一种基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法及装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103837234 A (43)申请公布日 2014.06.04 CN 103837234 A (21)申请号 201410079557.9 (22)申请日 2014.03.05 G01J 3/28(2006.01) (71)申请人 中国科学院光电研究院 地址 100080 北京市海淀区中关村东路 95 号 (72)发明人 相里斌 王建威 裴琳琳 戴玉 张丹丹 钱路路 李伟艳 (74)专利代理机构 北京凯特来知识产权代理有 限公司 11260 代理人 郑立明 赵镇勇 (54) 发明名称 一种基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法 及装置 (57) 摘要 本发明公开了一种基。

2、于地面激光靶标的在轨 光谱定标方法及装置， 其中， 所述方法包括 ： 搭载 在卫星上的光谱仪接收至少 2 个激光器发射的激 光， 输出响应数据并将所述响应数据发送给处理 装置， 所述响应数据包括全部光谱通道的光斑位 置 ； 所述处理装置将所述响应数据与实验室光谱 定标数据比较， 得到在轨光谱定标数据。 基于地面 激光器发射的光束， 确定不同波长在探测器上的 空间位置， 与实验室定标数据对比， 计算出多个谱 线漂移量提高在轨定标精度。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 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2页 说明书5页 。

3、附图3页 (10)申请公布号 CN 103837234 A CN 103837234 A 1/2 页 2 1. 一种基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法， 其特征在于， 包括 ： 搭载在卫星上的光谱仪接收至少 2 个激光器发射的激光， 输出响应数据并将所述响应 数据发送给处理装置， 所述响应数据包括全部光谱通道的光斑位置 ； 所述处理装置将所述响应数据与实验室光谱定标数据比较， 得到在轨光谱定标数据。 2.根据权利要求1所述的基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法， 其特征在于， 所述2 个激光器之间的间距小于等于所述光谱仪的空间分辨率， 所述激光器的光束发散角大于卫 星定位角度误差与激光器指向误差。

4、之和。 3.根据权利要求1或2所述的基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法， 其特征在于， 实 验室光谱定标数据包括每个光谱通道的中心波长、 光斑位置， 所述处理装置将所述响应数 据与实验室光谱定标数据比较， 得到在轨光谱定标数据， 包括 ： 将所述响应数据中光谱通道的光斑位置对应与实验室光谱定标数据中光谱通道的光 斑位置比较， 得到谱线偏移量和旋转量 ； 根据所述谱线偏移量和旋转量以及实验室光谱定标数据中光谱通道的中心波长， 得到 在轨光谱定标数据中光谱通道的中心波长。 4. 一种基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 其特征在于， 包括至少 2 个激光器、 定 向控制装置以及光束发散角控制装置 。

5、： 所述定向装置， 用于调整所述至少 2 个激光器之间的间距 ； 所述光束发散角控制装置， 用于调整所述至少 2 个激光器发射的激光光束的光束发散 角 ； 所述至少 2 个激光器， 用于在预定位置按照预定光束发散角发射激光光束 ； 激光器发射的激光光束被搭载在卫星上的光谱仪接收， 所述光谱仪输出响应数据， 所 述响应数据包括全部光谱通道的光斑位置。 5. 根据权利要求 4 所述的基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 其特征在于， 所述 定向装置， 具体用于根据光谱仪的空间分辨率对应确定所述 2 个激光器之间的间距， 其中， 激光器之间的间距小于等于光谱仪的空间分辨率。 6. 根据权利要求 4 。

6、所述的基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 其特征在于， 所述 光束发散角控制装置， 卫星轨道定位的精度和激光器指向精度确定激光器发射的激光光束 的光束发散角， 其中， 激光器的光束发散角大于卫星定位角度误差与激光器指向误差之和。 7. 根据权利要求 4 或 5 或 6 所述的基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 其特征在 于， 至少 2 个激光器活动设置在地面平台上， 所述地面平台设置有方位轴， 调整所述方位轴 控制至少 2 个激光器的光束发散角。 8. 根据权利要求 4 或 5 或 6 所述的基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 其特征在 于， 还包括 ： 处理装置， 用于将所述响应数据与。

7、实验室光谱定标数据比较， 得到在轨光谱定标数据。 9. 根据权利要求 8 所述的基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 其特征在于， 实验 室光谱定标数据包括每个光谱通道的中心波长、 光斑位置， 所述处理装置， 具体用于 ： 将所述响应数据中光谱通道的光斑位置对应与实验室光谱定标数据中光谱通道的光 斑位置比较， 得到谱线偏移量和旋转量 ； 根据所述谱线偏移量和旋转量以及实验室光谱定标数据中光谱通道的中心波长， 得到 权 利 要 求 书 CN 103837234 A 2 2/2 页 3 在轨光谱定标数据中光谱通道的中心波长。 权 利 要 求 书 CN 103837234 A 3 1/5 页 4 一。

8、种基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法及装置 技术领域 0001 本发明涉及光学技术领域， 尤其涉及一种基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法 及装置。 背景技术 0002 成像光谱仪能够同时获取目标的二维空间图像和一维光谱信息， 既能直观反映被 测目标的几何形貌， 又能提供目标的理化属性， 是一种图谱结合的探测手段。 上个世纪八十 年代以来， 光谱成像技术开始被广泛应用于航天航空遥感成像， 通过飞行器搭载， 在矿产与 石油资源探测、 水质及大气污染监测、 精准农业和林业等领域取得了瞩目成就。目前， 这项 技术已经逐步渗透到生物医学、 艺术品防伪鉴定、 食品安全监测、 疾病的控制与治疗等民用 领域，。

9、 获得了越来越广泛的研究与运用。 对于星载成像光谱仪， 发射升空后仪器状态会发生 改变， 为了能够获得目标有效的光谱信息， 除对相机进行实验室定标外， 还需要进行在轨定 标。 0003 传统的成像光谱仪在轨定标包括内定标、 太阳定标和大气吸收线定标。内定标需 要携带大量的定标仪器， 增加了卫星重量， 对所有通道进行扫描需要的周期较长， 在太空环 境下不能保证定标仪器本身不发生变化， 并且需要通过其它部件的转动， 使光源进入相机 的视场， 如此会有转动装置卡滞， 造成相机不能对地球成像的危险， 而且系统硬件和软件也 会非常复杂 ； 当采用大气吸收线进行发射后光谱定标时， 只能对个别几个通道进行标。

10、定， 对 于色散非线性的成像光谱仪难以保证其所有通道定标的精度。 发明内容 0004 本发明实施例的目的是提供一种基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法及装置， 提高定标的精度。 0005 本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的 ： 0006 一种基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法， 包括 ： 0007 搭载在卫星上的光谱仪接收至少 2 个激光器发射的激光， 输出响应数据并将所述 响应数据发送给处理装置， 所述响应数据包括全部光谱通道的光斑位置 ； 0008 所述处理装置将所述响应数据与实验室光谱定标数据比较， 得到在轨光谱定标数 据。 0009 一种基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 包括。

11、至少 2 个激光器、 定向控制装 置以及光束发散角控制装置 ： 0010 所述定向装置， 用于调整所述至少 2 个激光器之间的间距 ； 0011 所述光束发散角控制装置， 用于调整所述至少 2 个激光器发射的激光光束的光束 发散角 ； 0012 所述至少 2 个激光器， 用于在预定位置按照预定光束发散角发射激光光束 ； 0013 激光器发射的激光光束被搭载在卫星上的光谱仪接收， 所述光谱仪输出响应数 说 明 书 CN 103837234 A 4 2/5 页 5 据， 所述响应数据包括全部光谱通道的光斑位置。 0014 由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出， 基于激光器 （地面靶标） 发射的。

12、 光束， 获取光谱仪的响应数据， 确定不同波长在探测器上的空间位置， 与实验室定标数据对 比， 计算出谱线漂移量， 提高在轨定标精度。 附图说明 0015 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案， 下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本 领域的普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他 附图。 0016 图 1 为本发明实施例提供的基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置结构示意图。 0017 图 2 为本发明实施例提供的基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置应用示意图。 0018 图 3 。

13、为本发明实施例提供的基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法流程示意图。 0019 图 4 为本发明实施例提供的基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置应用示意图。 0020 图 5 为本发明实施例提供的基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法光谱漂移和 光斑位置示意图。 具体实施方式 0021 下面结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整 地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于本 发明的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例， 都属于本发明的保护范围。 0022 如图 1 所示， 本发明实施例提。

14、供一种基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 包 括至少 2 个激光器 11、 定向控制装置 12 以及光束发散角控制装置 13 ： 0023 定向控制装置 12， 用于调整至少 2 个激光器 11 之间的间距 ； 0024 光束发散角控制装置13， 用于调整至少2个激光器11发射的激光光束的光束发散 角 ； 0025 至少 2 个激光器 11， 用于在预定位置按照预定光束发散角发射激光光束 ； 0026 激光器 11 发射的激光光束被搭载在卫星上的光谱仪接收， 光谱仪输出响应数据， 所述响应数据包括全部光谱通道的光斑位置。 0027 由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出， 基于地面激光靶标。

15、， 可以确定不 同波长在探测器上的空间位置， 与实验室定标数据对比， 计算出多个谱线漂移量， 提高在轨 定标精度。 0028 本发明实施例基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置设置在地面， 光谱仪搭载在 卫星上， 本发明实施例基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置可以随意搬动， 具有很好的 便携性， 搬动到需要的位置， 可以随时进行定标， 不必等待卫星经过某地时才进行定标。 0029 本发明实施例基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 定向装置 12， 具体可以用 于根据光谱仪的空间分辨率对应确定一组激光器 （2个激光器为一组） 之间的间距， 其中， 激 光器组之间的间距小于等于光谱仪的空间分辨率， 大。

16、于十分之一空间分辨率。假如空间分 说 明 书 CN 103837234 A 5 3/5 页 6 辨率为 4m， 则激光器组间距要小于等于 4m， 大于 0.4m。 0030 具体的， 光谱仪的空间分辨率可以结合现有技术的以理解。 0031 光束发散角控制装置 13， 具体可以用于根据卫星轨道定位的精度和激光器指向精 度确定激光器发射的激光光束的光束发散角， 其中， 激光器的光束发散角大于卫星定位角 度误差与激光器指向误差之和。 0032 具体的， 卫星轨道定位的精度和激光器指向精度可以结合现有技术的以理解。 0033 本发明实施例基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 激光器 12 提供多个波长。

17、 激光， 可以确定多通道的中心波长位置， 提高定标精度。 0034 本发明实施例基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 如图2所示， 至少2个激光 器 21 活动设置在地面平台 22 上， 地面平台 22 设置有方位轴 23， 方位轴 23 可以沿 231 方向 旋转。 0035 激光器 22 可以通过导轨设置在地面平台 22 上， 不受此限制。 0036 激光器 22 可以沿 221 方向移动， 激光器 22 之间的间距可以调整， 保证必然有一组 激光器可以在光谱仪的相机某一次曝光时进入相机视场。 0037 光束发散角控制装置 23 可以包括陀螺经纬仪， 调整方位轴 23 控制至少 2 个激光。

18、 器的光束发散角。 0038 仍如图 2 所示， 电源 24 为激光器供电。 0039 本发明实施例基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 激光器发射的激光波长， 可以根据待定标成像光谱仪的设计光谱参数或者实验室定标数据确定， 尽量平均分布在光 谱仪响应范围内。 0040 示例性的， 若有几个光谱通道响应中心波长在探测器上的空间位置为 1,2,3， 则激 光光斑在探测器的位置与中心波长的位置之差尽量均匀分布在 -0.5 0,5 之间。 0041 实验室光谱定标数据可以包括 ： 每个光谱通道的中心波长、 带宽及光斑位置。 示例 性的， 采用单色仪， 在多个波长 （不限于激光波长） 下， 测定每个光。

19、谱通道的光斑位置。 0042 在轨光谱定标数据可以包括 ： 每个光谱通道的中心波长。实验室光谱定标数据包 括 ： 带宽时， 在轨光谱定标数据还可以包括 ： 带宽， 其中， 带宽可以与实验室测定的带宽一 致。 0043 本发明实施例基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 还可以包括处理装置， 用 于将所述响应数据与实验室光谱定标数据比较， 得到在轨光谱定标数据。 0044 具体的， 处理装置用于 ： 0045 将所述响应数据中光谱通道的光斑位置对应与实验室光谱定标数据中光谱通道 的光斑位置比较， 得到谱线偏移量和旋转量 ； 0046 根据所述谱线偏移量和旋转量以及实验室光谱定标数据中光谱通道的中心。

20、波长， 得到在轨光谱定标数据中光谱通道的中心波长。 0047 其中， 光谱通道， 可以参考现有技术的以理解， 在此不做限制。 0048 示例性的， 如图 5 所示， 得到在轨光谱定标数据与实验室光谱定标的图谱， 图谱体 现了光斑位置和全部光谱通道的谱线位置。实验室定标时激光光斑的位置 51， 实验室定标 光谱位置 52（每条线代表同一波长） ， 在轨定标时激光光斑的位置 53， 在轨定标光谱位置 54。 可见， 激光光斑可以连成一条直线， 则通过这条直线在卫星入轨前后的变化就可以得到 说 明 书 CN 103837234 A 6 4/5 页 7 偏移量和旋转量。 0049 综合上述描述， 可见。

21、， 本发明实施例基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 利用 多波长激光， 可以确定多通道的中心波长位置， 提高定标精度。 0050 搬动到需要的位置， 可以随时进行定标， 不必等待卫星经过某地时才进行定标， 可 以实现成像光谱仪的快速在轨光谱定标。 0051 根据卫星的运行规律和天气， 可以定时对成像光谱仪进行在轨光谱定标。 0052 如图 3 所示， 本发明实施例提供一种基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法， 包 括 ： 0053 步骤 31、 搭载在卫星上的光谱仪接收至少 2 个激光器发射的激光， 输出响应数据 并将所述响应数据发送给处理装置， 所述响应数据包括全部光谱通道的光斑位置 ； 0。

22、054 步骤 32、 所述处理装置将所述响应数据与实验室光谱定标数据比较， 得到在轨光 谱定标数据。 0055 由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出， 基于地面激光靶标， 可以确定不 同波长在探测器上的空间位置， 与实验室定标数据对比， 计算出多个谱线漂移量提高在轨 定标精度。 0056 激光器、 处理装置设置在地面， 光谱仪搭载在卫星上， 激光器、 处理装置可以随意 搬动， 具有很好的便携性， 搬动到需要的位置， 可以随时进行定标， 不必等待卫星经过某地 时才进行定标。 0057 本发明实施例基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法， 实验室光谱定标数据可以 包括 ： 每个光谱通道的中心波长、。

23、 带宽及光斑位置。示例性的， 采用单色仪， 在多个波长 （不 限于激光波长） 下， 测定每个光谱通道的光斑位置。 0058 在轨光谱定标数据可以包括 ： 每个光谱通道的中心波长。实验室光谱定标数据包 括 ： 带宽时， 在轨光谱定标数据还可以包括 ： 带宽， 其中， 带宽可以与实验室测定的带宽一 致。 0059 光谱通道， 可以参考现有技术的以理解， 在此不做限制。 0060 进一步的， 所述处理装置将所述响应数据与实验室光谱定标数据比较， 得到在轨 光谱定标数据， 可以包括 ： 0061 将所述响应数据中光谱通道的光斑位置对应与实验室光谱定标数据中光谱通道 的光斑位置比较， 得到谱线偏移量和旋。

24、转量 ； 0062 根据所述谱线偏移量和旋转量以及实验室光谱定标数据中光谱通道的中心波长， 得到在轨光谱定标数据中光谱通道的中心波长。 0063 本发明实施例基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法， 激光器可以至少为 2 个， 所述 2 个激光器之间的间距小于等于光谱仪的空间分辨率。其中， 激光器组之间的间距小 于等于光谱仪的空间分辨率， 大于十分之一空间分辨率。 假如空间分辨率为4m， 则激光器组 间距要小于等于 4m， 大于 0.4m。 0064 光谱仪的空间分辨率可以结合现有技术的以理解。 0065 本发明实施例基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法， 所述激光器的光束发散角 大于卫星定位角度误。

25、差与激光器指向误差之和。 0066 具体可以用于根据卫星轨道定位的精度和激光器指向精度确定激光器发射的激 说 明 书 CN 103837234 A 7 5/5 页 8 光光束的光束发散角， 卫星轨道定位的精度和激光器指向精度可以结合现有技术的以理 解。 0067 下面如图 4 所示， 说明本发明实施例基于地面激光靶标的在轨光谱定标方法 ： 0068 地面 41 上设置基于地面激光靶标的在轨光谱定标装置， 激光靶标 42 可以沿箭头 421 方向移动， 并可沿箭头 422 方向旋转。根据卫星 43 的观测角度和观测区域提前固定激 光靶标 42 的位置和光束指向角度， 两激光器沿推扫方向排列， 距。

26、离可以调整， 距离小于一 个地元大于观测时的不稳定距离， 保证必然有一组激光器可以在相机某一次曝光时进入相 机视场。 0069 当卫星 43 过境时 （推扫方向 44） ， 激光靶标 42 的光束 （透过大气 45） 到达搭载在卫 星 43 上的光谱仪。 0070 如图5所示， 实验室定标时激光光斑的位置51， 实验室定标光谱位置52， 在轨定标 时激光光斑的位置 53， 在轨定标光谱位置 54。基于光谱漂移机理， 认为光谱漂移只发生了 平移和旋转， 在实验室定标时记录激光光斑的位置和全部光谱通道的光谱定标数据作为参 考， 在轨定标获得的数据与实验室定标数据进行对比， 计算出谱线偏移和旋转量，。

27、 根据偏移 量和旋转量推测全部光谱通道的中心波长。 0071 以上所述， 仅为本发明较佳的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此， 本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。 说 明 书 CN 103837234 A 8 1/3 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103837234 A 9 2/3 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103837234 A 10 3/3 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 103837234 A 11 。