等于 100。 4. 根据权利要求 1 所述的空间相机增益自动实时调整方法， 其特征在于， 在步骤四中 计算相机入瞳辐亮度 Lc时， 当太阳天顶角大于 90时， 取太阳天顶角为 90时的值。 权 利 要 求 书 CN 。
7、103344222 A 2 1/5 页 3 一种空间相机增益自动实时调整方法 技术领域 0001 本发明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， 具体涉及空 间相机在轨摄影时增益的自动实时调整方法。 背景技术 0002 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， 当相机的增益不变时， 相机输出图像的数字量化输出值随入瞳辐亮 度而变化。为了避免图像中感兴趣的目标处出现饱和现象而无法分辨， 用户要求空间相机 满足最大辐亮度要求， 即在最大辐亮度条件下输出的图像接近饱和或不饱和。该最大辐亮 度是在光照条件最强时， 对用户要求的目标最大。
8、反射率对应的地物成像时相机的入瞳辐亮 度。为此目前在空间相机研制中调整成像电路的元器件参数和增益， 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增益。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整体偏暗、 图像层次不丰富等问题， 而且 在不同季节获取的同一地物目标的图像灰度差别较大， 不便于对比分析和使用。 0003 目前已提出的增益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， 而后对增益进行调整 ( 颜伟彬 , 赵斌 . 基于数字信号处理器 的 CCD 自动增益调整 , 传感器技术 ,2004,23(3。
9、):74-80 ； 彭妮娜， 陈大羽， 王琨等 . 采用线 阵 TDICCD 相机的实时自动增益控制算法 . 红外与激光工程 ,2011,40(7):1370-1375; 薛旭 成， 石俊霞， 吕恒毅等 . 空间遥感相机 TDICCD 积分级数和增益的优化设置， 光学精密工程， 2011， 19(4):857-862)。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。
10、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增益很可能并不 适用下一时刻的地物目标， 而出现本应减小增益却增大增益的现象， 导致图像出现饱和或 达不到调整目的。 0004 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， 因此实 现空间相机不需要地面干预， 自动实时地进行增益的调整具有更大的实用价值。 发明内容 0005 本发明为解决目前空间相机采用固定增益满足以满足最大辐亮度要求， 导致获取 的部分图像整体偏暗、 图像层次不丰富， 而且在不同时间拍摄的同一地物目标的图像灰度 差别大 ； 克服目前已提出的增益调整方法。
11、难以适应地面目标和光照条件变化等缺点， 实现 不需要地面干预、 自动实时地调整增益。 0006 一种空间相机增益自动实时调整方法， 该方法由以下步骤实现 ： 0007 步骤一、 航天器发射前， 根据空间相机的波段范围、 用户要求的目标最大反射率， 说 明 书 CN 103344222 A 3 2/5 页 4 使用 MODTRAN 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时， 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 间的函数关系 ； 0008 步骤二、 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， 。
12、计算星下点的经度和纬度 ； 0009 步骤三、 相机控制器根据步骤二获得的当前时间和星下点的经度与纬度计算当前 星下点处的太阳天顶角 ； 0010 步骤四、 相机控制器根据步骤一获得的太阳天顶角与相机入瞳辐亮度之间的函数 关系， 以及步骤三获得的当前星下点处的太阳天顶角， 得到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； 0011 步骤五、 相机控制器根据步骤四获得的相机入瞳辐亮度 Lc， 计算当前的增益倍数 Gc； 0012 具体计算过程为 ： 设定发射前实验室辐射定标时， 在用户要求的最大辐亮度 Lmax 下图像饱和时对应的相机增益倍数为 Gmax， 空间相机设置的最小和。
13、最大增益倍数分别为 GDOWN和 GUP， 则当前的增益倍数 Gc的计算公式为 ： 0013 0014 步骤六、 相机控制器将步骤五获得当前的增益倍数 Gc转换为对应的码值后， 通过 内部总线将所述码值发送至视频处理器， 对空间相机的增益进行调整 ； 返回至步骤二， 实现 对空间相机增益的实时调整。 0015 本发明的有益效果 ： 0016 一、 通过曲线拟合的方式建立太阳高度角和相机入瞳辐亮度之间的函数关系， 在 轨摄影过程中自动调整增益时所用的相机入瞳辐亮度通过该函数直接计算得到， 避免耗时 的查询和插值过程， 提高增益调整的实时性 ； 0017 二、 星下点经纬度和太阳高度角通过从航天器。
14、总线接收的航天器当前实际位置和 时间实时计算得到， 比轨道外推得到结果更加符合真实情况， 因而更准确和可靠 ； 0018 三、 增益调整的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 ； 0019 四、 空间相机增益的调整以目标最大反射率和光照条件为依据， 即满足最大辐亮 度的要求， 又考虑摄影过程中太阳光照条件的变化， 使在光照条件较差情况下获取的图像 仍然灰度层次丰富， 并解决了在不同时间拍摄的同一地物目标的图像灰度差别大的问题。 附图说明 0020 图 1 为本发明所述的空间相机增益自动实时调整方法的流程图 ； 说 明 书 CN 103344222 A 。
15、4 3/5 页 5 0021 图 2 为本发明所述的空间相机增益自动实时调整方法中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示意图 ； 0022 图 3 为在本发明所述的空间相机增益自动实时调整方法中的星下点经度随摄影 时刻 ( 时间码 ) 的变化曲线 ； 0023 图 4 为本发明所述的空间相机增益自动实时调整方法中的星下点纬度随摄影时 刻 ( 时间码 ) 的变化曲线 ； 0024 图 5 为本发明所述的空间相机增益自动实时调整方法中的太阳天顶角随摄影时 刻 ( 时间码 ) 的变化曲线 ； 0025 图 6 为本发明所述的空间相机增益自动实时调整方法中相机入瞳辐亮度 （对目标 。
16、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 ； 0026 图 7 为本发明所述的空间相机增益自动实时调整方法中的增益倍数随摄影时刻 ( 时间码 ) 的变化曲线。 具体实施方式 0027 具体实施方式一、 结合图1至图7说明本实施方式， 空间相机增益自动实时调整方 法， 具体实现过程为 ： 0028 步骤 110， 航天器发射前， 根据空间相机的波段范围、 用户要求的目标最大反射率， 使用 MODTRAN 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时， 不同 太阳天顶角对应的相机入瞳辐亮度， 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 ；。
17、 在本实施例中， 该空间相机的波段范围为 760-900nm， 用户要求的最大辐亮度 Lmax为 31.865W/m2sr， 用户要求的目标最大反射率为 0.8。拟合的函数模型如下 0029 L a1sin(b1+c1)+a2sin(b2+c2)+a3sin(b3+c3) 0030 其中 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。在本实施例中， 星下点的太阳天顶角的取值范围为 0， 100 ， 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如图 2 所示。根据图 2 中 的数据拟合后得到参。
18、数如下表 1 所示 ： 0031 表 1 0032 a121.11a219.07a36.638 b10.01071b20.04487b30.06649 c11.127c21.038c33.431 0033 步骤 120， 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， 计算星下点的经度和纬度 ； 在本实施中， 相机控制器通过航天器总线接收到航天 器在 WGS-84 坐标系下的当前位置 (XECF,YECF,ZECF) 为 (-504414.415,1062382.741,6776848. 648)( 单位 ： m)。收到的时间码的格式为从 UTC 时间 2006 。
19、年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒到当前 时刻的累加秒值， 收到的十六进制时间码为0xBEF6FE2， 对应当前时刻的UTC时间为2012年 5 月 6 日 14 时 32 分 02 秒。当前时刻星下点的经度 的计算公式如下 ： 说 明 书 CN 103344222 A 5 4/5 页 6 0034 0035 当前时刻星下点的纬度 采用 WGS-84 地球椭球模型计算得到， 计算公式如下 ： 0036 0037 其中 e 为偏心率， 对应 WGS-84 地球椭球模型为 0.081819190842621。通过以上两 式可以计算得到当前时刻星下点的经度和纬度分别为 115.398和 80。
20、.215。 0038 步骤 130， 相机控制器根据步骤 120 得到的当前时间和星下点的经度与纬度计算 当前星下点处的太阳天顶角 ； 在本实施例中采用 IbrahimReda 和 Afshin Andreas 于 2008 年提出的太阳天顶角计算方法， 该方法计算的不确定度为 0.0003， 而且不需要大量地 查表操作， 可以方便地在相机控制器上实施， 经计算当前时刻的太阳天顶角为 81.987。 0039 步骤 140， 将步骤 130 得到的当前时刻的太阳天顶角 81.987代入步骤 110 拟 合得到的函数， 得到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为 3.507。
21、W/m2sr ； 0040 步骤 150， 相机控制器根据步骤 140 得到的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为 3.507W/m2sr， 计算当前的增益倍数 Gc； 在本实施例中， 发射 前实验室辐射定标实验时， 在用户要求的最大辐亮度 Lmax下图像刚好饱和时对应的相机增 益倍数Gmax为1.1220倍， 空间相机所用视频处理器为OM7560A， 对应能够设置的最小增益倍 数 GDOWN为 1， 能够设置的最大增益倍数 GUP为 63.0957， 根据如下增益计算公式 ： 0041 0042 得到当前的增益倍数 Gc为 10.1934 倍 ； 0043 步骤16。
22、0， 将步骤150得到的当前增益倍数Gc转换为对应的码值后， 通过内部总线 将该码值发送至视频处理器， 对相机的增益进行调整。此后返回步骤 120。在本实施例中， 所用视频处理器 OM7560A 的增益倍数 Gc与对应的增益设置码值 Nc的关系如下式表示 ： 0044 Nc 400log10Gc 0045 将当前的增益倍数 10.1934 转换为码值后为 0x0193 （十六进制） ， 相机控制器通过 内部总线将 0x0193 发送给视频处理器， 完成当前摄影时刻的增益调整， 之后返回步骤 120， 开始下一次的增益调整过程。空间相机在轨摄影期间相机控制器反复执行步骤 120 至步骤 160，。
23、 完成增益的自动实时调整过程， 直到空间相机关机时， 才停止增益的调整。 0046 结合图3至图7说明本实施方式， 图3至图7为根据本实施例得到的UTC时间2012 年 5 月 6 日 14 时 32 分 02 秒至 5 月 6 日 16 时 12 分 02 秒期间星下点经度、 纬度、 太阳天顶 说 明 书 CN 103344222 A 6 5/5 页 7 角、 相机入瞳辐亮度 （对目标最大反射率对应的地物成像时） 和增益倍数随摄影时刻 ( 时间 码 ) 的变化曲线。 0047 如上所述， 对本领域的技术人员来说， 在本质上不脱离本发明原理的基础上， 可以 对该实施例进行形式和细节上的各种改变和修改， 这些改变和修改都确定为包含在本发明 的范围内。 说 明 书 CN 103344222 A 7 1/4 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103344222 A 8 2/4 页 9 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103344222 A 9 3/4 页 10 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103344222 A 10 4/4 页 11 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103344222 A 11 。