嫦娥一号卫星CCD立体相机焦平面设计与辐射定标

第30卷 第12期2010年12月

文章编号:0253 2239(2010)12 3508 07

光 学 学 报

ACTAOPTICASINICA

Vol.30,No.12December,2010

嫦娥一号卫星CCD立体相机焦平面设计与辐射定标

宋宗玺

1

1,2

赵葆常 高 伟 杨建峰 阮 萍

2

1111

中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西西安710119

中国科学院研究生院,北京100049

摘要 讨论了嫦娥一号卫星CCD立体相机的特殊焦平面设计与实验室辐射定标。嫦娥一号卫星CCD立体相机采用一个广角、远心和消畸变的光学透镜配以面阵CCD作为接受器,完成三线阵自推扫成像。由于快门污染的存在,造成前视、正视与后视间的曝光时间存在较大的差异,这给辐射定标带来困难。本文提出了在面阵CCD焦平面前方设置一个三狭缝面罩的方案,从而使三行CCD的曝光时间基本相同,其残差在实验室辐射定标中作进一步修正,取得了较好的效果。本文还介绍了辐射定标中的其他重要性能指标,包括最短曝光时间的预估、饱和辐亮度的配准、暗电流检测、输出对输入的线性度以及相对定标、绝对定标的不确定度。关键词 光学设计;嫦娥一号探月卫星;CCD立体相机;焦平面设计;辐射定标中图分类号 O431.2 文献标识码 A doi:10.3788/AOS20103012.3508

FocalPlaneDesignofChang e 1SatelliteCCDStereo Cameraand

LaboratoryRadiationCalibration

SongZongxi

1

2

1,2

ZhaoBaochang GaoWei YangJianfeng RuanPing

1

1

1

1

Xi anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ChineseAcademyofSciences,Xi an,Shaanxi710119,China

GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Abstract ThespecialfocalplanedesignandradiationcalibrationofChang e 1satelliteCCDstereo cameraarediscussed.Awide angle,telecentricandorthoscopicopticallenscoupledwithanareaarrayCCDisusedasasensorinChang e 1satelliteCCDstereocameratocompletethethree linearrayself propelling sweepingimaging.Butwiththeexistenceofshuttersmear,theexposuretimehassomegreatdifferencesbetweentheforesight,verticalsightandbacksight.Itbringsdifficultiestotheradiometriccalibration.Thispaperpresentsasolutionofsettingupathree slitmaskinfrontoftheCCDfocalplane,whichmakesthethreelineexposuretimealmostthesameandaftertheresidualsinthelaboratorycalibrationarefurtheradjusted,goodresultisobtained.Thispaperalsointroducesotherperformancesintheradiationcalibrationincludingtheestimationoftheshortestexposuretime,theregistrationofthesaturationradiance,thedarkcurrentnoisetest,thelinearityofCCDpixelresponseandtheuncertaintiesofrelativecalibrationandabsolutecalibration.Keywords opticaldesign;Chang e 1lunarsatellite;CCDstereocamera;focalplanedesign;radiationcalibration

1 引 言

嫦娥一号卫星于2007年10月24日零窗口发射,11月5日卫星被月球捕获,经调轨调姿后,CCD立体相机于11月20日开机工作并实时下传第一轨

收稿日期:2010 03 25;收到修改稿日期:2010 05 06

基金项目:嫦娥一号卫星光学成像探测系统项目资助课题。

图像,11月26日发布我国首次探月工程的第一幅月面照片,图像清晰、层次丰富,获得了国内外众多权威学者的一致好评。2008年初完成了在轨检测

与评估,6月底获取了全月面的图像,它是迄今为止

作者简介:宋宗玺(1978 ),男,博士研究生,主要从事光电信号测量及数据处理等方面的研究。E mail:songxi@http://www.77cn.com.cn

导师简介:赵葆常(1939 ),男,研究员,博士生导师,主要从事应用光学和干涉光谱等方面的研究。E mail:bczhao@http://www.77cn.com.cn

12期宋宗玺等: 嫦娥一号卫星CCD立体相机焦平面设计与辐射定标

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最齐全、最清晰的全月图像。2009年3月1日卫星受控撞月,期间仍发回大量清晰的照片。2009年9月底发布1:2500000全月地形地貌数字图像,从而使我国拥有自己的月球数据库,并为嫦娥二号卫星实施详查提供了有价值的科学数据。

要求在200km标称轨道高度上具有120m的地元分辨率,60km的成像幅宽。采用了Thomson公司的面阵CCDTH7888A作为接受器,它的像元为1024pixel!1024pixel,像元尺寸为14 m,因此光学系统的焦距应为23.33mm。根据成像幅宽以及前、后视间基高比为0.6的要求,其视场角2u应大于等于36 ,所选光谱范围为500~750nm,从光能与调制传递函数(MTF)综合考虑出发,选取相对孔径为f/5,其中f为透镜的焦距。其原理图如图1

所示。

2 CCD立体相机焦平面设计

2.1 方案简介

根据任务书指标,嫦娥一号卫星CCD立体相机

图1嫦娥一号卫星CCD立体相机原理图

Fig.1PrincipleofChang e 1satelliteCCDstereo camera

由于焦距较短,所以用面阵CCD的第1行、第512行及第1024行作为前视、正视与后视传感器就可以满足基高比0.6的要求,该方案为国内外首例。与传统的方案相比,它具有结构紧凑、小型轻量、装配容易及航天环境适应性强等诸多优点[1]。2.2 焦平面设计

为了适应不同辐亮度的目标,CCD立体相机设计有四档曝光时间:3.2,7,20和84ms,其中84ms为换辐时间,亦即最长可能的曝光时间,而3.2ms是根据月球的最大辐亮度值计算得到的最短曝光时间。在轨运行表明,CCD立体相机的最短曝光时间的设定基本合理,也就是说在3.2ms曝光时间条件下,图像没有出现大面积的饱和。

Thomson公司的TH7888A面阵CCD是帧转移CCD,设计的垂直转移频率为500kHz,因此转移一帧的时间约为2ms。图像积分完成后,感光区的电荷迅速转移到存储区过程中,由于没有物理快门来遮挡感光区的光线,因此在转 …… 此处隐藏：11371字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……